DIO3基因在肿瘤发病机制中的作用研究进展

张桂虾?施飞熊?周宇

【摘要】碘甲腺原氨酸脱碘酶3（DIO3）基因是编码3型碘甲状腺原氨酸脱碘酶的印迹基因。大量研究显示，DIO3基因与多种疾病的发生、发展相关，特别是在肿瘤的发病中扮演重要角色。DIO3基因可影响肿瘤细胞增殖和分化，参与肿瘤的发生、发展过程，可能成为肿瘤药物治疗的新靶点。该文就DOI3基因在肿瘤发病机制中作用的研究进展作一综述。

【关键词】碘甲腺原氨酸脱碘酶3基因;脱碘酶;肿瘤发生

Research progress on the role of DIO3 gene in tumor pathogenesis Zhang Guixia， Shi Feixiong， Zhou Yu. Department of Gastroenterology， Affiliated Hospital of Guangdong Medical University， Zhanjiang 524000， China

Corresponding author， Zhou Yu， E-mail： ahdg2005@ 126. com

【Abstract】Type 3 iodothyronine deiodinase 3 （DIO3） gene is an imprinted gene encoding type 3 iodothyronine deiodinase. A large quantity of studies has demonstrated that DIO3 gene is associated with the incidence and progression of a variety of diseases， particularly in the pathogenesis of tumors. DIO3 gene can affect the proliferation and differentiation of tumor cells and participate in the occurrence and development of tumors， which possibly becomes a novel target for tumor drug therapy. In this article， the research progress on the role of DOI3 gene in tumor pathogenesis was reviewed.

【Key words】Iodothyronine deiodinase 3 gene;Deiodinase;Oncogenesis

腫瘤的发生是多种因素综合作用的结果，其机制仍未明了。碘甲腺原氨酸脱碘酶3（DIO3）基因是一种编码3型碘甲状腺原氨酸脱碘酶（D3）的印迹基因，在多种肿瘤组织中表达异常，且与肿瘤的发生、发展密切相关，可能为肿瘤药物治疗的潜在靶点[1]。因此，深入了解DIO3基因在肿瘤发生、发展中的作用机制，对开发相关的肿瘤治疗靶向药物有重要意义。现笔者对DIO3基因与肿瘤关系的研究进展综述如下。

一、DIO3基因结构与功能

1998年至1999年，Hernández等[2]学者鉴定出DIO3基因位于人染色体14q32和小鼠染色体12F1，是一个长度为1853 bp的单外显子，其编码区序列和启动子结构在不同物种中高度保守，并提出其可能在物种发育中起重要作用的观点。此外，该基因位于翻译起始位点78 bp内的启动子区域，富含CpG（80%），且含有对其功能至关重要的TATA盒以及CAAT和GC盒。

甲状腺激素脱碘酶有3种类型：D1、D2和D3。3种脱碘酶形成具有同源催化结构域的跨膜酶家族，共同参与甲状腺激素的激活和灭活，从而发挥其对机体的调节作用。其中D3是由DIO3基因编码的一种含硒代半胱氨酸的蛋白质，是灭活T3和T4主要的脱碘酶，可催化T4向反T3转化以及T3内环脱碘产生125I和3，3-二碘甲状腺氨酸，这2种反应产物均无生物活性。D3通过调控局部甲状腺激素水平，在机体的生长发育、免疫反应、干细胞的活化以及肿瘤的发生、发展等方面起重要作用[3]。

二、DIO3基因表达与肿瘤的发生、发展关系

不少研究者发现，DIO3基因在许多系统良恶性肿瘤中的表达均异常，提示其与肿瘤的发生、发展密切相关。

DIO3基因在肿瘤细胞中表达异常并影响其增殖和分化。研究显示，DIO3基因在大肠癌组织中的表达高于健康肠组织，同时，在缺乏DIO3基因的情况下，过量的T3抑制大肠癌细胞增殖，并促进大肠癌细胞和其来源的异种移植小鼠模型中细胞的分化，提示DIO3基因与大肠癌的发生、发展有关[4]。也有研究者发现，D3在增殖角质形成细胞和小鼠及人类基底细胞癌（BCC）组织中的表达增加，敲除DIO3基因引起裸鼠中的BCC异种移植物生长减少[5]。在甲状腺乳头状癌（PTC）中，D3的活性显著增加并与DIO3 mRNA水平增加（约5倍）相平行，且在BRAFV600E突变的PTC组织中增加更显著，提示DIO3基因与PTC有关[6]。然而，DIO3基因虽然在大部分肿瘤中的表达上调，但其在胃癌等一些肿瘤中的表达下调[7]。因此，DIO3基因在不同的肿瘤中可能存在不同的作用。

DIO3基因表达异常影响肿瘤患者的预后和某些临床表现。研究显示，D3活性增加与PTC大小呈正相关、与淋巴结或远处转移有关[6]。在另一项研究中也显示，沉默DIO3基因可使G1期细胞比例增加、S期与G2期细胞比例显著降低，且在患者转移瘤淋巴结组织中出现与原发肿瘤类似的D3上调[8]。这些研究均提示DIO3基因的异常表达可能影响肿瘤的分级和分期，进而影响患者预后。也有研究显示，DIO3基因在某些肿瘤组织中的过度表达可能引起消耗性甲状腺功能减退，并影响药物疗效。例如，在肝血管瘤中，这种副肿瘤综合征的主要特征为FT4、FT3持续降低，TSH升高且不能被高剂量的左旋甲状腺素（LT-4）抑制，对LT-4的替代治疗反应不佳，但手术切除原发肿瘤后，TSH恢复正常[9]。Baqui等（2003年）的研究解释了D3的细胞外定位可能与这一副肿瘤综合征的发生有关。

三、DIO3基因参与肿瘤发生的机制

1. DIO3基因通过丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）和音猬因子（SHH）/GLI信号通路在肿瘤中发挥作用

MAPK信号通路由4个不同的级联共享，包括细胞外信号相关激酶（ERK1/2）、Jun氨基末端激酶（JNK1/2/3）、p38-MAPK和细胞外信号调节激酶5（ERK5），该通路异常可引发包括癌症在内的多种疾病。SHH是一种形态发生素，经典SHH信号通路是SHH与细胞膜上的受体蛋白Patched1（Ptch1）结合后触发另一个膜受体蛋白Smoothened（Smo）释放活化转录因子GLI锌指家族（GLI1、GLI2、GLI3），继而GLI识别并结合到DNA上的GLI结合位点而刺激靶基因转录，是细胞分化和增殖的关键通路之一，其异常活化可促进肿瘤发生、发展[10]。

Romitti等[6]的研究表明，在PTC中DIO3基因表达上调是MAPK途径和SHH/GLI1途径异常活化的结果。应用MAPK级联抑制剂U0126（ERK途径）和SB203580（p38途径）降低DIO3 mRNA水平;而且在BRAFV600E基因突变的PTC中，DIO3 mRNA水平和D3活性显著升高，而BRAFV600E基因突变会诱导MAPK通路持续性激活，提示MAPK激活能上调DIO3 mRNA水平并增加D3酶活性。分别阻断MAPK和SHH途径均显著下调GLI1和DIO3基因的表达，说明除MAPK 途径外，SHH/GLI1信号通路也参与PTC中DIO3的上调，且MAPK可能通过调节SHH途径的信号转导，进而调节DIO3的表达[8]。有关BCC的研究也显示， GLI2蛋白和GLI2突变体与DIO3启动子结合后，能直接诱导DIO3转录，增加D3的表达量，而SHH也可以使D2表达减少，说明SHH信号通路参与BCC的发生、发展[5]。D2和D3在BCC中共同表达，使局部细胞内活性甲状腺激素减少，影响细胞周期蛋白D1介导的进入G1-S期的细胞比例，从而在细胞周期进程和细胞凋亡中起关键作用[11]。另一项研究亦表明，D3活性是BCC细胞增殖和生存的关键。D3缺乏或T3处理会诱导BCC细胞凋亡并减弱SHH信号，其具体机制是T3通过PKA依赖性机制损害GLI2蛋白稳定性并减弱SHH信号来诱导BCC细胞凋亡[12]。因此，D3通过减弱T3的促分化和促凋亡作用以促进BCC细胞的增殖和存活。

2. DIO3基因通过Wnt/β-连环素（β-Catenin）信号通路在肿瘤中发挥作用

β-Catenin是细胞间连接和经典Wnt信号转导途径的重要组成部分，其进入细胞核并与转录因子T细胞因子（TCF）/淋巴增强因子结合而介导Wnt靶基因的激活，在维持肿瘤干细胞活性中起关键作用。

Kwon等（2001年）的干细胞研究显示Notch对活性β-Catenin具有负性调控作用。而D3能抑制Notch活性，使Wnt/β-Catenin信号作用增强[13]。D3在各种CRC细胞系中表达上调，其机制可能是D3作为β-Catenin/TCF复合物的直接转录靶标，活化的β-Catenin能下调D2和上调D3表达。因此，在CRC中，D3与Wnt/β-Catenin通路之间可能形成一个正反馈环路调节T3在局部组织中的浓度。而T3通过负向调节有丝分裂信号如β-Catenin和正向调节分化标志物如E-钙黏蛋白，发挥促进细胞分化和抑制细胞分裂的作用[4]。因此，Wnt/β-Catenin通路的异常活化可导致DIO3基因表达上调，进而影响T3抑制肿瘤发生的作用。

3. DIO3基因通过Smad和MAPK依赖性转化生长因子-β（TGF-β）通路在肿瘤中发挥作用

与肿瘤发生、发展密切相关的TGF-β信号通路也参与了DIO3基因的转录调节[14]。有研究者发现，TGF-β1在血管瘤细胞、胎儿上皮和人类骨骼肌细胞中诱导内源性D3表达[6， 15]。TGF-β通过Smad依赖性途径刺激DIO3基因的转录，但该作用仅在表达内源D3活性的细胞中出现，表明Smad对于D3诱导是必要但不充分的。TGF-β对D3的作用需要MAPK，并且与佛波醇酯和几种通过受体酪氨酸激酶进行信号转导的促细胞分裂剂协同作用才能完成[15]。因此，TGF-β通过Smad和MAPK依賴性途径的协同作用诱导DIO3基因表达。

4. DIO3基因甲基化状态与肿瘤发病机制的关系

DNA甲基化是一种表观遗传过程。机体患肿瘤时，DNA甲基化的紊乱表现为2种形式，即某些基因CpG岛发生高甲基化，尤其是DNA启动子区域的CpG岛，以及发生全局性5-甲基胞嘧啶丢失。Martin-Subero等[16]通过一项基于微阵列的DNA甲基化研究发现DIO3 CpG位点在B淋巴细胞、T淋巴细胞和髓系恶性肿瘤中被高度甲基化，这可能在多种血液肿瘤的发展中起重要作用。周原等[17]综述了包括多个增殖相关基因如GAS6、CDT1在内的基因高甲基化会促进肿瘤的恶性行为。因此推测，DIO3基因CpG的高甲基化也可能参与肿瘤的发病机制，可能影响肿瘤患者的预后。锯齿状腺癌（SAC）是一种特殊类型CRC，具有独特的表观遗传调控模式，预后比传统CRC差。有研究显示，SAC中DIO3 CpG的甲基化程度显著高于传统的CRC，并且证实qPCR高度甲基化导致mRNA表达水平降低，但免疫组织化学检查结果显示SAC癌细胞胞质中D3颗粒染色强度高于CRC，提示可能是具有不同调节和稳定性的替代基因转录本翻译的结果，或者可能存在一种负反馈机制，即D3在胞质中的累积可能促进甲基化驱动的DIO3基因沉默，但这种推测尚未得到证实，仍需要进一步研究[1]。因此，DIO3的高甲基化状态可能对肿瘤的发生、发展有一定的影响，但更具体的机制尚未清楚。

5. 其 他

在胰岛瘤细胞中，胰高血糖素样肽-1通过cAMP-PKA-D3途径上调DIO3基因表达，进而调节胰腺β细胞内T3浓度和β细胞功能[18]。Di Girolamo等（2016年）的研究显示，在BCC中，miR21通过抑制头状转录因子3表达而诱导DIO3的表达，减少肿瘤微环境中的甲状腺激素而促进肿瘤增殖，提示miRNA参与DIO3的致癌过程。缺血、缺氧通过诱导促进Hsp40介导D3向核易位，促进甲状腺激素受体附近的甲状腺激素失活。这种通过适应性调节减少甲状腺激素信号转导的机制，从长期来看，可能会刺激局部细胞增殖，从而导致肿瘤的发生。

四、結 语

DIO3基因不仅对正常机体发育起作用，而且与多种良恶性肿瘤的发生及发展密切相关。DIO3基因参与的肿瘤调控机制错综复杂，不同调节通路之间往往存在交互作用。但通过调节DIO3基因的表达而改变局部活性甲状腺激素浓度，继而影响细胞的分化和增殖是许多肿瘤发生、发展的共同机制。关于DIO3基因在肿瘤中的具体调节通路方面仍有许多亟待解决的问题。矫正DIO3基因的异常表达或增加活性甲状腺激素浓度可能成为某些肿瘤治疗的新途径，但需要更多的研究提供支持。

参 考 文 献

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（收稿日期：2019-06-25）

（本文编辑：洪悦民）