HOX基因在结直肠癌中的表达及其临床意义

结直肠癌是一种严重威胁人类健康的恶性肿瘤。2015年有统计指出，在中国结直肠癌的发病率、病死率均位居恶性肿瘤的第5位[1]。尽管近年来结直肠癌的诊治有所进展，但其发病率仍呈上升趋势[2]。随着基因检测技术的不断进步，人们发现与结肠癌转移相关的基因包括血管内皮生长因子(VEGF)、MMTV、Wnt-5α等，但这些早期分子标志物目前的临床实践价值仍十分有限[3]。因此，寻找与结直肠癌的诊断和进展相关的新生标志物十分重要，本文主要总结了HOX基因在结直肠癌的发生发展中的作用，以期提高对结直肠癌患者的诊疗水平，并改善其生存质量，延长生存期。

1 HOX基因概述

在生物体中，若躯体的某一部位出现于躯体另一部位，则将此现象称为同源异型转化[4]。HOX基因最初是在对黑腹果蝇胚胎发育时期调控集体空间结构的研究中被发现的，该类调控基因在果蝇体内有特异表达节段和时相的作用，人们将其称为HOX基因[5-6]。

HOX基因是由180个核苷酸构成的、高度保守的DNA序列，该序列编码是由60个氨基酸组成的同源结构域，并且其结构域的大小以及氨基酸序列的顺序是固定的。目前研究发现，哺乳动物共有39个HOX基因，按结构划分为4簇，根据基因序列的相似性以及基因在染色体上的分布又可分为13组，各分组的HOX基因具有不同的功能[7-10]。HOX基因所编码的HOX蛋白存在于细胞核中，是胚胎正常发育过程中重要的转录调节因子，指导DNA与蛋白质以及蛋白质与蛋白质之间的相互作用，调控胚胎发育、细胞增殖及分化，维持正常细胞的生物学功能，并且在脊椎动物胚胎发育过程中对控制体节特征、调节中枢神经系统是至关重要的[5,11-12]。HOX基因不仅在胚胎早期形成的过程(如中枢神经系统、胃肠道和肢体发育等)中发挥着重要的作用，还在DNA修复和细胞分化中起关键作用[13-14]。研究发现，HOX基因表达产物的特定组合对于脊椎动物身体各器官的发育特征起着决定性作用，各器官表达特定的HOX基因，且HOX基因的表达水平在器官发育的不同过程中也各不相同[15]。

2 HOX基因在肿瘤中的作用

最初认为HOX基因在肿瘤细胞中表达上调[16]，随着研究进一步深入，发现HOX基因在肿瘤中既可发挥转录激活因子的作用，又可发挥转录抑制因子的作用[17]。Abate-Shen[16]提出HOX基因表达存在3个重要的机制：(1)基因表达空间顺序的改变。在某种肿瘤细胞中，HOX基因表达模式的改变可影响其下游通路，最终导致肿瘤的发生与转移。(2)基因主导地位的改变。某种HOX基因在肿瘤细胞中异常高表达，而在正常细胞中低表达或者不表达。(3)基因表观遗传学的改变。某种HOX基因在正常细胞中高表达，而在肿瘤细胞中低表达或不表达。在前两个机制中，HOX基因的主要作用是促进肿瘤的发生与发展，而在最后一个调节机制中，HOX基因的主要作用是抑制肿瘤的发生与发展[18-19]。HOX基因可调控细胞周期和细胞凋亡，进而促进肿瘤的发生与发展[11]。多项研究表明，HOX基因的异常表达与多种肿瘤有关，包括肺癌[20]、乳腺癌[11]、卵巢癌[14]、前列腺癌[21]、胰腺癌[22]等。HOX基因的表达水平与肿瘤的病理学类型、肿瘤分期、肿瘤发生的部位等密切相关[23]。HOX基因常在多种肿瘤细胞中异常表达，因此HOX蛋白有可能成为肿瘤的诊断标志物及治疗靶点。

3 HOX基因与结直肠癌

3.1 HOX基因在结直肠癌中的表达

HOX基因是胚胎发育早期的调控因子，与“胚胎来源”、“前后轴定位”构成三维模型，可描绘成体HOX基因表达的空间分布模式。HOX基因的异常表达可促进结直肠癌的发生与发展[8]。在人类的39个HOX基因中，大多数HOX基因在实体肿瘤中存在异常表达，以HOXA9和HOXB13基因的异常表达较为常见[5,24]。与非肿瘤组织相比，HOXA9在肿瘤组织中的表达显著升高，且与淋巴结转移有关[25]。HOXB13在近端结直肠癌中普遍表达，且与结直肠癌的淋巴结转移密切相关，对于评估结直肠癌患者的预后具有重要意义[12]。有研究发现，在结直肠癌中异常表达的HOX基因共有17个，高表达的HOX基因包括HOXA4、HOXA9、HOXB3、HOXB6、HOXB7、HOXB8、HOXB9、HOXC8、HOXC9、HOXD10，低表达的HOX基因包括HOXB2、HOXB13、HOXD1、HOXD3、HOXD4、HOXD8、HOXD12[5,26-28]。

根据肿瘤分期、肿瘤发生位置的不同，HOX基因的表达也不尽相同。通过检测HOX基因在不同Dukes分期的结直肠癌组织中的表达水平，发现在结直肠癌的不同分期中，HOXB6、HOXB8、HOXC8和HOXC9基因均呈高表达，且这4个HOX基因在结肠癌细胞株Caco-2、HT-29中也呈高表达[5]。HOXB7基因所编码的HOXB7蛋白的表达水平与结直肠癌的临床病理特征(如肿瘤Dukes分期、远处转移阳性、高增殖指数)密切相关。此外，HOXB7基因表达上调可激活PI3K/Akt和MAPK信号通路，促进结直肠癌细胞的生长、增殖及肿瘤形成[29]。Kanai等[26]的研究通过实时定量PCR法测定HOX基因的表达水平，发现正常左侧结肠组织中HOXA13、HOXB13基因表达上调；降结肠组织中HOXB13、HOXD13基因表达上调，而HOXB6基因表达下调；升结肠癌组织中HOXA9、HOXB3、HOXB8和HOXB9基因表达显著上调，而HOXD1基因表达显著下调。HOXA3、HOXD11基因异常高表达的右侧结肠癌较易发生肝转移。HOXD8的表达水平在结肠癌肝转移的肿瘤组织和非肿瘤肝组织中均下调，且均显著低于其在原发性肿瘤组织中的表达水平，提示HOX基因异常表达可能参与了结肠癌的发生、发展。Freschi等[30]的研究发现，正常结肠隐窝中HOX基因各簇的分布不同。原位杂交实验发现，在正常的结肠隐窝中，HOXA基因簇通常在干细胞密集的结肠隐窝基底部表达，HOXC基因簇通常在富含分化细胞的结肠隐窝顶部表达，HOXB基因簇和HOXD基因簇通常沿结肠隐窝轴向分布表达。

3.2 HOX基因表观遗传学机制

肿瘤发生理论认为肿瘤的形成与基因异常表达密切相关，基因突变及表观遗传学的异常调控可引起体细胞转变为恶性肿瘤细胞，最终形成肿瘤干细胞。研究发现，表观遗传学机制可调控消化道肿瘤中HOX基因的表达，包括DNA甲基化修饰、长链非编码RNA(lncRNA)与微RNA(miRNA)调控以及组蛋白乙酰化修饰等[17]。

3.2.1 HOX基因与甲基化修饰 DNA甲基化是DNA化学修饰的一种形式，指在DNA甲基化转移酶的作用下，基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶被修饰为5-甲基化胞嘧啶的过程。有研究对结直肠癌组织、正常结肠组织、4种结直肠癌细胞系进行多重目的区域甲基化富集测序分析，结果发现在结直肠癌组织及结直肠癌细胞中HOXA5、HOXA6的表达水平受甲基化修饰的调控。使用去甲基化剂处理这些基因使其活化后，则可再次发挥促进肿瘤细胞增殖与分化的作用。此研究还表明，在结直肠癌早期阶段，HOXA5和HOXA6呈高甲基化水平，与基因表达水平呈负相关。因此，未来通过测定结直肠癌中高表达的HOX基因的甲基化水平，对结直肠癌的早期诊断有重要的临床意义[31]。

3.2.2 HOX基因与非编码RNA lncRNA与miRNA是真核细胞生物关键的非编码RNA，可调控HOX基因的表达水平，参与肿瘤的发生、发展。lncRNA是由多于200个核苷酸组成的一类非编码RNA。lncRNA可参与基因印记、染色质重塑、细胞周期调控、组蛋白修饰等多种表观遗传学过程，在细胞发育、分化等过程中发挥重要的作用[32]。Rinn等[33]利用高分辨率芯片技术，首次发现位于12号染色体HOXC基因位点的HOX转录反义RNA(HOTAIR)。HOTAIR是具有反式转录调控基因表达功能的lncRNA[12]。有研究表明，HOTAIR的5′端和3′端序列可分别与核心蛋白抑制复合体2(PRC2)以及组蛋白去甲基化酶复合体(LSD1/CoREST/REST)结合于特异靶基因位点，实现靶基因表观遗传学水平上的激活或沉默[8,34]。HOTAIR通过调控肿瘤细胞的靶基因分化、增殖和转移，可与miRNA相互调控，对肿瘤发生、发展过程产生重要影响[8]。miRNA是一类由20～22个核苷酸组成的内源性单链非编码小分子RNA，参与调控信使RNA(mRNA)转录后水平，进而影响多种编码基因的表达[32]。miRNA不仅在细胞增殖、细胞分化、细胞凋亡等过程中发挥重要作用，并且作为“癌基因”或“抑癌基因”参与肿瘤的发生、发展过程，对于肿瘤的早期诊断及早期治疗有重要的指导意义[35]。miRNA和lncRNA均为基因表达调控因子，对肿瘤的发生、发展的各个阶段有重要的意义，但实际上，打破miRNA与lncRNA之间调控的“平衡”，才会导致肿瘤的发生与发展。

4 展望

目前，研究人员对 HOX基因已有较为充分的认识，但依然存在很多未知。若HOX基因异常表达可引起肿瘤发生，那么HOX基因转录活性调控将会是结直肠癌抗癌药物研究的热点；若HOX基因异常表达是由肿瘤本身所引起的，通过在表观遗传学水平上调控，恢复HOX基因的表达，将会是结直肠癌靶向治疗的热点。未来可以借助新技术，进一步探讨HOX基因在肿瘤发生、发展过程中所发挥的作用，为HOX基因在结直肠癌的诊断、治疗和预后中的作用提供新的研究方向。