驱动蛋白家族在结直肠癌中作用的研究进展

孙世杰，吕嘉晨，佟金学

哈尔滨医科大学附属肿瘤医院，哈尔滨150001

结直肠癌是一种高发病率和高病死率的消化系统恶性肿瘤，其发病率和病死率分别居全球恶性肿瘤的第三、四位［1-2］。目前，电子结肠镜检查是诊断结直肠癌最直观、可靠的手段，不仅可直视下观察结直肠黏膜的细微病变，还可通过组织活检或细胞学检查确定病变性质，但其作为一种有创的侵入性检查，存在肠出血、肠穿孔等严重并发症或患者不耐受情况。癌胚抗原（CEA）作为传统肿瘤标志物的代表，其血清水平持续升高5～10 倍对结直肠癌诊断才有指导意义［3］。但在结直肠癌早期血清CEA 水平升高并不明显。在治疗方面，结直肠癌往往存在严重的原发性或继发性耐药现象。鉴于结直肠癌的诊疗局限性，学者们一直在积极探索新一代液体活检技术［4］及其分子治疗靶点［5-6］。经过国内外学者不断探索，终于找到了一种蛋白质——驱动蛋白，有可能为结直肠癌早期诊断和靶向治疗带来新的希望。驱动蛋白是一种重要的细胞内运输“货物”的分子马达，迄今为止，共发现45 个驱动蛋白家族（KIFs）成员。大多数KIFs 成员对结直肠癌的发生、发展具有促进作用，个别KIFs 成员则具有促癌和抑癌双重作用。本文结合文献就KIFs 在结直肠癌中作用的研究进展作一综述。

1 KIFs概述

1.1 KIFs 发现历程 20 世纪80 年代，HIROKAWA等［7］采用冷冻技术、显微成像技术和免疫细胞化学技术等研究发现，在微管结构域和膜结合的细胞器之间存在一些复杂的网络交联物，该网络交联物后来被证实为KIFs。FUNATSU 等［8］将KIFs 与动力蛋白、肌球蛋白进行对比发现，KIFs 由三磷酸腺苷（ATP）驱动，其底物的释放需要经过多个酶促反应。但该研究并未对KIFs 实现生物运动的分子机制进行深入探索。直到本世纪初，学者们运用现代医学技术发现了更多KIFs成员，并对KIFs成员进行了系统命名［9］。

1.2 KIFs 结构、分类和功能 KIFs 是一种重要的细胞内运输“货物”的分子马达，主要功能是参与细胞有丝分裂过程中染色体聚集、纺锤体形成和细胞内物质运输等。每个驱动蛋白由一个或多个头部结构域（也称运动域，约由300 个氨基酸残基组成）连接到一个由多段α螺旋线圈组成的尾部。根据其运动域位置，KIFs 可笼统地分为39 个N 型驱动蛋白、3个M 型驱动蛋白和3 个C 型驱动蛋白，其中N、C 型驱动蛋白分别驱动微管正、负端运动，而M 型驱动蛋白负责解聚微管。目前使用较广泛的是另一套细化的驱动蛋白命名原则，它定义了14个主要的驱动蛋白亚家族（Kinesin1～Kinesin14）［9］。

近年来，有学者采用生物信息学分析、组织或细胞学实验方法等发现，许多KIFs 成员对肺癌、乳腺癌、结直肠癌等恶性肿瘤的发生、发展具有促进作用［10］。个别KIFs 成员则具有促癌和抑癌双重作用。不仅如此，部分KIFs 成员在恶性肿瘤中的作用还会随着病情进展而发生变化。因此，KIFs 成员在结直肠癌中的作用逐渐成为临床研究的热点。与结直肠癌发生、发展密切相关的KIFs 成员及其作用见表1。

表1 与结直肠癌发生、发展密切相关的KIFs成员、作用及其表达变化

2 KIFs在结直肠癌中的作用

2.1 KIF3C KIF3C 属于Kinesin2 亚家族，该亚家族同时含有参与微管动力学调节和细胞内定向物质运输的同二聚体和异二聚体分子马达。KIF3C 具有可调节微管动力学的特殊L11 环状结构，此结构存在于富含甘氨酸和丝氨酸的催化马达结构域中，并且含有一个由25 个氨基酸残基组成的插入序列［11］。SON等［12］对聚合酶链反应产物进行放射性同位素标记并用DNA 直接测序，分析了KIF3C 中的一个野生型G7 重复序列，然后对100 例份具有高微卫星不稳定基因的结直肠癌样本和45 例份具有微卫星稳定基因的结直肠癌样本进行处理和分析，结果在5%的结直肠癌样本中发现KIF3C 移码突变，而在匹配的正常结直肠组织中未见任何突变证据。该突变是核苷酸重复序列中一个碱基的缺失或复制，继而导致氨基酸翻译的移码。因翻译过早停止导致KIF3C不成熟，类似于典型的失活突变。KIF3C 的移码突变所生成的不成熟产物不仅影响细胞的形态和代谢，还会影响其抑癌基因功能，甚至导致抑癌基因功能失活，间接促进了结直肠癌的发生。此外，KIF3C的移码突变还有可能直接诱发结直肠癌的发生，但其确切机制尚在探索阶段。

2.2 KIF14 KIF14 属于Kinesin3 亚家族，其基因定位于人染色体1q32.1。KIF14 是一种N 型驱动蛋白，含有4个保守的功能结构域，主要参与有丝分裂过程中染色体聚集、排列和胞质分裂。目前，在结直肠癌中已检测到1q32 的基因组增益。WANG 等［13］研究发现，KIF14 在结直肠癌组织中表达上调，并参与基因组扩增和转录激活，从而证实KIF14 能够促进结直肠癌细胞增殖。miR-200c 是一种公认的肿瘤抑制因子，能够在转录后水平调节KIF14表达，即miR-200c 表达下调可能导致KIF14 表达增加，这又将促进基因组扩增和转录激活，进而促进结直肠癌细胞增殖。KIF14 作为结直肠癌细胞增殖的标志物，未来争取能够研发出敏感性、特异性和稳定性俱佳的新一代肿瘤标志物。

2.3 KIF4A KIF4A 属于Kinesin4 亚家族，其基因定位于人染色体Xq13.1。KIF4A 由1 232 个氨基酸组成，主要分布于细胞核，其功能是调节有丝分裂过程中染色体的聚集和分离。KIF4A功能异常可能与子代细胞非整倍体形成所导致的遗传稳定性丧失有关，这可能间接促进肿瘤形成［14］。HOU 等［15］研究报道，KIF4A 可通过调节p21 启动子加速细胞周期转化，从而促进细胞增殖；通过Transwell 分析发现，KIF4A 能够促进结直肠癌转移；通过多因素Cox 回归分析发现，KIF4A 是影响结直肠癌患者预后的独立危险因素。MATSUMOTO 等［16］研究发现，在结直肠癌组织中KIF4A表达明显升高，但其表达与Ki-67表达无明显相关性；而敲除KIF4A基因后，结直肠癌细胞的增殖能力明显降低。进一步证实KIF4A对结直肠癌细胞增殖具有促进作用。因此，KIF4A 能够间接促进结直肠癌细胞增殖和迁移作用，并可作为判断结直肠癌预后的独立危险因素。

2.4 KIF11 KIF11 属于Kinesin5 亚家族的正端定向运动成员，主要参与增殖细胞的中心体迁移、细胞周期转化和纺锤体组装等有丝分裂过程。KIF11 存在多个变构位点，其确切的运行机制仍不清楚。ZHANG 等［17］对KIF11 的结构和动力学进行预分析及结合位点映射，确定了以S1 为代表的变构位点，并采用Sitemap 程序分析了KIF11 的晶体结构，发现其S1 位点的预测参数为0.98，表明S1 位点是小分子药物紧密结合的极佳位点；进一步研究发现，S1位点位于驱动蛋白颈部连接区域中活性位点的反侧，由短α 螺旋和周围β 折叠的残基组成。为了验证S1 的可信性及靶向调节KIF11 的能力，学者们通过基于结构的虚拟筛选工作流程，确定了以SRI35566 为代表的化合物，并通过稀释试验证实其为KIF11 抑制剂。这种KIF11 抑制剂能够诱导结直肠癌细胞形成单极纺锤体，并抑制其细胞活性。IMAI 等［18］检测了100 例份结直肠癌组织KIF11 表达，结果发现62 例份结直肠癌组织KIF11 阳性表达；采用RNA 干扰技术抑制结直肠癌细胞KIF11 表达发现，用于表征肿瘤干细胞的球状集落数量减少。结果提示，在自然病程状态下，KIF11 具有促进结直肠癌细胞增殖的作用；当KIF11 变构调节位点S1 与SRI35566 化 合 物 结 合 时，KIF11 的 功 能 被 抑制，导致结直肠癌细胞形成单极纺锤体，从而抑制结直肠癌细胞增殖。未来以KIF11变构调节位点S1为出发点，以SRI35566 为代表的小分子化合物为落脚点，进而探索结直肠癌潜在的分子治疗靶点和抗肿瘤药物。

2.5 KIF20B KIF20B 属于Kinesin6 亚家族，是一种微管相关蛋白，其结构中含有一个高度保守的运动域，通过与微管结合并利用ATP 酶水解产生的机械力沿微管正端方向运动。在有丝分裂过程中，KIF20B 凭借其特异性磷酸化能力参与细胞分裂，进而促进结直肠癌细胞增殖。因此，KIF20B 可作为结直肠癌细胞有丝分裂的标志物［19］。LIN 等［20］研究发现，KIF20B 在结直肠癌组织中高表达，并且其高表达与结直肠癌远处转移密切相关，证实KIF20B在结直肠癌细胞的侵袭和迁移过程中具有一定作用。在未来的研究中，需要重点关注KIF20B是否具备成为诊断结直肠癌的肿瘤标志物。

2.6 KIF18A KIF18A 属于Kinesin8 亚家族，其在有丝分裂早期染色体聚集，有丝分裂中期染色体正确排列和纺锤体准确构建中发挥重要作用。有研究报道，KIF18A在肺癌、乳腺癌、结直肠癌等恶性肿瘤的发生、发展过程中发挥一定作用［10］。NAGAHARA等［21］研究发现，结直肠癌组织KIF18A mRNA表达明显高于癌旁正常组织；多因素分析表明，KIF18A 高表达是影响结直肠癌患者术后总生存期的独立危险因素。结果提示KIF18A 与结直肠癌病情进展和患者预后有关。另外，通过特异性小干扰RNA 靶向敲除KIF18A 基因时，结直肠癌细胞的增殖、侵袭和迁移能力均明显降低，进一步证实KIF18A在结直肠癌病情进展过程中发挥重要作用。未来要通过相关的基础和临床研究证实，KIF18A能够作为结直肠癌的肿瘤标志物。

2.7 KIF26B KIF26B 属于Kinesin11 亚家族，是一种只参与微管结合与调控，但不参与微管运动的非传统驱动蛋白，并通过与非肌球蛋白重链Ⅱ相互作用参与N-钙黏附素依赖的细胞黏附。STOLZE 等［22］研究发现，KIF26B 对应的上游基因中含有增强子变体——单核苷酸多态性rs12028528，这种增强子具有血管内皮细胞的特异性，并且可与包含KIF26B启动子的基因组位点相互作用；单核苷酸多态性rs12028528 能够通过上调KIF26B 表达，影响冠状动脉疾病、糖尿病眼病和恶性肿瘤等血管形成依赖性疾病的发生、发展，从系统遗传学角度证实KIF26B可能与血管形成依赖性疾病的遗传易感性有关。WANG 等［23］观察了结直肠癌组织及其配对的癌旁正常组织KIF26B mRNA 和蛋白表达，结果发现结直肠癌组织KIF26B mRNA 和蛋白表达均明显升高，并且KIF26B表达上调与肿瘤直径、T分期、N分期和组织分化程度等有关。此外，KIF26B 表达还被证实是影响结直肠癌患者总生存期的独立危险因素。体外研究发现，敲除KIF26B基因能够抑制结直肠癌细胞增殖。这些研究表明，KIF26B 表达与结直肠癌病情进展和患者预后密切相关。另外，关于KIF26B表达与血管形成依赖性疾病遗传易感性有关的特性，在今后的研究中应引起重视，可采取多诊疗中心联合长期观察的方法，进一步确定KIF26B表达差异与结直肠癌遗传易感性的关系。

2.8 KIF15 KIF15 属于Kinesin12 亚家族，具有四聚体纺锤状的马达结构，当其运动时首先会被一个“ATP 类似物”的装置捕获，然后其颈部连接至催化核心完成后续运动过程［24］。KIF15 还具有维持纺锤体主轴双极性的功能。SUN 等［25］从GEO 数据库中下载了5个基因表达谱，筛选出352个与结直肠癌相关的差异表达基因，然后运用数据库、蛋白质相互作用网络的检索工具确定了10个核心差异表达基因，再通过单因素和多因素Cox回归分析，最终确定了5个对结直肠癌预后有预测价值的基因，KIF15 即为其一。根据这一风险评分系统，高风险患者生存率显著低于低风险患者。最后，研究者在GSE17536、GSE33113 两个独立的GEO 队列验证了上述基因标志，并在TCGA数据库中发现上述5个标志性基因均为差异表达基因。因此，结直肠癌细胞内KIF15极有可能通过破坏靶细胞纺锤体双极性的形成而扰乱细胞有丝分裂周期，导致子代产物产生异质性，从而促进了结直肠癌的发生、发展。此外，KIF15高表达往往提示结直肠癌患者预期生存率较低。未来应进一步探索KIF15促进结直肠癌发生、发展的分子通路。

2.9 KIF2A KIF2A 属于Kinesin13亚家族，是一种非运动性的M 型驱动蛋白，具有微管解聚酶活性，可参与有丝分裂过程中双极纺锤体组装。有研究报道，KIF2A 可能与部分恶性肿瘤的发生、发展及患者预后有关［26］。FAN 等［27］研究发现，KIF2A mRNA 和蛋白在结直肠癌组织中特异性表达；采用单因素和多因素Cox 回归分析发现，KIF2A 过表达与结直肠癌TNM 分期和肿瘤细胞稳定性密切相关。由此认为，KIF2A 的微管解聚酶功能紊乱可导致细胞周期过早停止而形成不成熟产物，进而导致结直肠癌形成；而KIF2A过表达则可导致肿瘤细胞稳定性降低，从而易发生迁移，如此往复，陷入恶性循环。未来应进一步探索扰乱KIF2A 功能的始动因子，并深入研究其致病机制，有针对性地研制其抑制剂，从而靶向治疗结直肠癌。

2.10 KIF2C KIF2C 亦属于Kinesin13 亚家族，是Wnt/β-catenin 信号途径的直接靶点［28］。与KIF2A一样，KIF2C 也是将其ATP 转化产生的能量耦合到微管末端实现解聚。KIF2C 通过调节微管动力学，参与纺锤体组装以及姐妹染色体聚集、分离和纠错等细胞分裂过程。KIF2C 缺失会引起细胞纺锤体组装、染色体聚集和分离缺陷，导致染色体不稳定，最终引起肿瘤。有研究表明，KIF2C 过表达能够促进结直肠癌细胞的侵袭、迁移能力［29］，这一现象可能与其重塑细胞骨架有关。GNJATIC 等［30］采用实时定量聚合酶链反应和免疫印迹测定方法检测了结直肠癌组织和细胞中NY-CO-58/KIF2C 表达，结果发现结直肠癌细胞NY-CO-58/KIF2C 高表达，且其表达与Ki-67表达呈正相关关系，证实KIF2C表达上调能够促进结直肠癌细胞的增殖能力。KIF2C 缺失会引起染色体传代异常，进而导致遗传性状改变，从而诱导结直肠癌的发生、发展；KIF2C 过表达则会促进结直肠癌细胞的增殖能力，而在异常增殖过程中，重塑细胞骨架又会促进结直肠癌细胞的侵袭和迁移，导致患者预后不良。这一看似矛盾的结论，恰恰证实了KIF2C 在结直肠癌不同发展阶段所起的作用不同。在今后的研究中，要善于分析KIF2C 在结直肠癌不同发展阶段的表达差异并灵活运用这一特点，将有助于开发具有特色的肿瘤标志物和治疗靶点。

综上所述，KIFs 能够参与结直肠癌的发生、发展，部分KIFs 成员调控的特殊变构位点和其在结直肠癌中稳定高表达，有望成为结直肠癌的新一代生物标志物和治疗靶点。但目前KIFs 参与结直肠癌发生、发展的具体信号通路及上下游调控的分子机制仍有待阐明。