钙-基因与结直肠腺瘤发病风险关联的研究进展*

赖小练 黄立敏 景楚滢 鲁朔焱 李丹 王慧敏 李勇

近年来我国结直肠癌（colorectal cancer，CRC）的发病率和死亡率在不断上升。2020年世界卫生组织国际癌症研究机构发布了全球最新癌症负担数据显示[1]，中国CRC 发病率在中国恶性肿瘤中位居第二位，新发病例56 万；死亡率位居第五，死亡人数29 万例。美国癌症协会发表癌症统计报告[2]，预估2020年美国结直肠癌新发病例15 万，新增死亡病例5 万，在所有恶性肿瘤中均排第五，且发现美国结直肠癌发病率和死亡率在21世纪以来都经历了快速下降，这可能得益于美国癌症防控措施，如早期结直肠镜筛查。并且美国膳食钙摄入量优于中国[3]。因此，结直肠癌的早期发现、早期诊疗至关重要。正常结直肠黏膜-结直肠腺瘤-结直肠腺癌被认为是结直肠腺癌发生的经典途径[4]，因此探究结直肠腺瘤（colorectal adenoma，CRA）的发生发展机制尤其关键。CRA 的发生发展机制较为复杂，涉及多个基因间的相互作用，同时膳食也是影响CRA 发生发展的因素之一，研究证实钙缺乏可能与CRA 相关，补钙可降低其的发病风险[5-7]。且发现人体对钙的吸收存在差异，且钙吸收量在很大程度上归因于遗传因素[8]。本文总结钙影响结直肠腺瘤发生发展相关分子机制及相关基因研究进展，阐述钙与基因作用同结直肠腺瘤发生发展的关系。

1 钙摄入与结直肠腺瘤的预防

膳食是影响结直肠腺瘤的最重要因素之一。高脂、低纤维膳食可导致结直肠腺瘤发生，高脂摄入会影响胆汁酸和脂肪酸的产生，致上皮组织及细胞过度增殖，继而诱导结直肠腺瘤的发生。结直肠腺瘤的发病率随动物性脂肪摄入量的增加呈上升趋势，研究发现亚油酸可增加结直肠腺瘤的发病风险并涉及K-ras基因的突变[9]。钙与谷物纤维的摄入可降低结直肠腺瘤的发病风险，谷物纤维可增加肠蠕动及抗性淀粉发酵为短链脂肪酸的浓度，还可增加肿瘤细胞凋亡及抑制细胞增殖[10]。钙对脂类具有高度亲和力，抑制肠上皮细胞突变，也起到抑制细胞增殖，促进细胞凋亡的作用[11]。关于结直肠癌的早期预防，一些研究表明钙可能具有化学预防潜力[12]。Um 等[13]研究钙和奶制品摄入量与散发结直肠腺瘤的相关性，发现高钙摄入量降低散发性结肠直肠腺瘤的发病风险，钙可促进结直肠上皮细胞分化，并使散发性腺瘤患者的结直肠隐窝增生区正常化。Huang 等[14]研究发现维生素D 和钙在结直肠腺瘤的发病率、恶性转化和进展中起到化学预防作用，尤其是对女性和左侧结直肠癌患者。

2 钙影响结直肠腺瘤发生发展的机制

结肠癌发生的分子基础是一个多步骤的过程，涉及APC、K-ras 和p53 的遗传改变。作为结直肠癌重要的癌前病变，在结直肠腺瘤的发生发展过程中，涉及到了细胞增殖、分化和凋亡过程，也涉及APC 途径、错配修复(MMR)途径。主要参与的遗传生物标志物如表1，结直肠癌发生具体分子机制如图1[15]。了解补钙预防结直肠腺瘤的机制对于结直肠腺瘤的钙膳食补充至关重要。研究表明，钙摄入含量可通过影响以下基因的表达而影响结直肠腺瘤的发生发展。具体为：APC 途径相关基因APC、β-catenin、E-cadherin；错配修复基因MSH2，MLH1；转化生长因子TGF-α、TGFβ1；CaSR 基因；相关炎症因子COX-2、15-HPGD 以及肠黏膜屏障蛋白CLDNs、OCLDs、MUC12。

表1 结直肠肿瘤风险的分子表型生物标志物[15]

图1 结直肠癌发生分子基础[15]

2.1 APC 途径

APC 抑癌基因，染色体定位于5q22.2，编码APC蛋白。APC 蛋白、β-连环蛋白（β-catenin）和钙黏蛋白E（E-cadherin）是结直肠腺瘤发病风险生物标志物，APC/β-catenin 途径的功能障碍是结直肠癌中常见的早期事件。在正常的结直肠黏膜中，APC 蛋白可降解β-catenin，后者是Wnt 信号通路的效应物，可控制结直肠隐窝干细胞协同扩增和分化。当APC 基因发生突变，其表达降低，β-catenin 得不到降解在细胞核内聚集，激活Wnt 的靶基因（c-myc，cyclinD1），促进细胞增殖和抑制分化。E-cadherin 通过与β-catenin结合稳定细胞间黏附，调节β-catenin 的水平间接影响Wnt 信号通路。在正常结直肠粘膜中，APC、β-catenin 和E-cadherin 均高表达；在腺瘤-癌序列中，APC和E-cadherin 的表达显著降低，β-catenin 的表达增加[16]。研究发现，散发性结直肠腺瘤患者的肠黏膜中APC/β-catenin 比值显著低于健康对照组[17]。Liu 等[18]研究发现，补充维生素D 和钙，可在散发性结直肠腺瘤患者肠黏膜中增加APC 与β-catenin 的关联，还可适度增加E-cadherin 的表达，降低结直肠腺瘤的发病风险。

2.2 错配修复基因

DNA 错配修复基因（mismatch repair gene，MMR）的突变或甲基化，导致微卫星不稳定（microsatellite instability，MSI），是结直肠腺瘤发生的重要机制之一。错配修复基因mutS 同源物2（MSH2）、mutL 同源物1（MLH1）表达错配修复蛋白MSH2、MLH1。在15%散发性结直肠腺瘤中，错配修复基因MLH1 启动子甲基化失活是其主要的发生机制[19]。MLH1 和MSH2 蛋白在散发性结直肠腺瘤患者中表达较低，两种蛋白的低表达导致错配修复途径异常，并导致了结直肠腺瘤的发生。Sidelnikov 等[20-21]发现结直肠黏膜MSH2 和MLH1 的表达可作为结直肠腺瘤发病风险的潜在生物标志物。钙和维生素D3 可通过单独增加结直肠黏膜中MLH1 和MSH2 蛋白的表达来降低结直肠腺瘤的发病风险[22]。Kwan 等[23]评估维生素D 和钙对散发性结直肠腺瘤患者中MSH2 表达的影响，结果表明维生素D3 与钙结合，可增加散发性结直肠腺瘤患者中MSH2 表达水平。

2.3 转化生长因子

转化生长因子α 和β1（TGF-α、TGF-β1）是在结直肠隐窝中正常表达的自分泌/旁分泌生长因子，在肿瘤发生发展过程中其表达会发生改变。TGF-α 可促进细胞正常生长和增殖，在结直肠癌中过表达；相反TGF-β1 抑制细胞生长和增殖并诱导凋亡，在结直肠癌变早期可观察到表达降低[24]。为了评估维生素D和钙对散发性结直肠腺瘤患者转化生长因子表达的影响，临床试验表明，维生素D3 与钙结合可有利地调节散发性结直肠腺瘤患者中MSH2 和TGF-α、TGF-β1的表达水平[23]，影响结直肠腺瘤的发生发展。Tu 等[25]研究结果也提示补充钙和维生素D3 可增加散发性结直肠腺瘤患者中TGF-β1 的表达，起到抑制结直肠腺瘤发生发展的作用。

2.4 炎症因子

许多人类肿瘤的发生和发展都伴随着慢性炎症反应，炎症可释放细胞因子，产生自由基，损伤DNA，促进血管生成和细胞增殖进而促进肿瘤进展，而结直肠腺瘤与慢性炎症紧密关联。前列腺素(PG)介导的炎症与结直肠肿瘤的发展密切相关[26]。环氧合酶-2(COX-2)和15-羟基前列腺素脱氢酶(15-HPGD) 通过合成和分解前列腺素共同调节PG 介导的炎症，是与结直肠腺瘤发生发展的重要炎症生物标志物。COX-2 的增加和15-HPGD 的减少是结直肠腺瘤发生的重要驱动因素，与结直肠腺瘤形成相关[27]。研究表明[28]钙和维生素D 通过调节结直肠腺瘤患者中COX-2 和15-HPGD 的表达平衡来影响其发生发展。

2.5 肠黏膜屏障蛋白

有害微生物和外来抗原在肠道内可导致代谢性内毒素血症和炎症，促进细胞增殖，肿瘤血管生成和抑制细胞凋亡导致结直肠腺瘤的发生。肠黏膜屏障主要由黏液层和上皮组成，是肠道抵御有害物质的第一道防线。结直肠上皮层包含紧密连接和黏附连接，紧密连接是由多蛋白复合物组成，在相邻上皮细胞之间形成选择性可渗透的密封网，由CLDNs、OCLDs、连接黏附分子和其他跨膜蛋白组成，起到保护肠道黏膜的的作用。并且在结直肠腺瘤中有观察到CLDNs、OCLDs 的低表达[29]。结直肠黏液层由黏蛋白组成，黏蛋白除了提供物理屏障和抵抗侵袭性病原体的第一层防御外，还可激活调节炎症、细胞分化和凋亡的信号转导途径，MUC12 是一种新的黏蛋白基因，参与上皮细胞的生长调节，且在结直肠癌中表达下调[30]。研究表明钙和维生素D 也可能参与维持肠黏膜屏障的完整性[31]。Mandle 等[32]在一项临床试验研究中探索钙和维生素D 补充对参与者肠黏膜蛋白的影响，结果显示维生素D 和钙剂补充组CLDN1、OCLD 和MUC12蛋白的表达较无补充组分别增加了14%、23%和22%。表明钙可通过增加肠黏膜屏障蛋白的表达来降低结直肠腺瘤的发生。

3 钙-基因交互作用与结直肠腺瘤

钙摄入与结直肠腺瘤的预防存在一定的关系，高钙摄入可以降低结直肠腺瘤发病风险，且人体对钙的吸收存在差异，这在很大程度上可能归因于遗传因素。钙摄入水平与钙吸收基因存在交互作用同结直肠腺瘤发病率相关。到目前，已经发现涉及钙吸收的一些关键基因，这些基因的变异对钙的稳态影响显著，包括SLC12A1、KCNJ1、SLC8A1、VDR、CASR、PTH、TRPM7。

3.1 离子泵通道基因

溶质载体家族12 成员1（SLC12A1）基因位于染色体15q15-21，此序列编码的蛋白质为NKCC2，是位于髓襻升支粗段（TAL）的襻利尿剂敏感的Na-K-2Cl联合转运体。钾内向整流通道亚家族J 成员1（KCNJ1）基因位于染色体11q21-25，此序列编码的蛋白质是一种内向整流钾通道，称为鼠外髓钾通道（ROMK），其为NKCC2 的一种调控蛋白。Zhu 等[33]研究发现，在KCNJ1 和SLC12A1 基因携带变异等位基因的人群中，高钙摄入与结直肠腺瘤的风险降低相关。与KCNJ1 和SLC12A1 相似，编码钠钙离子交换体的基因，溶质载体家族8 成员1 是维持细胞内钙稳态和调节钙转运的另一个重要角色，Zhao 等[34]在田纳西州结直肠息肉研究中，使用两阶段基因分型方法研究SLC8A1、KCNJ1 和SLC12A1 在钙摄入和结肠直肠腺瘤风险之间的联合调节作用，发现携带至少两个突变等位基因时，高钙摄入降低30%～57%的结直肠腺瘤发病风险。瞬时受体电位阳离子通道，M 亚家族，成员7（TRPM7）基因，编码一种普遍表达的组成型离子通道，影响钙镁含量的摄入。Su[35]等研究证实，TRPM7 的Thr1482Ile 位点与腺瘤性息肉的钙镁摄入量显著相关，发现携带至少一个等位基因且饮食中钙镁摄入量高的受试者患腺瘤的风险较高。

3.2 钙吸收受体基因

维生素D 通过结合VDR 基因调节钙吸收相关基因的转录并参与Wnt/β-catenin 信号通路，此信号通路与结直肠腺瘤的发生发展密切相关。在正常结直肠细胞中，钙可通过结合胆汁酸和脂肪酸以及调节细胞增殖、诱导细胞分化和刺激细胞凋亡来发挥作用。然而，在结直肠肿瘤发展过程中其作用是有限的，找到能对钙摄取具有敏感性的标志物是至关重要的。钙敏感受体（CaSR）基因被认为是影响钙稳态的关键分子，CaSR 基因编码钙结合G 蛋白偶联受体(GPCR)，其N 末端结构域包含钙结合位点，C 末端结构域参与信号传导[36]。Abhishek 等[37]研究表明，CaSR 介导了结直肠中钙的抗肿瘤作用，CaSR 稳定表达可减少癌细胞生长、增加分化和诱导凋亡并保护结肠上皮细胞免受恶性转化。

3.3 PTH 基因

甲状旁腺激素（PTH）在钙和镁的体内平衡调节中起着关键作用，研究表明高钙摄入与PTH 的一个单核苷酸多态性位点rs11022858 相互作用与降低64%结直肠腺瘤发病风险显著相关[38]。

4 结语与展望

近年来，中国结直肠癌的发病率和死亡率呈持续上升趋势[1]，国民生活方式和饮食结构的改变可能是重要原因之一。随着内镜技术的发展和推广，结直肠癌的早期诊治已取得较大进展，但仍有部分患者确诊时失去根治机会。因此，制定新的预防策略，开展早期干预是一项迫切的医学任务。随着对结直肠癌的深入研究，发现多基因、多靶点、多信号导致结直肠癌的发生。结直肠腺瘤被公认是结直肠癌主要的癌前疾病，其发病机制较为复杂，涉及多种分子及通路。大量事实揭示除了饮食中高脂肪和低纤维是结直肠腺瘤发生的危险因素外，钙缺乏亦和结直肠腺瘤发病风险有关，补钙可降低其发病风险。但目前钙剂补充与结直肠腺瘤发病风险之间的关系仍存在争议，其降低结直肠腺瘤发病风险的具体分子机制还有待更深入的研究。本综述通过阐述补钙可影响与结直肠腺瘤发病相关分子的表达水平、钙和基因的交互作用与结直肠腺瘤发病风险的关联，希望可以在分子和基因水平上对结直肠腺瘤的发生发展进行更全面的了解，并为结直肠癌的早期诊断、早期治疗提供理论基础和科学依据。