锌指蛋白家族的转录调控模式及其对肿瘤细胞发展进程的影响

张文武，肖斌，宋筱羽，孙朝晖，李林海

(1.广州医科大学附属第六医院，清远市人民医院 检验医学部，广东 清远 511500；2.广州中医药大学，广东 广州 510010；3.中国人民解放军南部战区总医院 检验科，广东 广州 510010)

转录因子(transcription factor,TF)通过识别特定DNA序列调控染色质结构和基因转录，在基因表达、细胞分化发育、自噬、代谢和凋亡等进程中发挥重要作用[1]。TF活性是影响基因表达的“关键开关”，TF的突变与肿瘤发生密切相关[2]。真核生物中的主要TF家族包括C2H2-锌指(C2H2-zinc finger,ZF)、同源结构域(homeodomain)、碱性螺旋-环-螺旋(basic helix-loop helix,bHLH)、碱性亮氨酸拉链(basic leucine zipper,bZIP)以及核激素受体(nuclear hormone receptor,NHR)等[1]。其中锌指蛋白(zinc-finger proteins，ZFPs)家族作为最大的TF家族，参与多种生物学进程，近年来已有众多研究发现其在肿瘤的发展进程中具有重要作用。本文作者综述ZFPs家族在肿瘤细胞中的主要转录调控模式，及其对肿瘤发生发展的影响，同时也对研究ZFPs转录调控机制所面临的困境和解决方法展开了讨论，以期相关研究人员能够更充分、全面地了解ZFPs家族在肿瘤细胞中的转录调控模式，为进一步研究特定家族成员在具体肿瘤中的作用奠定了基础。

1 ZFPs家族结构分类

ZFPs是人类基因组中最大的TF家族，由2%的人类基因参与编码，是含有锌指结构蛋白质的总称。根据ZFPs的结构可将其分成8类，包括C2H2型、塞结状锌指(gag knuckle)型、高音谱号锌指(treble clef)型、带状锌指(zinc ribbon)型、Zn2/Cys6锌指型、类TAZ2型锌指(TAZ2 domain-like)型、锌离子结合短环锌指(short zinc-blinding loops)型和金属硫蛋白锌指(metallothioneins)型[3]。

C2H2型是成员数量最多的ZFPs[4]，主要参与DNA的识别与修复、RNA包装、细胞凋亡调节、信号传导、细胞迁移以及转录调控等生物学过程[5-9]。C2H2型ZFPs除了包含锌指结构域外，还可能有Broad-Complex，Tramtrack，and Bric-a-brac/poxvirus and zinc finger(BTB/POZ)，Krüppel-associated box(KRAB)和SRE-ZBP，CTfin51，AW-1 and Number 18 cDNA(SCAN)等结构域。这些结构域可能选择性结合DNA序列或招募其他细胞组分形成转录起始复合物，从而调控亚细胞定位、染色质结构和基因表达。

2 ZFPs家族参与的转录调控模式及对肿瘤的影响

2.1 直接与靶基因启动子区域结合

TF大多具有两个基本的功能域：DNA结合域(DNA-binding domain，DBD)和转录激活域(transcription-activating domain，TAD)。TF可通过DBD直接或间接结合至启动子区域，常见的DBD包括：锌指结构、螺旋-转折-螺旋(helix-turn-helix，HTH)结构、碱性亮氨酸拉链(ZIP)结构以及bHLH结构[10-11]。ZFPs通过锌指结构直接识别并结合至靶基因启动子区域，以调控下游基因表达[11-12]。

C2H2型ZFPs是最大的ZFPs家族，ZNF384、ZNF692及ZNF703都具有典型的C2H2结构域。ZNF384在人体多种组织中广泛表达且高度保守。He等[13]研究表明，在肝癌中敲低ZNF384能够抑制Cyclin D1的表达，阻断肝癌细胞从G1期进入S期，影响肝癌细胞的增殖；双荧光素酶报告基因实验证实，ZNF384能够靶向CyclinD1的启动子区域并上调Cyclin D1的表达，进而发挥促癌作用。ZNF692，又称ZFP692或AREBP，位于染色体1q44[14]。在宫颈癌细胞中，ZNF692直接结合至p27kip1启动子区域(815～1 022 bp)，从而促进宫颈癌细胞的侵袭能力[15]。ZNF703是NET/NIz家族成员之一，位于染色体8p11.23，由6个保守结构域组成，其中3个已知结构域为C2H2型锌指结构域、SP(spacer)结构域和BTD(round head box)结构域，主要分布于细胞核[16-18]。在肝癌细胞中，ZNF703可直接与CLDN4基因启动子结合，激活CLDN4的转录及表达，从而诱导肝癌的上皮-间充质转化(epithelial to mesenchymal transition,EMT)进程以及索菲拉尼耐药[19]。

KRAB型结构域是C2H2型ZFPs最典型的结构域[20-22]。ZNF471为C2H2型KRAB类ZFPs，位于染色体19q13。ZNF471已被证实在胃癌、乳腺癌、食管鳞癌等多种肿瘤中发挥抑癌作用[23-25]。在食管鳞癌中，ZNF471通过直接与MAPK10/JNK3启动子结合并促进其转录激活MAPK10信号及其下游效应因子，从而促进食管鳞癌细胞的凋亡和抑制细胞生长[23]。Kruppel 样锌指转录因子6(Kruppel like factor 6,KLF6)也是KRAB类ZFPs，在多种肿瘤中作为肿瘤抑制因子发挥作用[26-27]。研究表明,KLF6在肾透明细胞癌中的表达水平与E2F1呈负相关，进一步研究证实 E2F1是KLF6的直接靶基因，KLF6直接与E2F1的启动子位点(-485/-468)结合并下调E2F1表达，从而抑制肾透明细胞癌转移[27]。ZNF251同样具有KRAB结构域[28]，是肺硬化性肺细胞瘤中常见的体细胞突变基因之一[29-30]。有研究证实，ZNF251能够直接靶向双特异性磷酸酶DUSP6启动子区域，抑制DUSP6的表达；低表达DUSP6介导了细胞外信号调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinase,ERK)的磷酸化修饰，激活ERK信号通路，从而促进肺癌的发生发展[29]。

以上研究均表明ZFPs能够依靠自身锌指结构直接结合靶基因启动子，进而发挥转录调控作用，这是ZFPs最常见且最重要的转录调控方式。

2.2 形成转录起始复合物

TF可通过募集其他因子形成转录起始复合物，与靶基因启动子区域结合，影响下游基因的表达，从而发挥转录调控作用。ZFPs的锌指结构域、KRAB结构域、SCAN结构域和BTB/POZ结构域能够协助ZFPs同其他因子结合以发挥转录调控作用。

ZNF750位于染色体17q25.3，由氨基末端1个非典型的C2H2锌指序列和两个高度保守的PLNLS组成，其在食管鳞癌、宫颈癌、乳腺癌等恶性肿瘤中发挥抑癌基因作用[31-33]。Cassandri等[31]发现，ZNF750通过招募组蛋白修饰物KDM1A和HDAC1至LAMB3和CTNNAL1启动子区域，抑制LAMB3和CTNNAL1表达，进而抑制乳腺癌细胞的迁移侵袭。

ZNF350(又称ZBRK1)，是一种典型的KRAB型ZFPs，其NH2端含有高度保守的KRAB结构域。ZNF350能够与BRCA1形成复合物结合至GOT2的启动子区域，抑制天冬氨酸生物合成酶GOT2的表达，从而抑制天冬氨酸和α-酮戊二酸的生成和乳腺癌细胞的增殖转移[34]。此外，ZNF350还与BRCA1以及CtIP形成转录复合物，并通过ANG1上游启动子中ZNF350识别位点结合至ANG1的启动子区域，协同抑制ANG1的表达，从而抑制乳腺肿瘤的生长[35]。ZNF774也是KRAB型ZFPs。在肝癌细胞中ZNF774通过招募NuRD形成转录抑制复合物，该复合物能够特异性识别NOTCH2启动子区域的GAGCCTG序列，强烈抑制NOTCH2的基因转录，进而中和NOTCH2介导的肝癌细胞增殖侵袭[20]。

总之，ZFPs通过不同的功能结构域招募转录激活或转录抑制因子形成转录起始复合物，与靶基因启动子结合并发挥转录激活或抑制作用，进而影响基因表达。

2.3 调节启动子区域甲基化

DNA甲基化是最早发现的修饰途径之一。大量研究表明DNA甲基化能够抑制基因的转录表达，即DNA甲基化能够关闭某些基因的活性，去甲基化则能诱导某些基因的表达[10,36]。而ZNF能够识别DNA甲基化序列并调控靶基因甲基化[37]。

ZFP57是KRAB-ZFPs成员之一。在胚胎干细胞(embryonic stem cells,ESCs)中，ZFP57与DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase,DNMT)1、3A和3B相互作用，调控DNA的甲基化水平。在乳腺癌细胞中，MEST是ZFP57的下游靶基因，ZFP57通过调节MEST启动子区域甲基化抑制MEST的表达，抑制Wnt/β-catenin通路，进而抑制乳腺癌细胞增殖[38]。

Wang等[39]发现,在胃癌细胞中ZNF545因自身启动子甲基化导致其表达下调，且ZNF545通过直接与rDNA启动子区域结合，降低了rDNA启动子区域的组蛋白第三亚基四号赖氨酸的三甲基化(H3K4me3)水平，同时招募共抑制复合物异染色质蛋白1β(heterochromatin protein 1β，HP1β)共同抑制rRNA的转录，进而抑制胃癌细胞增殖并诱导凋亡。

DNA甲基化是肿瘤发生过程中的重要生物学现象。ZFPs既可通过自身甲基化导致其表达下调，也能通过影响靶基因启动子区域DNA甲基化抑制其表达，进而发挥转录调控作用。但ZFPs在肿瘤细胞中通过何种途径介导自身或靶基因启动子甲基化，目前尚没有明确的研究报道。

2.4 与组蛋白相互作用

组蛋白的调控机制是决定基因表达程度的有效手段[10,40]。某些组蛋白乙酰基转移酶(histone acetyltransferase,HAT)自身具有转录活性，可直接参与转录过程；TF也可通过招募组蛋白乙酰化或去乙酰化酶影响基因表达。

ZNF322A是C2H2型锌指转录因子。ZNF322A通过AP-1元件激活ADD1和cyclin D1的表达，同时招募组蛋白去乙酰化酶3(HDAC3)至p53启动子区域抑制p53表达，以发挥致癌基因作用[41]；ZNF322A亦可直接结合c-Myc启动子并招募HDAC3，以抑制c-Myc的表达，进而促进线粒体的氧化磷酸化和细胞运动，发挥维持肺癌干细胞特性的作用[42]。

组蛋白修饰包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等过程。前期研究表明，ZFPs主要通过招募乙酰化/去乙酰化酶使组蛋白发生乙酰化/去乙酰化，进而影响染色质转录活性。而ZFPs是否能够调控组蛋白磷酸化、泛素化等修饰过程仍有待深入研究。

2.5 与靶基因的增强子结合

增强子(enhancer)是促进基因转录的重要元件，能够显著增强其连锁基因的转录效率。TF能够识别并结合基因远端的增强子序列，通过DNA-蛋白质相互作用调节转录活性，从而决定基因特异性表达[10-11,43]。

Wang等[16]利用ChIP-seq技术对ZNF703在卵巢癌细胞OVCAR3中的全基因靶位点进行测定，发现ZNF703与PEA15的增强子区域(染色质1,160,199,305-160,199,593)结合；双荧光素酶实验证实ZNF703直接与PEA15增强子区域结合并上调PEA15的表达，从而促进PEA15介导的卵巢癌细胞增殖转移。

目前，关于ZFPs与增强子结合发挥转录调控作用的研究较少，但ZFPs家族作为基因组最大的TF家族，其中可能存在多种通过结合增强子发挥转录调控作用的成员，这仍需要我们不断的去研究和发现。

3 总结与展望

ZFPs作为TF具有广泛的生物学功能，在基因表达、细胞增殖、分化、衰老等生命过程中扮演着重要的角色，但其在肿瘤细胞中的调控机制以及对肿瘤发生发展的影响仍不明确，尚处于研究起步阶段。

转录是细胞、组织、器官促进和控制基因表达、细胞代谢、组织器官发育的主要调控程序[44]。在真核生物中存在多种不同的转录调控模式影响基因的表达。TF通过直接或招募共激活因子与启动子结合，直接启动下游基因表达；TF还可通过与增强子元件结合，调控邻近或远端基因核心启动子的转录；TF与组蛋白相互作用，导致组蛋白乙酰化、去乙酰化等进程，从而促进或抑制基因转录；DNA甲基化也能够使某些基因失活，而去甲基化则能诱导基因重新活化及表达，抑癌基因启动子甲基化导致基因失活也是肿瘤发生的一个重要因素。可见，基因的转录调控是一个多层次、多组分参与的极其复杂的生物学进程。

同一TF在不同肿瘤中的转录调控模式并非完全一致。例如在卵巢癌中，ZNF703可通过与靶基因增强子直接结合发挥转录调控作用，而在肝癌中ZNF703则直接与靶基因启动子结合促进肝癌的EMT进程以及索菲拉尼耐药[16,19]。另外，有些TF通过多种不同转录调控模式在多种肿瘤的发生发展过程中扮演不同的角色。例如ZNF224已被证实具有癌基因和抑癌基因的双重作用。在慢性粒细胞白血病中ZNF224可作为WT1的转录辅因子发挥促凋亡及抗增殖的作用，而在膀胱癌、肝癌及乳腺癌中ZNF224可通过招募DEPDC1形成转录复合物发挥促癌作用[45-46]。转录调控是一个极其复杂的生物学进程，导致同一ZFPs具有多种转录调控模式的原因除了其本身结构多样化外，细胞核内的微环境也可能是重要的影响因素。此外，目前对于ZFPs在肿瘤中的研究大多数是致力于去寻找其下游靶基因，但对于ZFPs的上游探索目前研究的较少，是否存在一些因素能够影响ZFPs进而影响肿瘤的发生发展也是我们后续研究探索的一部分。

目前，开展ZFPs家族蛋白的转录调控模式及机制研究仍面临很大的挑战，而解决这些问题的关键是实验技术的发展与进步。在TF与染色质相互作用研究方面，除了传统的免疫共沉淀测序(chromatin immunoprecipitation sequencing，ChIP-seq)，近年兴起的染色质靶向切割和标签化(cleavage under target &tagmentation，CUT&Tag)技术在实验流程、灵敏度、信号分辨率、重复性和实验结果可靠性以及细胞用量方面均具有明显优势。此外，染色质的空间折叠对基因表达同样具有重要影响，在探索染色质空间结构方面，CUT&Tag可联合高通量染色体构象捕获技术(high-throughput chromosome conformationcapture，Hi-C)等三维基因组学技术进一步揭示复杂的基因转录调控的空间结构，从而为研究ZFPs对染色质三维结构的影响提供了便利[47-50]。

相信随着技术的不断更新发展及相关研究的不断深入，我们对ZFPs家族在肿瘤发生发展过程中的多转录调控模式必将有更加清晰的了解和认知。