脆性X智力低下蛋白在肿瘤致病机制中的研究进展

阳慧芝, 李思锐, 蔡桂月, 邹静文, 任俊男, 陈嵘祎

1.南方医科大学皮肤病医院,广东 广州 510091; 2. 南方医科大学附属第七医院,广东 佛山 528000

脆性X智力低下蛋白(fragile X mental retardation protein, FMRP)是一种选择性RNA 结合蛋白(RBP)[1],参与mRNA代谢和翻译的负调控[2-6]、稳定性的调节[7-9]、转运[10-12]、剪切[13-14]和编辑[15-17]等过程。FMRP 在神经元中高表达,且mRNA 靶转录组的特征在于神经元[18-21],其功能缺失可导致树突棘畸形发生[22-24]。对FMRP调节的 mRNA的IPA分析表明,这些靶点主要涉及细胞骨架重塑和细胞间信号传导和相互作用,这些机制也涉及肿瘤进展[22]。脆性X综合征(fragile X syndrome, FXS)是一种 X 连锁神经系统疾病,由基因突变或表观遗传学修饰,FMRP基因被失活,造成FMRP蛋白表达缺失,是人类遗传性智力障碍的最常见形式[25-26]。近年来,有学者观察到FXS患者患癌症的风险降低,表明FMRP可能促进肿瘤进展,但具体功能及机制尚不明确[27]。本文主要就FMRP与肿瘤的关系进行综述。

1 FMRP的结构与功能

1.1 FMRP的结构

FMRP蛋白主要位于细胞质,少量见于细胞核,除横纹肌外,在哺乳动物的脑、脾脏、睾丸、血液、肝脏等组织中都有表达,但不同组织中表达水平不同[28]。FMRP蛋白由632个氨基酸残基组成,分子量约为69～70 KD;其氨基酸序列可以分为三个部分:N末端(1～204),2个KH结构域(205～422),C末端(516～632)。其中N末端(NDF)是一高度保守的氨基酸序列,由134个氨基酸残基组成,具有热稳定性和β结构,可形成稳定的二聚体,NDF折叠结构的不稳定性可改变FMRP在细胞核的定位[29]。C末端高度可变,含有一RGG框(精氨酸甘氨酸簇),由外显子15、16编码,由Arg、Gly、Gly重复片段组成的RNA结合区域,具有与靶RNA正确结合的功能。2个核蛋白K同源结构域(KH结构域)即KH1、KH2结构域,分别由外显子7和外显子8、9编码。完整的KH结构域是FMRP与靶RNA结合所必须的,KH结构域可与RNA相结合并调节转录与翻译以及细胞的发育。除此之外,FMRP还有一个核定位信号(NLS)和一个核输出信号(NES)。FMRP含有4个RNA结合区域,分别为KH1结构域、KH2结构域、RGG框以及位于NDF的RNA结合区域[30]。

1.2 FMRP的功能

FMRP是一种选择性RNA结合蛋白(RBP),通过其功能域可以选择性地与包括自身mRNA和与神经发育、树突可塑性有关的大约4%的脑组织mRNA相结合,对逆转录、RNA转运、mRNA的稳定性均有作用[31]。Zou等[32]鉴别22种靶mRNA,其中有18种已被证实与FMRP有关,其中部分mRNA可编码结构蛋白、关键酶或涉及细胞发育全过程的蛋白质,尤其是与神经系统发育和功能相关的蛋白质。Li等[33]运用兔网红细胞裂解系统研究FMRP在调节翻译方面作用时发现FMRP与mRNA结合是抑制翻译的关键,并阐明FMRP是一种翻译抑制因子。

2 MRP与免疫系统

在一项最新的研究中,通过基因灭活小鼠癌细胞中的FMRP基因发现缺乏FMRP的小鼠肿瘤生长速度较缓慢,更容易受到T淋巴细胞的攻击。缺乏FMRP的小鼠肿瘤细胞表现出肿瘤微环境重塑、巨噬细胞极化和参与效应 CD8+T 细胞募集的趋化因子上调,这项新的研究表明,FMRP调控肿瘤微环境中的基因和细胞网格,有助于肿瘤逃逸免疫破坏[34]。这项研究发现了一种先前未被认识到的肿瘤逃逸免疫攻击的机制,证明FMRP是一种新的有潜力的癌症治疗靶点,值得进一步研究与开发。

3 FMRP与肿瘤的关系

3.1 FMRP与胶质母细胞瘤

胶质母细胞瘤(glioblastoma, GBM)是成人中最常见的恶性原发性脑肿瘤。其特征是不受控制的细胞增殖、强大的血管生成、坏死倾向、弥漫性浸润、抗细胞凋亡和基因组不稳定[35]。肿瘤进展背后的复杂分子网络使得潜在的药物治疗变得非常复杂。RBP正在成为癌症发展中的关键调节因子,在转录后控制和基因表达稳态中发挥关键作用[36]。越来越多的研究发现FMRP在多种肿瘤中过度表达,与癌症进展和侵袭性密切相关[37-40]。Pedini 等[41]研究发现在人类GBM活组织检查中,FMRP 表达的增加与患者预后较差直接相关。相比之下,FMRP的减少与体外细胞培养模型和小鼠大脑GSC异种移植物中人GBM干细胞样细胞(GSC)的肿瘤生长和增殖减少相关。结果一致显示,增加FMRP水平可促进GSC增殖。在表达高水平 FMRP的 GSC中以及在敲低FMRP后的GSC中进行了GSC转录组分析后,发现 FMRP调节GSC增殖的环节,该研究亦表明WNT信号在已表达的 FMRP 靶基因和ASD相关基因中最为丰富,并发现FMRP的减少抑制经典WNT/β-Catenin信号通路和非经典WNT-ERK1/2信号通路激活,降低了涉及的几个关键转录因子(β-Catenin、CREB和ETS1)的稳定性并调节神经胶质瘤细胞的恶性特征。最终得出结论:FMRP通过调节 WNT信号传导在GBM癌症进展中发挥关键作用。这项研究首次提出了FMRP通过WNT信号通路在GBM发病机制中发挥作用,将有助于应用信号通路抑制剂对GBM进行治疗,为靶向治疗GBM提供一个新的方向。

3.2 FMRP与肝细胞癌

肝细胞癌(hepatocellular carcinoma, HCC)是最常见、死亡率最高的恶性肿瘤之一,其发病率和死亡率居世界前列。由于症状不明显,早期诊断困难,晚期易发生广泛转移,给治疗带来困难,肝细胞癌每年新增病例增加,死亡率高,严重威胁人类健康。利用小干扰RNA(siRNA)进行特异性基因沉默已成为治疗恶性肿瘤的新方法。Zhao等[42]研究发现FMRP参与信号转导和转录激活因子3 (STAT3) mRNA 的定位和翻译,并介导HCC的转移,通过合成荧光碳点(CD) 作为siRNA传递系统的基因载体,体外诱导有效的基因敲低,同时结合适体AS1411有效地沉默了FMRP蛋白的表达,成功抑制了HCC细胞的迁移和侵袭倾向。Zhu等[43]证明了circZKSCAN1通过调节FMRP的功能抑制HCC中的细胞干性。此外,该研究还发现FMRP的下游靶基因为细胞周期和凋亡调节因子1 (CCAR1),它作为Wnt/β-catenin信号通路的共激活因子并上调细胞干性。该研究揭示了一种新的机制,为HCC提供新的治疗靶点。研究发现FMRP在HCC组织中高表达并在体外和体内促进HCC转移,FMRP通过与STAT3的3′UTR相互作用驱动STAT3 mRNA 定位到突起,并促进IL-6介导的STAT3 mRNA翻译,加速HCC转移[39]。以上研究结果揭示了 FMRP在癌细胞迁移、侵袭、凋亡、增殖、转移中的关键作用,为HCC治疗提供了潜在靶点。

3.3 FMRP与乳腺癌

乳腺癌是全世界女性中最常见的癌症,终生患病风险为0.125%;其中三阴性乳腺癌(triple negative breast cancer,TNBC)患者的死因通常是术后5年内复发,占30%～40%。化疗仍然是唯一可能的选择,因此需要鉴定TNBC和乳腺癌转移的分子事件以开发有效的治疗方法[44]。有研究通过人体组织微阵列发现FMRP过表达与侵袭性乳腺癌的预后显著相关;人乳腺组织中高水平的FMR1 mRNA与转移到肺部的乳腺癌和TNBC相关。进一步使用小鼠模型,确定FMRP在乳腺原发性肿瘤中的过度表达会增强肺转移,而其减少则具有相反的作用,可调节细胞从原发性肿瘤扩散和侵袭至远处。在乳腺癌细胞中,FMRP结合参与EMT、细胞粘附和细胞骨架重塑的mRNA,并调节它们的稳定性和翻译[44]。该项研究在人体组织层面及小鼠模型中均发现FMRP影响乳腺癌的转移与预后,为将来在细胞层面的研究及临床研究奠定基础。

3.4 FMRP与结直肠癌

结直肠癌(colorectal cancer,CRC) 是世界上最常见的癌症之一,恶性程度高,每年导致近50 万人死亡[46]。CRC从正常粘膜到腺瘤性息肉再逐步发展到癌,是一个以基因突变积累为特征的多阶段过程,这赋予了肿瘤细胞生长时有选择性优势[45]。目前研究发现许多癌症相关蛋白表达水平受 RBP 调节。研究证明了几种 RBP 在控制肠上皮细胞稳态和应对损伤方面的关键作用[46]。有研究者发现人类 CRC中FMRP相对于非肿瘤组织的显著增加;他们使用CRC的可诱导小鼠模型,观察到FMR1敲除小鼠的结肠肿瘤发生率和肿瘤大小均有所降低。FMRP 的敲除在激活 necroptotic通路的人CRC细胞系中诱导自发性细胞死亡。另外,对人类细胞系和CRC样本的特异性免疫沉淀实验中表明FMRP结合受体相互作用蛋白激酶1(RIPK1) mRNA, FMRP通过监测RIPK1 mRNA代谢作为坏死性凋亡途径的调节剂。用FMR1处理人类CRC细胞系和患者结肠癌类器官导致RIPK1的上调。最终实验表明:FMRP在CRC中起控制RIPK1表达和坏死性激活的作用[38]。以上研究揭示了FMRP在CRC组织及细胞中高表达,FMRP可通过调控CRC细胞的凋亡来促进结直肠癌的发展。研究FMRP在CRC凋亡机制的作用不仅对CRC的发病机制有帮助,而且对判断该病预后及选择治疗措施具有重要意义。

3.5 FMRP与肝内胆管癌

肝内胆管癌(intrahepatic cholangiocarcinoma, iCCA)是一种罕见的恶性程度高的肝内胆道肿瘤,其预后极差、治疗棘手。目前一些临床病理学参数可以作为iCCA的预后因素,但iCCA的分子预后标志物和潜在机制尚未得到很好的研究。研究发现FMRP在iCCA中过表达,且其表达在iCCA转移组织中显著增加[47]。转移性iCCA细胞系中 FMRP的沉默影响细胞迁移和侵袭,表明FMRP在iCCA进展中可能发挥重要作用。而且,进一步证明 FMRP 位于人类iCCA肿瘤巢的侵入性前沿以及迁移和侵入iCCA癌细胞的伪足和侵袭性伪足突起中。FMRP 结合几种编码关键蛋白质的 mRNA,这些蛋白质参与了这些突起的形成和/或功能。特别是该研究发现FMRP结合并调节 Cortactin 的表达,Cortactin是侵袭性伪足形成的关键调节因子。总而言之,这项研究结果表明FMRP可以促进细胞侵袭性调节膜可塑性和入侵iCCA细胞前缘的侵袭伪足形成,进而影响iCCA细胞的迁移和侵袭,证实了FMRP在iCCA进展中的作用,有可能成为今后识别分子生物标志物以及新的有前途的靶向治疗分子。将来FMRP有望在iCCA的临床管理中提供重要意义。

3.6 FMRP与恶性黑素瘤

恶性黑色素瘤(malignant melanoma, MM)是一种转移快、侵袭能力强的高度恶性肿瘤,多发生于皮肤,占皮肤恶性肿瘤的第三位。目前MM存在误诊率高、预后差的现象,患者生存率低,遏制MM转移成亟待解决的难题。在MM进展过程中介导基因差异表达的分子机制在很大程度上仍然未知。Zalfa等[48]研究显示FMRP在以高Breslow厚度和高Clark水平为特征的人类黑色素瘤中过度表达。他们发现FMRP水平与侵袭性MM的预后相关,并且 FMRP 通常在位于肿瘤侵袭性前沿的细胞中以高水平表达。这些研究结果表明,FMRP 可能通过参与癌细胞前缘质膜可塑性的蛋白质的作用影响MM进展,从而增加它们的侵袭性。Shang等[49]研究结果表明,circZNF609 通过 circRNF609-FMRP-RAC1轴在肢端和皮肤MM的转移中发挥重要作用,并表明circZNF609通过与FMRP结合调节RAC1 mRNA的稳定性,这可能对MM发病机制的深入了解和提供新的MM治疗潜在靶点有一定作用。

4 结语与展望

FMRP作为一种RNA结合蛋白,其基因和编码蛋白异常,以及与多种肿瘤相关基因的相互作用,在肿瘤的发生发展中扮演着重要角色,但目前对FMRP的研究仍存在不少问题。例如,FMRP参与细胞内部作用的相关分子机制尚并不清楚;FMRP与其他肿瘤相关基因的相互作用仍需进一步研究,FMRP在不同肿瘤发病机制中是否存在相同的信号通路有待进一步明确。随着这些问题的不断解决,人类对FMRP在肿瘤中的相关研究也将上升到新的领域。

总之,破译RBP与癌症相关RNA靶点之间错综复杂的相互作用网络有助于进一步理解肿瘤生物学。设想在未来使用 FMRP 作为肿瘤的潜在生物标志物,有可能发现新的潜在治疗靶点。