核孔蛋白210与恶性肿瘤关系的研究进展

吴维全(综述), 叶石才(审校)

核孔蛋白210(nucleoporin 210,NUP210)是一种跨膜核孔糖蛋白,与其他31种结构核孔蛋白和外围元件核孔蛋白共同构成核孔复合物(nuclear pore complex,NPC)。NPC是一种巨大的核膜包埋蛋白复合物,是细胞核与细胞质的连接通道。由于其结构的重要性,成为近年来医学研究热点。研究发现NPC与核孔蛋白不仅负责核质转移,还参与细胞增殖、细胞分化、基因表达、表观遗传调控等过程。其中NUP210在基因表达调控、组织的发育与分化、细胞信号转导等生物学过程中起重要作用。NUP210的异常表达及功能失调与多种恶性肿瘤有关。现对NUP210在恶性肿瘤中的研究进展综述如下。

1 NUP210的结构和功能

NUP210是一种高度保守的蛋白质编码基因,由42个外显子构成,定位于3号染色体3p25.1,编码一种跨膜核孔糖蛋白,相对分子量为210 kDa,故称NUP210。NUP210由一个大的糖基化腔结构域、一个单一的疏水跨膜片段和一个短的细胞质尾部构成[1]。糖基化腔结构域具有5个钙结合位点,可能在核膜中充当Ca2+传感器并介导核膜通透性[2]。以往研究认为NUP210的功能主要为参与NPC和核膜的活动,但随着近年来对NUP210的深入研究,发现NUP210在基因表达调控、组织的发育与分化、细胞信号转导等生物学过程中起重要作用。因被发现在肌细胞和神经元分化过程中发挥关键作用,NUP210被称为组织特异性NPC。NUP210对成肌细胞和神经元细胞的分化至关重要,可以调节关键分化基因的表达[3],主要由其腔结构域介导[4]。NUP210与肌细胞增强因子2C和甲状腺激素受体相互作用,并诱导一系列生肌基因表达来调节肌肉生长、肌纤维成熟[5],并且在维持骨骼肌完整性和适当的肌肉功能起重要作用[6]。此外,NUP210可以调节细胞信号转导。NUP210的缺失会导致小鼠幼稚CD4+T细胞显著减少,原因是其缺失导致T细胞受体信号传递缺乏和细胞凋亡信号分子Fas表达增加,引发外周CD4+T细胞对细胞凋亡敏感[7-8]。也有研究表明,NUP210是细胞外基质刚度和成分传感器的一部分,具有机械敏感性,可调节不依赖于核质转运的机械信号转导,影响肿瘤细胞迁移和侵袭[9]。

2 NUP210与肿瘤疾病的关系

2.1与生殖系统肿瘤的关系 宫颈癌是发展中国家女性最致命的妇科肿瘤之一。Fas在癌症中扮演着重要的角色,其介导的凋亡受到抑制,导致增殖和凋亡平衡失调,是癌细胞异常增殖并发展的重要原因之一。Rajkumar等[10]利用微阵列技术和实时荧光定量聚合酶链反应(real-time fluorescence quantitative polymerase chain reaction,RT-qPCR)对宫颈癌、不同程度的宫颈癌前病变及正常宫颈样本进行研究,结果发现NUP210在宫颈癌和宫颈重度上皮内瘤变/原位癌较正常宫颈样本和宫颈轻度上皮内瘤变/中度上皮内瘤变呈过表达,表明NUP210可能在肿瘤发生早期发挥重要作用。Gu等[11]研究发现,宫颈癌组织中NUP210 mRNA及蛋白水平均表现过表达。在细胞水平上,通过用慢病毒转染宫颈癌细胞株(HeLa细胞),敲除NUP210表达,结果显示HeLa细胞周期停滞,细胞凋亡增加。进一步研究发现,miR-22可直接与NUP210蛋白质编码区域结合并抑制其表达,并且Fas表达受miR-22-NUP210信号通路的调控。在宫颈癌发展过程中,miR-22表达下调,导致NUP210过表达并抑制Fas诱导的细胞凋亡,导致细胞增殖异常,促进癌症发展。诱导肿瘤细胞凋亡是治疗肿瘤的一条有效途径,miR-22-NUP210可干预Fas介导的凋亡,有可能成为宫颈癌的治疗靶点。NUP210也与子宫内膜癌有关。在对子宫内膜癌及前哨淋巴结的蛋白质组学分析研究中,发现前哨淋巴结蛋白质的变化与子宫内膜癌等级相关,NUP210只在Ⅱ期子宫内膜癌及前哨淋巴结中表达,结合其他的特异性标志物,可以用于改善子宫内膜癌患者的个体分层及诊断[12]。

2.2与泌尿系统肿瘤的关系 前列腺癌(prostate cancer,PCa)是男性泌尿系统最常见肿瘤之一,中晚期患者主要疗法是雄激素剥夺法(androgen deprivation,ADT)。但长时间治疗后,PCa对ADT产生抗性并进展为去势抵抗性前列腺癌(castration resistant prostate cancer,CRPC)[13]。Marzec等[14]综合分析不同平台的公开可用基因表达数据集,发现在PCa中NUP210表达上调。另一项研究发现,与良性病变对比,NUP210在PCa表达上调,在CRPC中则明显上调。雄激素受体剪接变异体7(androgen receptor variant 7,AR-V7)可以在无激素的情况下独立于雄激素受体(androgen receptor,AR)进行转录并转移到细胞核,敲低AR-V7后抑制肿瘤细胞生长,证明AR-V7是CRPC的驱动因素。研究还通过转录组测序技术分析了敲低AR-V7后人PCa细胞系LNCaP95中的基因表达变化,发现NUP210表达明显下降,表明NUP210是AR-V7下游靶基因。siRNA敲低NUP210可显著抑制PCa细胞的生长和迁移,并诱导PCa细胞凋亡,流式细胞仪检测显示NUP210下调后,细胞周期阻滞在G1期。提示NUP210可能和AR-V7参与PCa进展为CRPC[15]。细胞核中的雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)可以在无AR的情况下驱动代谢基因程序,促进CRPC细胞系PC3和DU145的增殖和迁移,Dufour等[16]通过免疫共沉淀实验发现NUP210与mTOR相互作用。而在LNCaP细胞中敲低NUP210减弱了mTOR基础核水平并消除了雄激素诱导的核mTOR积累。NUP210的敲低还降低了LNCaP和PC3细胞中mTOR抑制剂刺激的核mTOR水平,揭示了NUP210可能起着控制mTOR核运输的作用,影响PCa的进展。在另一项利用公开基因表达数据集进行生物信息学分析的研究中,发现NUP210是潜在的PCa转移诊断标志物,但尚未有研究进一步验证[17]。以上研究证明,NUP210在PCa的发生发展中起着重要的作用,明确NUP210在PCa的分子机制,可能为探寻治疗PCa新的药物靶点提供参考。

2.3与消化道肿瘤的关系 一项研究表明,整合酶相互作用子1(chromatin subfamily B member 1,SMARCB1)在肝癌中起促癌作用,NUP210的增强子区域与高表达的染色质重塑剂SMARCB1结合,导致NUP210过表达。在肝癌细胞系中敲低NUP210和SMARCB1后进行基因集富集分析,结果显示与胆固醇稳态和外源代谢密切相关,提示SMARCB1-NUP210可能通过激活胆固醇稳态和外源代谢来致癌。进一步的研究发现NUP210可作为SMARCB1和腺病毒E1A相关300 kDa蛋白(P300)的染色质支架,表达上调的NUP210促进SMARCB1和P300与染色质的结合,最终加剧了SMARCB1的致癌作用[18]。Kondo等[19]对结肠癌细胞系HCT116的研究发现,在敲低NUP210的HCT116细胞的短期和长期增殖试验中,均观察到癌细胞生长能力受损。通过核染色来识别细胞核,并测量核大小,发现NUP210的敲低导致癌细胞的细胞核减小。研究还发现NUP210过表达由溴结构域蛋白质4(bromodomain-containing protein 4,BRD4)驱动,氨基环丙烯酮1n(aminocyclopropenone 1n,ACP-1n)能够抑制BRD4,进而减少癌细胞生长和减小癌细胞核大小。另外,有一项研究利用微阵列研究Ⅱ/Ⅲ期结肠癌的基因表达图谱,发现NUP210在Ⅱ/Ⅲ期结肠癌复发患者中表达下调,联合其他多个基因可用于预测Ⅱ/Ⅲ期结肠癌的预后[20]。以上结果表明,NUP210在肝癌及结肠癌中起促进作用,并与结肠癌预后有关。

2.4与肺癌的关系 肺癌是全球癌症相关死亡的主要原因,表观遗传会导致肺癌的发病和进展[21]。表观遗传修饰通常可分为DNA和RNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA。NUP210与表观遗传密切相关,有研究发现NUP210中的甲基化位点与哮喘有关[22]。而在肺腺癌中,Kikutake等[23]分析了包括26个肺腺癌细胞系和1个正常肺上皮细胞系在内的多组学数据,确定启动子区域中组蛋白H3K27ac和H3K4me3双重修饰与肺腺癌有关,发现NUP210在所有肺腺癌细胞系中均表达上调,并且NUP210基因在肺腺癌细胞的启动子区域中呈现H3K27ac和H3K4me3组蛋白双重修饰,在正常细胞系中则不存在。NUP210可能是肺腺癌的一种有前景的表观遗传生物标志物。表观遗传改变在正常细胞和癌细胞中都具有生理功能,因此,可能影响表观遗传诊断的准确性或产生表观遗传治疗的潜在副作用,精确有效的表观遗传疗法尤为重要[24]。NUP210在正常细胞系中无组蛋白修饰,却在肺腺癌细胞的启动子区域中呈现H3K27ac和H3K4me3组蛋白双重修饰,这项研究为肺腺癌高度特异性的表观遗传生物标志物提供了基础。

2.5与乳腺癌的关系 在乳腺癌中,NUP210基因被鉴定为人类雌激素受体(estrogen receptor,ER)阳性[ER(+)]乳腺癌的转移易感基因和细胞机械传感器。研究人员基于2个独立的人类乳腺癌基因表达数据集,发现在ER(+)乳腺癌患者中,NUP210 mRNA表达升高,并与总生存期相关。而ER(+)乳腺癌患者的淋巴结转移灶中NUP210表达水平显著高于ER(-)患者,内脏转移灶(肺、肝)的NUP210表达水平亦显著高于非内脏转移灶(淋巴结),表明其在乳腺癌转移中的潜在作用。通过构建3种不同细胞系乳腺癌小鼠模型发现,敲除NUP210均引起3种不同类型的乳腺癌小鼠的肺转移减少。进一步研究发现,其机制主要是NUP210通过与SUN1、SUN2、短亚型BRD4、组蛋白H3.1/3.2相互作用,调节机械敏感性基因表达程序,进而激活黏着斑、细胞迁移和转移所必需的下游信号通路。NUP210敲除后,这些机械敏感基因由于异染色质化而被抑制,从而减少了转移[9]。此外,NUP210可根据乳腺癌对化疗药物反应来区分肿瘤样本,并表现出较高的准确性[25]。这些研究结果提示,NUP210是乳腺癌潜在的治疗靶点,阻断NUP210与相关分子相互作用也许可以用于预防肿瘤转移。

2.6与脑膜瘤的关系 竞争性内源性RNA(competing endogenous RNA,ceRNA)包括非编码RNA(长链非编码RNA、环状RNA和转录的假基因)和蛋白质编码RNA。含有微小核糖核酸(microRNA)反应元件的ceRNA可以通过反应元件与microRNA竞争性相互作用。ceRNA调控网络中的功能相互作用在许多生物过程中发挥着重要作用,受到干扰时会导致癌症的发展[26]。有研究发现NUP210在脑膜瘤中升高,但在脑膜瘤中肿瘤生物学中的作用尚不清楚[27]。而近年来ceRNA假说得到越来越多研究的支持,Song等[28]通过生物信息学分析推断NUP210可能在恶性脑膜瘤中作为一种ceRNA,增强脂肪酸合酶(fatty acid synthase,FASN)的促癌作用。在恶性脑膜瘤中,FASN增强了细胞增殖、迁移和侵袭,miR-195可直接靶向结合FASN并降低人脑膜瘤细胞中FASN的表达。NUP210可作为一种ceRNA来吸附miR-195,上调FASN的表达,增强其促癌作用,提示NUP210对肿瘤的影响是多样的,也可通过ceRNA网络影响肿瘤的进展。

2.7与白血病的关系 NUP210不仅参与实体瘤的发展,也与血液系统恶性肿瘤有关。Fu等[29]通过单细胞RNA测序发现在造血和白血病发生过程中单等位基因表达是普遍存在的,并且是重要的基因调控机制。在急性淋巴细胞白血病的T细胞中,NUP210显示出单等位基因表达,并且与免疫相关。Li等[30]研究发现,与健康对照组对比,急性髓系白血病(acute myeloid leukocyte,AML)患者骨髓中NUP210的表达显著增加。NUP210低表达患者的总生存率高于高表达患者,并通过多变量分析证实了NUP210表达的预后价值,但仅在女性患者中表现出预后价值。该研究结果提示NUP210可作为AML患者预后的一种生物标志物。

3 结语

NUP210不仅参与NPC和核膜的活动,还在基因表达调控、组织的发育与分化、细胞信号转导起重要作用,在不同组织中的异常表达和突变等变异引起多种疾病的发生、发展。NUP210在许多肿瘤中均表达上调,可能通过调控基因表达、抑制细胞凋亡、调控核转运、结合染色质、促进肿瘤细胞迁移和侵袭等作用机制参与肿瘤的发生、发展,也许可成为评估肿瘤转移潜能、预后判断时的一个新的指标。未来研究应深入了解NUP210具体分子机制,为疾病的诊断和治疗提供新的手段。