KIF11在恶性肿瘤发生、发展中的研究进展

万明会,张钧硕,蒋超孟,孔令非

1985年研究者发现了驱动蛋白超家族(kinesin family, KIF),目前已有650多个成员,它们普遍存在于鸟类和哺乳动物、海胆卵、乌贼神经组织、果蝇、爪蟾卵等真核生物中。人类基因组包含约45种不同的驱动蛋白[1-2],大多数驱动蛋白分子由一个盘绕的丝状区域组成的“柄”连接着“头部”和“尾部”,“头部”为位于N端的催化运动结构域,“尾部”为位于C端的货物结合结构域。驱动蛋白的驱动活动主要由运动结构域指定,根据运动区域序列将一个驱动蛋白归入一个亚家族。运动结构域作为核苷酸门控开关,约350个氨基酸,由一个8股β折叠组成,两侧各有3个α螺旋,包含核苷酸结合位点和微管结合界面。KIF是细胞内运输系统的主要组成部分,可以沿着微管通过水解ATP将细胞器、蛋白复合物、mRNA等运送到指定目的地,在细胞运动、染色体聚集与分离、纺锤体组装、细胞分裂及细胞极性的发展和维持中发挥重要作用[3-5]。

KIF11属于Kinesin5家族成员,是由4个α螺旋以反平行的方式相互缠绕形成的中心棒二聚体两两结合组装而成的同源四聚体复合物[6]。其运动结构域位于初级序列的N端,负责多聚化的卷曲线圈和C端尾位于柄区,中间由一个灵活的颈部连接子相连。N端运动域可将ATP的自由能转化为定向机械运动,其“开放”和“封闭”构象的变化,影响ATP酶循环和运动域的微管亲和力。CDK1的保守磷酸化位点位于C端尾部的“BimC盒子”序列中,该位点的磷酸化对纺锤体的靶向、关联和定位至关重要。KIF11各区域协同活动,与微管相互作用,将其交联或介导其反平行滑动,促进纺锤装配及有丝分裂[3,7]。研究表明,KIF11表达上调可通过多种信号通路导致中心体碎裂、染色体不稳定,从而使细胞分裂增殖旺盛,促进肺癌、胃癌、胰腺癌、结直肠癌、卵巢癌等恶性肿瘤的发生与发展。该文现就KIF11在恶性肿瘤发生、发展中的作用作一综述,旨在为进一步研究KIF11提供线索和方向。

1 KIF11与中枢神经系统肿瘤

胶质瘤是最常见的颅内原发恶性肿瘤,发病率和病死率均较高。有研究者采用qPCR及Western blot技术检测出KIF11在胶质瘤中的表达明显高于正常组织,且受TP53突变状态的调控:TP53对KIF11的表达具有抑制作用。直接细胞计数和MTT实验显示KIF11表达上调加速了胶质瘤的肿瘤细胞增殖速度,其过表达也促进CD133、KLF4、NANOG、OCT4、LIN28等肿瘤干细胞标志物及CDKI、CCNA2、CCNB1、CCNB2等细胞周期蛋白的表达,增加S期和G2/M期细胞的比例[8]。同时,Taglieri等[9]发现KIF11的抑制剂K858对人胶质母细胞瘤细胞有抑制生长、诱导凋亡、逆转上皮-间充质转化和抑制迁移的作用,使细胞周期停滞于G2期,并诱导细胞周期蛋白B积聚,最终导致细胞凋亡。这表明KIF11在胶质瘤细胞中促进肿瘤干细胞样特性,并可能通过增加细胞周期相关基因表达调节细胞周期进程。另有一些研究通过免疫共沉淀等实验分析发现,具有E3泛素连接酶活性的TRIM8可与KIF11直接相互作用,通过有丝分裂因子的泛素化参与有丝分裂,可能与胶质瘤形成和神经系统疾病相关[10]。Lim等[11]认为KIF11也可与胞质PFKM相互作用促进胶质母细胞瘤的侵袭。其过表达与高级别星形细胞肿瘤相关,可作为星形细胞肿瘤分级和预测预后的独立诊断和预后因素[12]。

恶性周围神经鞘瘤(malignant peripheral nerve sheath tumor, MPNST)包含高度重排的多倍体基因组,是一种具有高核分裂指数的侵袭性肿瘤。有研究表明KIF11在MPNST中过表达,使用低剂量的KIF11抑制剂ispinesib(1.6 nmol/L)24 h后能强烈降低MPNST细胞活力,其高剂量作用48 h后则会产生细胞毒性。在KIF15缺陷的背景下,联合抑制KIF11和BRD4表现出协同抗肿瘤作用,或可成为MPNST的潜在治疗靶点[13]。

2 KIF11与肺癌

肺癌是癌症相关死亡的主要原因,其发病率居世界首位。有研究者通过免疫组化发现KIF11主要存在于肺癌癌细胞的胞质中[14],免疫荧光显示其在细胞分裂过程中与纺锤体共定位[15]。KIF11表达对肺鳞状细胞癌和肺腺癌的影响不同:其高表达与肺腺癌病理分期、T分期、N分期、M分期均相关,提示患者预后不良;而在肺鳞状细胞癌中仅与病理分期和N分期有显著相关性,且对患者的总生存期影响较小[16]。H2O2可通过氧化应激诱导肺腺癌A549细胞增殖抑制和死亡,KIF11在H2O2处理的A549细胞中表达下调,基因启动子高甲基化,但在肺腺癌组织中表达上调,并随着肺腺癌的进展表达水平增加[17]。使用二维凝胶电泳和MALDI-MS分析证明,KIF11抑制剂S-tritil-L-cysteine诱导肺癌A549细胞膜联蛋白A2磷酸化,最终可导致肺癌细胞的死亡[18]。另有研究发现,抗KIF11的siRNA和高密度脂蛋白样肽磷脂纳米支架颗粒结合可诱导KIF11表达下调,并使肺癌细胞的生长受到明显抑制[19]。也有学者认为KIF11过表达在二羟环氧苯并芘诱导肺癌的生物学过程中也发挥重要作用[16]。这表明KIF11可能通过多种通路在肺癌的发展中起关键作用,或成为肺癌预防和治疗的潜在靶点。

3 KIF11与消化系统肿瘤

胃癌约占全球癌症的6%,是第五大常见的恶性肿瘤,也是癌症死亡的第三大原因。研究表明,KIF11在胃癌组织中的表达高于癌旁正常组织,而在球形小体形成的胃癌细胞中的表达是亲代细胞的2倍以上。Imai等[20]通过免疫组化分析发现KIF11在肠黏蛋白表型胃癌中表达更频繁,可能参与肠黏蛋白表型胃癌的表达。其基因敲除可抑制胃癌细胞的增殖和克隆形成能力[21],并可显著增加热疗诱导的细胞凋亡[22]。此外,有学者发现KIF15基因敲除显著增加胃癌细胞对KIF11抑制剂ispinesib的敏感性,而其过表达则表现出相反的作用。KIF15抑制剂KIF15-IN-1和ispinesib联合使用,在体内外对胃癌均有协同抗肿瘤增殖作用[21];提示KIF11是潜在的治疗靶点,可为胃癌的临床治疗提供新思路。

最近有学者研究发现KIF11和KIF14 mRNA在胰腺癌组织中的表达水平明显高于正常组织,两者间有较强的相关性,CEP55、ASPM和GAMT是主要的中枢基因,这五个基因的联合表达与预后较差相关,或可成为胰腺癌独立的预后指标[23]。

有研究者发现KIF11在结直肠癌组织中表达上调,并与晚期临床分期和血管侵袭有关。其下调导致肿瘤生长停滞,并通过增强DNA损伤和细胞凋亡增加对抗肿瘤药物奥沙利铂的敏感性。异常激活的p53信号或可能失活的GSK3β信号是KIF11基因敲除介导的结肠癌细胞效应的原因[24]。Imai等[25]通过球状集落形成实验发现,与阴性对照组相比,KIF11 siRNA转染组DLD-1结直肠癌细胞产生的球体数目和大小均显著减少,表明KIF11在结直肠癌的肿瘤干细胞中起重要作用。另一些学者通过分析发现影响结直肠癌预后的不良因素有高KIF11蛋白、高KIF11蛋白+低KIF14蛋白、低KIF11 mRNA和低KIF14 mRNA。功能富集分析显示:与细胞周期、DNA复制、DNA修复和重组等相关的基因集与结直肠癌组织中KIF11或KIF14的表达呈正相关。在TCGA队列中,与基因不稳定性相关的一些指标也与KIF11、KIF14表达呈正相关,表明KIF11、KIF14有可能成为结直肠癌划分风险类别的关键因素[26]。

4 KIF11与泌尿系统肿瘤

肾透明细胞癌(clear cell renal cell carcinoma, CCRCC)是常见的泌尿系统恶性肿瘤,约占肾脏肿瘤的90%。CCRCC组织中KIF11 mRNA表达水平明显高于相应的癌旁正常组织,抑制KIF11表达可抑制CCRCC细胞增殖、迁移和上皮细胞-间充质转化过程,进而使细胞凋亡增加。免疫组化分析发现,KIF11蛋白表达与核分级、TNM分期等临床病理特征显著相关,其高表达预示CCRCC患者预后不良[27]。

膀胱癌是全球第九大常见癌症,病死率和复发率均较高,严重威胁着公众健康[28]。有研究者通过RT-PCR、免疫组化和Western blot法检测KIF11在膀胱癌细胞和正常膀胱细胞中的表达水平,发现KIF11在膀胱癌中的表达明显上调[29]。也有学者指出KIF11在正常、癌旁、膀胱癌和复发性膀胱癌组织中的表达水平呈递增趋势[30],提示KIF11有望成为膀胱癌诊断及预测预后强有力的生物学标志物。

前列腺癌是异质性疾病,可以为惰性,也可为高度侵袭性[31]。大多数前列腺癌患者预后相对较好。然而,前列腺癌的骨转移可迅速恶化并导致死亡。Wang等[32]通过对骨转移的独立危险因素进行单因素和多因素Logistic回归分析发现,在前列腺癌中KIF11与VEGF表达呈正相关,与较高的T分期、前列腺特异性抗原水平和Gleason评分显著相关。这表明KIF11可能是预测前列腺癌患者骨转移的独立指标。临床应用中较高的Gleason评分和TNM分期是前列腺癌侵袭性的预测指标。另一研究发现,KIF11在血清PSA水平>10 ng/mL或GS>8分或>T3阶段或转移性前列腺癌样本中表达更高[31],表明KIF11有可能作为前列腺癌的预后标志和重要的独立侵袭性预测因子,为个性化治疗决策提供参考。

5 KIF11与生殖系统肿瘤

卵巢癌在全球妇科癌症相关死亡原因中位居第五位[33]。目前,影响卵巢癌发生和预后的分子机制尚不完全清楚。有研究指出KIF11在卵巢癌组织中表达上调,其基因敲除抑制卵巢癌SKOV3细胞的增殖及侵袭,增强凋亡蛋白Caspase-3/7的活性。此外,还上调SKOV3细胞E-cadherin的mRNA表达,下调N-cadherin和vimentin的mRNA表达[34]。也有学者通过质谱分析及免疫共沉淀、pull-down等实验发现,KIF11和肿瘤坏死因子TRAF4与DR6相互作用,可能通过丝裂原活化蛋白激酶/ERK和PI3K/AKT通路增强卵巢癌细胞迁移能力,在卵巢恶性肿瘤中发挥显著的致瘤作用[35]。此外,经Kaplan-Meier、Oncomine和基因表达谱交互分析显示,KIF11过表达也提示上皮性卵巢癌患者预后不良[36]。

子宫颈癌是最常见的女性生殖道恶性肿瘤,占女性癌症相关死亡的7.5%[37]。研究发现KIF11在子宫颈癌中表达水平升高,在基因调控网络中,PRC1可与其结合,并被CDK1修饰,在子宫颈癌进展期间介导胞质分裂[38]。Yuan等[37]认为KIF11、E6以及CDK1之间的功能关联,可能控制HPV阳性子宫颈鳞状细胞癌(cervical squamous cell carcinoma, CESC)细胞周期进程,是参与HPV阳性CESC发病的关键分子。上述文献报道从多方位角度更好地诠释了子宫颈癌中有丝分裂的机制,并为临床治疗提供潜在的靶点。

6 小结

综上所述,KIF11在神经胶质瘤、肺癌、胃癌、结直肠癌、卵巢癌、子宫颈癌等多种恶性肿瘤中高表达,提示患者预后不良,但其在介导肿瘤发生、发展及转移侵袭过程中的具体分子机制尚不清楚。深入分析KIF11在肿瘤进展中发挥作用的分子机制,可为肿瘤的诊断及治疗提供帮助。