肿瘤  2014, Vol.34 Issue (1): 97-100   PDF    
综述 · Review
从基础到临床——新癌基因ATAD2和肿瘤关系的研究进展
丁千山1, 王 琪2, 孙荣泽1, 沈世强1     
武汉大学人民医院/湖北省人民医院1.肝胆肠镜外科,2.肿瘤中心,湖北 武汉 430060
[摘要]    三磷酸腺苷酶家族蛋白2(ATPase family, AAA domain containing 2,ATAD2)是新近发现的癌相关分子,在前列腺癌和乳腺癌等多种恶性肿瘤的发生和发展过程中发挥重要作用。它是众多转录因子的共激活分子,并能参与表观遗传修饰,促进一系列下游癌基因的表达,进而改变肿瘤细胞的表型。研究还发现,ATAD2表达与肿瘤的组织学分级以及肿瘤转移、疾病复发和患者生存期等相关,提示其可作为肿瘤预后评价分子,具有重要的临床应用价值。另外,ATAD2不仅包括溴结构域(bromodomain,BRD),而且还是与细胞活性相关的ATP 酶(ATPases associated with various cellular activities,AAA+ATPase),提示它可能是很有潜力的药物治疗靶点。本文就ATAD2近年来的研究进展和未来可能的研究前景作一综述。
[关键词]     肿瘤    癌基因    腺苷三磷酸酶类    基因表达调控    生物医学研究    三磷酸腺苷酶家族蛋白2
From basic to clinical: advances in research on novel oncogene ATAD2 in tumors
DING Qian-shan1, WANG Qi2, SUN Rong-ze1, SHEN Shi-qiang1     
1. Department of Hepatobiliary Surgery; 2. Department of Chemoradiotherapy, Renmin Hospital of Wuhan University, Wuhan 430060, Hubei Province, China
[ABSTRACT]    ATPase family, AAA domain containing 2 (ATAD2) is a newly uncovered oncogene playing an important role in prostate cancer, breast cancer and other human malignancies. It is a co-activator of a variety of transcription factors, and can also modulate genes through epigenetic modifications, resulting in overexpression of its downstream oncogenes, and in turn changing the phenotype of cancer cells. What’s more, the expression of ATAD2 correlates with the histological grades of tumor, cancer metastasis, disease relapse and the patients’ survival, showing the remarkable value in evaluation of the clinical prognosis for tumor patients. Notably, ATAD2 contains bromodomain and also functions as AAA+ATPase, implying ATAD2 is a potential drug treatment target. This review summarizes the recent research findings and discusses the prospect of the research.
[KEY WORDS]     Neoplasms    Oncogenes    Adenosine triphosphatases    Epigenesis, genetic    Biomedical research    ATAD2

在低分化组织或恶性肿瘤组织中高表达,而在分化成熟组织中低表达或不表达的基因通常被认为是与肿瘤密切相关的原癌基因。三磷酸腺苷酶家族蛋白2(ATPase family, AAA domain containing 2,ATAD2)就是其中之一。ATAD2基因位于染色体8q24.13,其表达产物ATAD2又称ANCCA或PRO2000。ATAD2蛋白结构中包含与细胞活性相关的ATP 酶(ATPases associated with various cellular activities,AAA+ATPase)结构域和溴结构域(bromodomain,BRD),另外其可以通过氨基端与雄激素受体(androgen receptor,AR)、雌激素受体α(estrogen receptor α,ERα)和E2F等转录因子协同作用,参与下游基因的转录调控[1]。近年来,陆续有研究报道ATAD2参与肿瘤的发生和发展,并发现其与肿瘤的组织学分级和患者的预后显著相关,提示ATAD2可能是潜在的肿瘤治疗靶标。本综述将系统地总结近年来在基础医学和临床医学领域对ATAD2的研究进展,并对未来的研究方向进行展望。

1 ATAD2是与肿瘤细胞恶性表型密切相关的重要癌基因

Caron等[2]发现,ATAD2在小鼠睾丸组织中特异性高表达,而在其他组织中表达水平很低,并证实ATAD2在多种肿瘤(白血病、淋巴瘤、骨肉瘤、乳腺癌、肺癌和宫颈癌等)的细胞系中表达水平升高。Huang等[3]通过对比分析乙型肝炎病毒(hepatitis B virus,HBV)相关的肝癌患者癌组织和癌旁组织标本的全基因外显子表达变化,发现ATAD2在癌组织中表达上调。在其他类型肿瘤中,类似的结论也被反复证实。这说明ATAD2具有癌基因的性质,其推动肿瘤发生和发展的机制主要通过以下几个方面实现。

1.1  众多癌基因的“指挥官”

ATAD2可以调控众多经典的肿瘤相关信号通路,其中包括诱导Myc、E2F和甲状腺激素受体和视黄醛激活因子(activator of retinoid and thyroid receptors,ACTR)表达。

Myc是被广泛研究的具有复杂功能的原癌基因,其表达产物的作用包括调控下游基因的转录、介导DNA的复制、影响p53和细胞周期依赖激酶抑制分子2A(cyclin-dependent kinase inhibitor 2A,CDKN2A)在细胞周期检查点的功能等。Myc的异常表达会导致多种肿瘤的发生[4]。研究发现,Myc可被具有溴结构域的蛋白激活[4],而ATAD2就是符合这一条件的蛋白。Ciró等[5]研究指出,ATAD2可以提高Myc的转录活性;Fouret等[6]则发现,与非吸烟患者标本相较,吸烟患者标本中MycATAD2基因重叠区域(8q24.12)的拷贝数扩增更普遍;而且ATAD2可作为c-Myc的共同作用因子,调控下游的促增殖基因。Raeder等[7]新近的研究则通过整合基因组分析的方法(即利用TCGA数据库,分析肿瘤基因组扩增区域与基因表达的关系)证实,在子宫内膜癌患者中,染色体8q24区域拷贝数扩增导致的ATAD2高表达与Myc及其下游基因的表达上调密切相关。

视网膜母细胞瘤基因Rb-细胞周期相关转录因子E2F(the retinoblastoma tumor suppressor-E2F transcription factor,RB-E2F)信号通路的异常是各类型肿瘤中最常见的现象之一[8]。有研究认为,RB-E2F信号通路可以通过调控ATAD2基因的启动子,上调后者的表达[5];另外的研究则发现,E2F的表达可被ATAD2上调[9]。从以上信息可以推测,E2F和ATAD2之间存在正反馈调节。更有趣的是,Hsia等[10]和Revenko等[11]证实,ATAD2可以与E2F形成复合体,对下游基因的转录起到调控作用,而在这一过程中,ATAD2的溴结构域可以识别乙酰化的H3K14,对E2F起到“带路”作用,进而调节该区域的基因表达。

ACTR是核内激素受体的共激活分子,可调节多种分子转录,其异常表达参与了多种肿瘤的发生和发展。有研究证实,在肝细胞癌患者标本中,约有68%的患者ACTR呈高表达,并且ACTR可以促进肿瘤细胞的增殖、侵袭和克隆形成 [12, 13]。而Hsia等[10]研究发现,ATAD2可以与ACTR基因启动子结合,与E2F共同促进后者表达;若ATAD2基因水平被敲低,即使E2F表达不变,ACTR的表达水平依然下降,这说明ATAD2对于ACTR表达的调节具有独立于E2F的关键作用。

除以上基因受ATAD2调控外,ATAD2还被证实可以通过与AR和ER协同作用,进入细胞核,调控更多下游基因的转录。

1.2 AR和ER的“帮凶”

AR的高表达、异常突变及非雄激素依赖的激活都能促进前列腺癌的发展[14]。ATAD2能够直接与AR作用,并提高后者的转录活性[15]。Zou等[15]研究发现,在雄激素依赖的前列腺细胞中,雄激素可以显著诱导ATAD2基因的表达,且ATAD2是AR促进胰岛素样生长因子1类受体(insulin-like growth factor 1 receptor,IGF1R)、胰岛素受体底物(insulin receptor substrate-2,IRS-2)、糖皮质激素诱导的蛋白激酶(serum andglucocorticoid-induced protein kinase,SGK1)和survivin等分子表达过程中的关键蛋白,而ATAD2基因的敲除能够下调以上分子的表达。另有研究发现,抑制ATAD2的表达可明显抑制前列腺癌细胞(包括雄激素依赖性和雄激素非依赖性两类)的增殖,并能诱导肿瘤细胞凋亡[15]

ATAD2还被发现与另外一种性激素相关肿瘤——乳腺癌关系紧密。ATAD2在超过70%的乳腺癌中高表达,并且其表达量与肿瘤的组织学分级具有显著的相关性[9]。血清中高雌二醇(estradiol,E2)组的女性罹患乳腺癌的风险是低雌二醇组的2.5倍,原因是E2可以激活ERα,进而启动下游因DNA复制错误导致突变的基因的异常表达[16]。Zou等[17]在乳腺癌细胞系中通过GST pull-down实验证实了ATAD2和ERα直接作用,参与调控cyclin D1、c-Myc和E2F1等重要肿瘤相关分子的表达;如果ATAD2基因水平被敲低,以上分子的表达会下降,从而阐释了ATAD2促进乳腺癌发展的分子机制。

1.3 肿瘤细胞表观遗传学改变的“幕后推手”

表观遗传学改变包括DNA的甲基化、乙酰化和组蛋白的修饰等,这些改变使得肿瘤细胞中非基因组变异所影响的基因也能出现表达异常,从而导致肿瘤细胞分子机制的复杂化[18]。随着研究的进展,ATAD2被证实在肿瘤细胞的表观遗传学改变中也占有一席之地。

Zeste基因增强子同源物2(enhancer of zeste homolog 2,EZH2)是H3K27的甲基化酶,与肿瘤的表观遗传学改变关系最为密切,通过表观遗传修饰调控众多重要肿瘤相关基因的表达,从而促进肿瘤的发生。如EZH2可以通过组蛋白甲基化抑制Wnt/β-catenin的拮抗分子如Axin相关蛋白2(axin-related protein 2,AXIN2)和裸角质膜同源蛋白1(naked cuticle 1,NKD1)等的表达,从而导致Wnt/β-catenin信号通路的持续激活,促进肝癌细胞增殖[19]。又如,在胶质瘤细胞的干细胞样亚群中,EZH2可以通过甲基化活化信号转导与转录激活因子3(signal transducer and activator of transcription,STAT3),使得该群细胞具有更强的成瘤性[20]。Kalashnikova等[9]证实,在乳腺癌细胞中,ATAD2可以促进EZH2的表达;在临床标本中,ATAD2和EZH2的表达也呈现显著的正相关性。Duan等[21]的研究则在前列腺癌细胞中证实,ATAD2不仅可以直接调控EZH2基因的启动子活性,还能影响EZH2基因转录时组蛋白甲基化酶MLL1(mixed lineage leukemia protein-1)和RNA聚合酶Ⅱ的募集。以上研究证实了ATAD2对调控EZH2表达具有关键作用。

CREB结合蛋白(CREB binding protein,CBP)是多功能的转录辅助激活分子,能乙酰化组蛋白或非组蛋白[22]。在雌激素诱导条件下,CBP可以通过染色质组蛋白H4的过乙酰化,促进 cyclin D1、c-Myc和E2F的转录活性;而利用RNA干扰技术抑制ATAD2的表达后,CBP的募集被阻断,ERα-CBP复合体被破坏,其染色质修饰作用因此丧失[17]

除EZH2和CBP以外,ATAD2还被证实调控其他关键的表观遗传修饰分子。Yang等[23]发现,组蛋白甲基化转移酶NSD2(nuclear receptor binding SET domain containing 2)在前列腺癌细胞中高表达,在去势治疗抵抗的前列腺癌(castration resistant prostate cancer,CRPC)细胞中,NSD2是核因子(nuclear factor kappa B,NF-kB)的共激活分子,可以促进很多下游分子的表达,如白细胞介素6(interleukin-6,IL-6)、IL-8、血管内皮生长因子A(vascular endothelial growth factor,VEGF-A)、cyclin D、Bcl-2和survivin等,进而促进CRPC细胞增殖。该研究证实了ATAD2是NSD2上游的调控者,并且ATAD2基因水平的敲低可以导致肿瘤细胞中NSD2的表达下降,从而影响肿瘤细胞的表型[23]。以上研究进一步说明,ATAD2在肿瘤细胞表观遗传学改变中具有重要作用。

2 ATAD2是判断多种肿瘤临床预后的新标志物

ATAD2的研究价值还体现在临床研究领域。通过与Gleason分级比较,Zou等[15]证实ATAD2表达与前列腺癌的分化程度显著相关(P=0.003 2)。Kalashnikova等[9]对185位乳腺癌患者进行了长达11年的随访,通过免疫组织化学法检测将患者的肿瘤标本分为ATAD2高表达组和低表达组,证实ATAD2高表达组的患者生存期更短(P=0.006),复发更快(P=0.035)。另一项新近的研究则通过对143例肺腺癌患者的手术标本进行分析,证实ATAD2的表达与患者性别、吸烟、肿瘤低分化、肿瘤分期和淋巴结转移等相关(P<0.05);在生存期分析中,ATAD2阳性的患者有更高的复发风险[风险比(hazard ratio,HR)=1.736,95%可信区间(95% confidence interval,95%CI):1.075~2.804;P=0.024)和更差的生存期望(HR=7.758;95%CI:2.955~20.370;P<0.001)[24]。新近的研究又陆续证实,ATAD2高表达与肝细胞癌和卵巢癌患者的较差预后显著相关[25, 26]。以上研究结果提示,ATAD2对多种肿瘤患者的临床诊断和预后分析具有重要的潜在价值。

3 ATAD2有望成为新的肿瘤治疗靶标

上文阐述了ATAD2促进肿瘤细胞增殖的生物学作用和对患者诊断及预后的临床意义,揭示了ATAD2成为新的肿瘤治疗靶标的潜在价值。举例来说,ATAD2不仅在性激素依赖的肿瘤中高表达,在激素抵抗型前列腺癌和三阴性乳腺癌中也呈高表达[9, 15],这提示针对ATAD2的抑制性药物不仅可能协同他莫昔芬或戈舍瑞林等药物的作用,还可能给对激素相关治疗不敏感的前列腺癌和乳腺癌患者带来希望。

值得注意的是,作为候选药物作用的靶点,ATAD2不仅在肿瘤发生和进展过程中具有重要作用,而且其在结构上也有得天独厚的优势:ATAD2的BRD和AAA+ATPase结构域都可以作为靶点被小分子药物特异性抑制。大量研究证实,BRD可特异性识别含有乙酰化赖氨酸的肽链,进而参与蛋白质的翻译后修饰[1, 11]。ATAD2的BRD除具有类似功能外,有研究证实它还可以识别并影响组蛋白H4的5号赖氨酸残基(K5)的甲基化,进而使得ATAD2能够参与控制染色质动力改变和基因组的转录活性[2, 11]。目前,针对各类含BRD的蛋白设计小分子抑制剂是治疗肿瘤的新思路,如针对BET家族蛋白的BRD设计的小分子化合物JQ1已经在动物实验中证实了其对肿瘤治疗具有显著效果[27]。另一方面,AAA+ATPase家族是一类具有分子伴侣功能和ATPase活性的蛋白质,能够介导大分子蛋白质复合体的形成,参与一系列细胞内的生理生化过程[28]。研究显示,AAA+ATPase结构域可以介导ATAD2的多聚化,若该区域发生突变,ATAD2与ERα的“合作”能力会下降[17]。至今,已有一些可以特异性抑制其他AAA+ATPase家族成员的小分子化合物问世,如细胞质动力蛋白dynein是一种AAA+ATPase,它是微管负极方向的马达蛋白,在细胞增殖进程中发挥重要作用,化合物ciliobrevins则可以通过抑制dynein,调控细胞的运动和增殖[29];又如AAA+ATPase p97可被化合物DeBQ抑制,从而使细胞自噬过程被阻遏[30]。以上资料说明,以ATAD2作为肿瘤治疗靶标,不仅具有合理性,更具有可行性。

4  对未来研究方向的展望

鉴于已有的研究提示ATAD2能够调控大量下游分子的转录,且其本身的几个结构域功能复杂,所以需要更多研究来探索其详尽的功能及其作用机制。例如,有研究者分析,ATAD2的AAA+ATPase结构域与蛋白酶体19S亚单位有很高的同源性,并且ATAD2同时具有能特异性识别乙酰化赖氨酸肽链的BRD,同时ATAD2在小鼠睾丸中高表达,那么BRD也许可以解释为什么组蛋白的过乙酰化可以导致精子发生过程中组蛋白的降解[1]。有趣的是,新近有研究修正了体细胞组蛋白不降解的理论,并发现体细胞组蛋白降解可以促进DNA损伤后的修复[31]。由于ATAD2在肿瘤组织中也呈现明显的高表达,是否它也会造成肿瘤细胞组蛋白的降解,从而导致肿瘤细胞对DNA损伤的修复能力增强?这些都可能是今后研究的方向之一。

另一方面,目前对ATAD2表达调控的研究尚且不多。有文献报道,肿瘤细胞中ATAD2高表达可能是基因突变和拷贝数变异引起的[32],但是更详细的分子机制尚不清楚。再者,目前已有的研究主要关注的是ATAD2对肿瘤细胞增殖表型的影响,而ATAD2是否也可以影响肿瘤细胞的转移和耐药等表型也值得我们关注。已有的研究结果也展示了这种假设的科学性。比如Caron等[2]的研究通过信号网络分析(ingenuity pathway analysis,IPA)发现,小干扰RNA抑制ATAD2基因表达后,转录谱改变的基因中包括大量影响细胞运动的基因;而且与对照组相比较,肺癌细胞系H1299在ATAD2基因表达被干扰之后,对放线菌素D更加敏感,凋亡比例显著升高。另外,今后更多的临床研究需要在更多类型的肿瘤中证实ATAD2的临床价值,而尝试设计针对ATAD2的特异性抑制剂则可能为多种肿瘤的治疗带来曙光。

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