HMGA与肿瘤关系的研究进展

HMGA与肿瘤关系的研究进展摘要：高迁移率族蛋白（highmobilitygroupprotein，HMG蛋白）是一类染色质相关非组蛋白，因其在聚丙烯酰胺凝胶中的高迁移率而得名。HMG蛋白家族包括HMGA、HMGB和HMGN3个家族，具有通过改变染色体结构而调节基因表达的能力，目前已经在很多种类肿瘤中发现HMGA的过表达。本文对HMGA蛋白及其与肿瘤的关系作一综述。关键词：高迁移率族蛋白（HMG蛋白）；HMGA；转录调节；肿瘤1、研究背景高迁移率族蛋白（highmobilitygroupprotein，HMG蛋白）由Goodwin等[1]于1973年在牛胸腺细胞中首次发现，是一类染色质相关非组蛋白，因其在聚丙烯酰胺凝胶中的高迁移率而得名。Bustin等[2]将HMG蛋白分为三类：HMGB、HMGA和HMGN。各类HMG蛋白都各含有不同的结构，但却具有广泛类似的功能。HMG蛋白家族广泛参与多种重要的核内生物学功能不仅包括调节DNA复制、转录、重组和修复等，还参与了DNA的损伤修复过程。关于HMG蛋白参与DNA损伤修复的分子机制的研究较少[3]。其中主要是通过对基因表达转录的调控。HMG蛋白通过与DNA发生结合使其变形或弯折，或影响其与表达有关的结构，或促进其他调节蛋白的结合，影响大分子复合物的形成，从而调节转录的起始过程。HMGA蛋白是重要成员之一，主要参与DNA的损伤修复、基因转录调控等，胚胎时期常高表达，一般成体细胞中低表达或不表达【4】。研究发现，HMGA蛋白在大肠癌、卵巢癌、甲状腺癌和非小细胞肺癌等肿瘤中都存在高表达[5，6]。2、HMGA家族2、1HMGA的结构特征HMGA分为两大类蛋白HMGA1，和HMGA2，分别由HMGA1基因、HMGA2基因编码.由于HMGA1基因转录后的可变剪接，使HMGA1又分为长度有所不同的HMGAl1a和HMGA1b、HMGA1c3种蛋白[2]。这4种HMGA的相对分子质量约10000-11000，氨基酸组成以富含脯氨酸、碱性氨基酸和酸性氨基酸为特点，在体内呈高度磷酸化状态，所有HMGA都是由3个相互独立而又结构相似的AT环和1个酸性的C末端构成，其中，AT环是由9个氨基酸残基组成，使HMGA在染色质的小沟处与富含AT碱基的DNA序列结合。而在HMGA的C端则是由大量带负电荷的氨基酸残基组成，HMGA分子中的3个AT环具有不同的位置并且不重叠，其结果是HMGA可以和富含AT的DNA在不同结合位点发生结合，从而形成多种蛋白质分子之间相互作用的系统。研究表明，AT环的核心结构能诱导DNA分子结构发生变化如弯曲、拉直或展开[7，8]。HMGA的许多不同区域都被证明可以和其他的核内蛋白质之间相互作用，但最主要的区域还是第2个AT环区及第2个AT环与第3个AT环之间的氨基酸残基序列[9，10]。HMGA的酸性C末端可以和H1组蛋白结合，通过磷酸化和乙酰化作用影响核小体的空间构象，参与活性染色质的形成。此外，HMGA还参与将反转录病毒整合到染色体上、RNA加工、DNA修复和染色质结构重组等[11]。2.2HMGA的功能2.2.1HMGA在表达调控中的作用HMGA蛋白本身不具备转录活性，主要是通过改变DNA分子空间结构、参与增强子的形成来调节基因转录。例如：IFN-β基因的基因表达调控是一种正反馈调控，该基因表达活化所需要的增强体由多种因子构成，HMGA2是构成增强体的关键因子。它通过与增强体中的其他因子相互作用，进一步使DNA弯曲，并且促进其他的转录因子与DNA结合位点结合。HMGA还可以通过直接和TFs的蛋白质一蛋白质相互作用来调节基因转录，其机制是诱导其他蛋白质和DNA的结合位点之间产生亲和力。例如血清应答因子（serumresponsefactor，SRF）就是因为和HMGA的相互作用增强了其调节基因转录的活性[12]。另外，根据HMGA蛋白在肿瘤组织细胞中表达量多，推测HMGA蛋白能够改变染色质结构。资料表明，HMGA是和核骨架结合序YlJ（MARs/SARs）相关的一类重要元件，MARs/SARs是基因组DNA上的特殊片段，与核骨架有高亲和力，同时还富含AT序列。这些序列能将染色质锚定在细胞核中央位置，还能将在DNA转录和翻译过程中都起作用的独立DNA区域组织成拓扑结构[13]。现已证明，在染色质的MARs/SARs位置，HMGA能够取代组蛋白H1，进一步活化染色质的转录[14]。2.2.2HMGA在病毒整合和表达中的作用HMGA的在病毒整合和在宿主细胞中的病毒基因表达方面有显著作用。研究显示在感染免疫缺陷型病毒I（HIV-1）、鸟类肉瘤病毒（ASV）等的过程中，HMGA蛋白能促进病毒cDNA整合到宿主细胞染色体中，起到共因子的作用。HMGA蛋白可能与整合前复合物（PICs）有关，现已证实，整合前复合物的形成包含一个不可缺少的重要成分即宿主细胞提供的HMGAla，在此复合体的作用下，免疫缺陷型病毒1（HIV一1）的基因整合成感受态细胞的宿主基因组的一部分。2.2.3HMGA在胚胎发生和分化中的作用在正常细胞中，HMGA只限于在胚胎发生阶段表达，生长发育的逐步进行，HMGA的含量也随之减少，在正常的成人细胞中HMGA的含量已经很少或者基本没有，此时，HMGAl主要表达于外胚层、中胚层和内胚层来源的身体特殊器官，而HMGA2表达局限于中胚层来源的组织中。HMGAl在人和大鼠的成熟组织中均检测到低水平的表达，而HMGA2表达即使被检测也是很低的水平。Chada的实验证明了被阻断的HMGA2基因的小鼠表型矮小，其特征是脂肪组织大量减少。他们还进一步证实了HMGA2在脂肪生成中的作用，即缺少HMGA2基因的小鼠不会因为食物而变得肥胖。2.3HMGA蛋白与肿瘤转化HMGA在胚胎期广泛表达，而在正常成人组织低表达或表达缺失。有研究表明，在恶性肿瘤组织中均检测到HMGA蛋白的表达，包括甲状腺肿瘤、前列腺肿瘤、结直肠肿瘤、胰腺肿瘤等，说明HMGA可能参与了肿瘤转化和发生，很多机制被提出来解释这一现象。大多数机制是以HMGA蛋白下调或上调那些在控制增殖和侵袭中有重要作用的基因的表达为基础的。2.3.1HMGA过表达损伤DNA修复DNA修复系统是细胞用于抵抗肿瘤发生的最好的防御机制。目前普遍被接受的观点是，DNA修复系统的破坏是肿瘤发生过程中的关键步骤。多证据表明HMGA蛋白在DNA修复中起重要作用，HMGAl可与抑癌基因P53及错配修复基因hMSH2.hMSH6复合物竞争结合霍利迪连结体（Hollidayjunction），影响DNA错配修复功能。HMGAl还可负性调节DNA修复相关一系列基因的转录，间接影响修复功能，Borrmann等报道HMGA2结合核苷酸切除-修复基因ERCC1的启动子，负性调节它的活性。并且HMGA2表达可抑制DNA双链断裂的修复信号通路的激活。2.3.2HMGA与细胞周期细胞周期蛋白（cyclin）是调节细胞周期活动的重要蛋白。HMGA2可以诱导E2F1活性，而E2F1对很多细胞周期蛋白包括cyclinA和细胞进入S期和G2/M期所需的其他蛋白的表达有调节作用，因此，HMGA2可以间接干扰细胞周期。而且已经证实HMGA2通过和转录抑制物p120E4F（也叫E4F1）协同，上调cyclinA的表达，同时，HMGA2也可以结合cyclinB2基因的启动子，上调cyclinB2的表达，加速细胞周期的转化，促进肿瘤的发生。HMGA2也可以通过结合pRB继而提高E2F1转录因子的活性，促进肿瘤的异常增殖。2.3.3HMGA蛋白与上皮间质转化（EMT）上皮间质转化（Epithelial-mesenchymaltransition，EMT）是胚胎发展和上皮细胞去分化到一种成纤维样的状态，重新获得侵袭、迁移和或以一种失控的形式增殖的晚期上皮性肿瘤中一种普遍的特征。Thuault等研究发现，在TGF-β信号通路中，smad可以通过HMGA2上调其下游的目标基因snail、Twist和slug表达上调，特别是snail表达上调，导致E-cadherin表达下调，细胞间极性丧失而诱发EMT。查郎等研究发现，胃癌组织中的HMGA2表达与E-cadherin和N-cadherin表达有显著相关性，其主要机制可能是HMGA2促使癌细胞发生EMT，使之具有更强的侵袭能力。2.3.4HMGA与miRNA表达miRNAs是一类小分子单链RNA，长18-24个核苷酸，可以典型结合特异靶向的mRNA的3'UTR，抑制它们在转录后水平的表达。HMGA蛋白的合成是受miRNA调节的。Let-7是最早发现的miRNAs之一，可发挥肿瘤抑制作用。Let-7可促进HMGA2的mRNA降解，抑制其表达。Let-7对HMGA2的作用主要是通过与HMGA2的3'-UTR的多标记位点结合，而染色体异位使HMGA2失去3'-UTR后，let-7无法与其结合从而失去抑制作用，最终诱导肿瘤发生。反过来，HMGA也能调节miRNA的表达。研究发现，HMGA1在MCF7细胞中上调miR-181。这与在多种恶性肿瘤中miR-181表达增加的数据是一致的。而miR-181负性调节polycomb基因CBX7的表达，这种基因表达的缺失与结肠癌患者的不良预后之间有相关性。2.4HMGA蛋白在良恶性肿瘤中的研究进展HMGA基因在胚胎期及快速增殖的细胞中高表达，但是在已成熟的组织表达很低，甚至检测不到[4]。近些年来的研究显示这种基因在肿瘤细胞体外和在体中均表达增高。现将HMGA与肿瘤的分述如下：2.4.1良性实体瘤HMGA基因的表达最早发现是在间质来源的良性细胞中发现，肿瘤特异的染色体重排导致一种特异的融合蛋白的形成，这种融合蛋白显示与很多肿瘤类型的进展有关。HMGA基因重排已经在不同的良性间质细胞肿瘤中发现，比如：脂肪瘤、子宫平滑肌瘤、血管粘液瘤、肺错构瘤和子宫内膜息肉等。基因重排是很多人类良性间质细胞肿瘤的特征，相反，未重排的HMGA过表达是恶性肿瘤的特征。2.4.2恶性实体瘤HMGA蛋白参与人类恶性肿瘤的首次证据来源于Bussemakers等的小鼠细胞系。应用差示杂交，将DunningR-3327-H良性小鼠前列腺肿瘤细胞系和来源于这一细胞系的有高度的侵袭性MatLyLu细胞进行对照，他们发现过表达HMGA1与远处转移能力有关，而与生长速度无关，提示它在肿瘤进展中的作用。随后，通过原位杂交，他们证实高度的前列腺肿瘤中HMGA1表达增加。Motoyama等对110例胃癌患者进行研究后发现HMGA2mRNA的高表达与胃癌的浸润深度、淋巴结转移呈正相关，且随访结果表明HMGA2高表达的患者生存期明显低于低表达者。查郎等通过对71例胃癌患者研究后发现，胃癌组织中表达与胃癌的临床分期呈正相关，伴淋巴结转移的胃癌患者组织中HMGA2的阳性表达率明显高于无淋巴结转移者。此外，在多种肿瘤组织有发现HMGAl/HMGA2过表达，包括结肠、肺、乳腺、卵巢、胰腺、甲状腺等。在体内外实验中也发现HMGA2在肿瘤发生发展中发挥重要作用，HMGA蛋白高表达常常与早期转移、高度恶性表型、预后不良及较短的生存期相关，可作为潜在的预后判断分子。此外，在血液肿瘤方面，Pierantoni等发现HMGA1在很多白血病细胞系和大多数人类白血病中过表达。3.小结近年来，随着人们生活水平的提高和生活方式的改变，肿瘤的发生率明显升高，已严重危害人类的健康。目前，虽然对肿瘤的研究正不断的深化、广泛，但是，对肿瘤的治疗手段，仍然以传统的手术、放化疗为主，基因治疗正逐步成为研究的热点，有些肿瘤的基因靶向治疗也取得了一定的效果。HMGA蛋白可以通过结合DNA内的AT丰富区来改变染色体结构或直接干扰很多转录因子，从而调节很多目的基因表达。在胚胎时期广泛表达，但是在成熟的组织中表达缺失或低表达，但很多的研究表明，HMGA蛋白在恶性肿瘤中呈过表达的现象，那么通过研究HMGA蛋白在肿瘤发生、发展中的具体作用与机制，无疑为肿瘤的早期诊断及治疗提供了新的方向。参考文献：[1]GoodwinGHeta