管璽，鄭卓軍，蔣敬庭

(1.蘇州大學(xué)附屬第三醫(yī)院腫瘤生物診療中心，江蘇省腫瘤免疫治療工程技術(shù)研究中心，蘇州大學(xué)細(xì)胞治療研究院，江蘇常州213003；2南京醫(yī)科大學(xué)附屬常州第二人民醫(yī)院醫(yī)保辦，江蘇常州213003)

嗅覺受體(olfactory receptors，ORs)是一種G蛋白偶聯(lián)受體(G protein coupled receptors，GPCR)，也是人類基因組中數(shù)量最大的基因家族，不僅廣泛存在于嗅覺器官上皮細(xì)胞內(nèi)，還在多種非嗅覺組織中發(fā)揮重要的生理和病理作用，如嗅覺受體可促進(jìn)精子趨化[1]、肌肉組織中細(xì)胞的遷移與粘附[2]、腎素分泌[3]和維持眼內(nèi)環(huán)境平衡[4]等。嗅覺受體在腫瘤中也存在異常表達(dá)，被認(rèn)為是一種新型的腫瘤標(biāo)志物。

由于嗅覺受體在嗅覺上皮細(xì)胞中的特殊作用，以往認(rèn)為ORs參與人類癌癥的發(fā)生、發(fā)展的可能性不高，導(dǎo)致其在腫瘤基因組學(xué)研究中常被忽視。研究顯示，嗅覺受體具有調(diào)控有機(jī)小分子、轉(zhuǎn)導(dǎo)活化及轉(zhuǎn)移相關(guān)信號的功能[5]，在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展過程中可能發(fā)揮重要作用，有望成為腫瘤診斷、預(yù)后判斷以及治療的新靶點(diǎn)，對腫瘤的個體化治療存在潛在的價值。

1 嗅覺受體基因結(jié)構(gòu)與生物學(xué)功能

1.1嗅覺受體基因結(jié)構(gòu) 嗅覺受體基因是一種由嗅覺細(xì)胞分泌的蛋白質(zhì)編碼基因，編碼的蛋白質(zhì)是G蛋白偶聯(lián)受體。嗅覺受體約占哺乳動物基因組基因總量的3%～5%，數(shù)量在1 000個左右。嗅覺受體個體極小，每個基因長度約為1 000 bp，在基因編碼區(qū)不包括內(nèi)含子，相鄰的2個嗅覺受體基因編碼區(qū)的平均長度約為21 000 bp。Glusman等[6]發(fā)現(xiàn)人類基因組中至少存在900個左右的嗅覺受體基因。人類嗅覺受體基因家族擁有172個亞家族，同1個亞家族成員的嗅覺受體基因序列基本一致，故而可以識別結(jié)構(gòu)類似的氣味分子[7]。部分歸屬于1個進(jìn)化分支的嗅覺受體基因均位于同1個基因組簇中，間接證明了在嗅覺受體基因的演化進(jìn)程中，基因串聯(lián)復(fù)制是重要的作用機(jī)制。研究表明，許多嗅覺受體基因可退化為假基因，假基因的編碼序列與1個或多個平行基因類似，但突變的基因已喪失編碼蛋白質(zhì)的能力[8]。假基因所占的比例在各個物種之間均存在差異：在大部分哺乳動物中，約有12%～18%的嗅覺受體基因?qū)儆诩倩?，而人類至?0%～65%逐漸退化成了假基因。在人類基因組中，95個嗅覺受體基因簇廣泛分布于除20號和Y染色體外的其他染色體中，小鼠的嗅覺受體基因也廣泛分布于除5、12、18號和Y染色體外的其他染色體中，并分成27個基因簇。嗅覺受體基因并非絕對均衡地分布在各個染色體上，如人類有近70%嗅覺受體基因集中分布在6個染色體上，其中11號染色體上嗅覺受體基因簇?cái)?shù)量最多；而小鼠的嗅覺受體基因則大量聚集在第7號染色體上，共208個，約占其整個嗅覺受體基因總數(shù)的16%。

1.2嗅覺受體的異位表達(dá)與功能 嗅覺受體主要位于鼻粘膜細(xì)胞上皮的嗅覺感覺神經(jīng)元內(nèi)，通過與特殊的氣味分子結(jié)合來識別氣體。然而，研究表明，嗅覺受體不僅在嗅覺感覺神經(jīng)元中表達(dá)，還存在于諸多非嗅覺組織中，這種廣泛在非嗅覺組織中的表達(dá)被稱為嗅覺受體的異位表達(dá)。嗅覺受體的異位表達(dá)除在平滑肌、血管內(nèi)皮、心內(nèi)膜細(xì)胞、神經(jīng)上皮、眼等正常組織內(nèi)細(xì)胞外檢測到，還分布于肝臟、前列腺、腸道等腫瘤細(xì)胞組織中[9]。Drutel等[10]通過PCR和原位雜交分析檢測結(jié)果顯示，嗅覺受體不僅在嗅覺器官上皮細(xì)胞中表達(dá)，而且在心臟中也有表達(dá)，且在大鼠出生早期達(dá)到最高值，隨后逐步降低，至成年期則幾乎無法檢測到。由此推測，嗅覺受體可能在調(diào)控心肌細(xì)胞生長和形態(tài)發(fā)生過程中扮演著重要角色。Parmentier等[11]報(bào)道生殖細(xì)胞中存在嗅覺受體轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象，并證實(shí)其可能參與了生殖細(xì)胞受精過程中的趨化動作。Kang等[12]研究表明，嗅覺受體在不同類型細(xì)胞中的功能與嗅覺系統(tǒng)本身無關(guān)。

1.3嗅覺受體的轉(zhuǎn)導(dǎo)路徑機(jī)制 嗅覺受體基因編碼G蛋白偶聯(lián)受體蛋白，通過細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域與揮發(fā)性氣味分子結(jié)合，從而激活信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，導(dǎo)致嗅覺感覺神經(jīng)元(olfactory sensory neurons，OSNs)產(chǎn)生電信號，電信號進(jìn)入大腦后產(chǎn)生嗅覺。通過嗅覺受體基因激活異三聚體G蛋白，從而激活腺苷酸環(huán)化酶，產(chǎn)生腺苷酸(cyclic amp recepter protein cyclic amp receptor protein, cAMP)，cAMP作為第二信使，可打開環(huán)核苷酸門控通道，使細(xì)胞膜去極化，并激活嗅覺感覺神經(jīng)元，進(jìn)而產(chǎn)生動作電位。同時，嗅覺受體與配體結(jié)合也可激活參與生存和增殖的通路，如絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases,MAPK)、蛋白激酶Rho(Rho-associated kinase，Rho)和蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/AKT)信號級聯(lián)。部分嗅覺受體與趨化因子受體具有高度的同源性，可在遷移中發(fā)揮作用，其介導(dǎo)的嗅覺神經(jīng)元軸突可以向嗅球中氣味特異性腎小球結(jié)構(gòu)進(jìn)行投射，嗅覺受體與配體在嗅覺受體黏液層溶液中結(jié)合，從而觸發(fā)其功能。

2 嗅覺受體在腫瘤發(fā)生、發(fā)展中的意義

2.1嗅覺受體與前列腺癌 Massberg等[13]通過高通量測序獲得了 RNA-Seq數(shù)據(jù)，并通過RT-PCR驗(yàn)證了嗅覺受體OR51E1在前列腺癌組織中存在異常表達(dá)，其在良性前列腺組織中最高FPKM(Fragments Per Kilobase per Million，即每千個堿基的轉(zhuǎn)錄每百萬映射讀取的fragments)值為34.2，在前列腺癌組織中為39.7，而在所有淋巴結(jié)和遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移標(biāo)本中幾乎均可檢測出OR51E1表達(dá)，由此可認(rèn)為，OR51E1在晚期前列腺癌中發(fā)揮著重要的功能，為晚期前列腺癌的臨床診療提供了新思路。OR51E1參與了前列腺癌細(xì)胞的增殖以及雄性激素受體1(androgen receptor，AR)介導(dǎo)的信號通路傳導(dǎo)，在前列腺癌發(fā)病機(jī)制中起到了重要作用。OR51E1和OR51E2在前列腺組織中的亞細(xì)胞定位不同，OR51E1主要定位于前列腺頂端細(xì)胞質(zhì)和基底腺中，OR51E2(也稱為PSGR)則在前列腺上皮細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中廣泛表達(dá)。Sanz等[14]研究證實(shí)，OR51E2參與PI3激酶γ(PI3Kγ)的信號傳導(dǎo)通路，介導(dǎo)前列腺癌細(xì)胞的增殖和遷移。Rodriguez等[15]提出，OR51E2的過表達(dá)可引起慢性炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致晚期前列腺上皮瘤病變，提示OR51E2可促進(jìn)腫瘤發(fā)展。綜上所述，OR51E1、OR51E2或其他嗅覺受體在前列腺癌細(xì)胞發(fā)生、生長及治療中均具有重要意義，但其作用機(jī)制還需進(jìn)一步研究。

2.2嗅覺受體與胃癌 Guo等[16]研究顯示，OR3A4通過調(diào)節(jié)PDI和LIM結(jié)構(gòu)域蛋白-2(PDLIM2)、結(jié)腸癌轉(zhuǎn)移相關(guān)基因1(MACC1)、人軸突生長誘向因子4(NTN4)和G蛋白β2亞基類似物1基因(GNB2L1)的活化，影響胃癌細(xì)胞的生物學(xué)功能，促進(jìn)胃癌細(xì)胞生長、血管生成和轉(zhuǎn)移，其表達(dá)水平與胃癌組織的淋巴轉(zhuǎn)移、腫瘤浸潤深度、遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)移均顯著相關(guān)。該項(xiàng)研究還指出，與健康人群相比，胃癌患者外周血中OR3A4表達(dá)水平顯著升高(155.83±73.65 vs 56.95±49.01,P<0.01)。因此，通過血清篩查OR3A4對胃癌的早期診斷具有重要意義。此外，其通過Kaplan-Meier分析顯示，OR3A4呈高表達(dá)的胃癌患者相較于低表達(dá)的胃癌患者，復(fù)發(fā)風(fēng)險明顯增加，術(shù)后總體生存率顯著降低(P<0.01)。故而OR3A4在胃癌組織中的表達(dá)水平可作為評估預(yù)后的有效指標(biāo)。

以往的嗅覺基因研究多認(rèn)為OR2C3與癌癥無關(guān)，然而，近年來基因大數(shù)據(jù)篩選結(jié)果顯示，OR2C3基因?qū)ξ赴┑陌l(fā)生、發(fā)展可能存在促進(jìn)作用。Ranzani等[5]分析了968個腫瘤細(xì)胞系中301個嗅覺受體基因的表達(dá)，結(jié)果顯示，OR2C3在個別黑色素瘤細(xì)胞系中呈高表達(dá)，但在其他腫瘤細(xì)胞系或正常黑色素細(xì)胞中不表達(dá)，這種特異性表達(dá)提示了OR2C3在黑色素瘤的發(fā)生、發(fā)展中具有獨(dú)特功能。該學(xué)者還發(fā)現(xiàn)，在腫瘤細(xì)胞系中，僅有49%的細(xì)胞系存在OR2C3表達(dá)[5]。盡管OR2C3的關(guān)注度越來越高，但國內(nèi)外對于其與胃癌及其他癌癥的相關(guān)性研究依然較少。

2.3嗅覺受體與肺癌 Giandomenico等[17]采用RT-PCR檢測OR51E1轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，結(jié)果顯示，其在肺癌細(xì)胞系和肺癌組織樣本中均呈高表達(dá)，提示OR51E1可能是肺癌新的診斷靶點(diǎn)。Kalbe等[18]證實(shí)在非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞系A(chǔ)549中添加激動劑helional可以促進(jìn)OR2J3的表達(dá)，觸發(fā)磷脂酰肌醇3激酶(phoshoinositol-3-kinase，PI3K)信號，促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)Ca2+的釋放和ERK的磷酸化。此路徑可能是OR2J3在非小細(xì)胞肺癌中的作用途徑。此外，OR2J3的激活可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，抑制細(xì)胞增殖和遷移。該研究首次證實(shí)了OR2J3可以在非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞中進(jìn)行功能表達(dá)，嗅覺受體的異位表達(dá)可能是肺癌治療的新靶點(diǎn)。

2.4嗅覺受體與結(jié)腸癌、肝癌 Morita等[19]用cDNA微陣列和RT-PCR分析結(jié)腸癌細(xì)胞的基因表達(dá)譜，結(jié)果顯示，嗅覺受體OR7C1在結(jié)腸癌起始細(xì)胞形成中發(fā)揮著重要作用，相較于OR7C1陰性人群，OR7C1陽性人群具有更高的患病率，提示OR7C1可能是導(dǎo)致結(jié)腸癌發(fā)生的重要因素。其進(jìn)一步采用免疫組織化學(xué)染色法檢測證實(shí)，OR7C1高表達(dá)與結(jié)腸癌患者的預(yù)后不良相關(guān)。Massberg等[20]在mRNA和蛋白質(zhì)水平上檢測了(-)-香茅酸(單萜類化合物)激活的人類嗅覺受體OR1A2，證實(shí)其可能參與(-)-香茅酸(單萜類化合物)誘導(dǎo)的肝癌細(xì)胞系Huh7鈣信號傳導(dǎo)通路。此外，OR1A2的激活可導(dǎo)致P38-MAPK磷酸化，并降低細(xì)胞增殖能力，提示OR1A2在阻斷肝癌進(jìn)展中起著重要作用，可作為肝癌診斷和治療的潛在靶點(diǎn)。

2.5嗅覺受體與胰腺癌 Wei等[21]應(yīng)用關(guān)聯(lián)研究中的基因Grass方法分析了胰腺癌基因組數(shù)據(jù)庫中197條途徑，發(fā)現(xiàn)2條途徑與胰腺癌患病風(fēng)險顯著相關(guān)，其中1條為神經(jīng)活性配體—受體相互作用途徑，另1條為嗅覺轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，其嗅覺受體基因?yàn)镺R13C4。對胰腺癌組織以及癌旁組織進(jìn)行免疫組織化學(xué)法檢測，結(jié)果表明，胰腺癌組織中嗅覺受體OR2W3呈高水平，且與腫瘤的分化程度、臨床病理分期以及淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移存在密切關(guān)系，由此推斷，嗅覺受體OR2W3可能參與了胰腺癌發(fā)生、發(fā)展的整個過程[22]。

2.6嗅覺受體與白血病 嗅覺受體可能具有抑制髓性白血病細(xì)胞增殖的功能。Manteniotis等[23]對慢性髓系白血病(CML)細(xì)胞系K562和急性髓系白血病(AML)患者的白細(xì)胞進(jìn)行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)嗅覺受體OR51B4、OR2B6、OR51B5、OR2W3、OR2AT4、OR52D1、OR8G5、OR5112在髓性白血病細(xì)胞中均有不同程度的表達(dá)，其中，OR2AT4是K562和AML患者cDNA中表達(dá)水平最高的嗅覺受體之一。其進(jìn)一步通過western blot和流式細(xì)胞術(shù)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)激活的OR2AT4通過降低K562細(xì)胞中P38-MAPK磷酸化以抑制細(xì)胞增殖，通過增加K562細(xì)胞中P44/42-MAPK的磷酸化來誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。此外，通過RT-PCR和免疫細(xì)胞化學(xué)染色檢測OR51B5在CML細(xì)胞系K562和AML患者白細(xì)胞樣本中的表達(dá)水平，結(jié)果發(fā)現(xiàn)嗅覺受體OR51B5在K562細(xì)胞中呈高水平表達(dá)[24]。Jung等[25]發(fā)現(xiàn)，在細(xì)胞分化過程中，OR1N1、OR1Q1、OR2A1、OR4F6等嗅覺受體表達(dá)水平明顯降低，且OR1N1、OR4F6、OR7A17和OR10G2基因的轉(zhuǎn)錄水平顯著降低。組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(G9a)和賴氨酸特異性脫甲基酶1(LSD1)可通過重組組蛋白H3K9me2(recombinant histone H3K9me2，EPL) 的甲基化和去甲基化來調(diào)控幾個非嗅覺細(xì)胞中嗅覺受體的表達(dá)。在全反式維甲酸(ATRA)介導(dǎo)下的HL-60髓系白血病細(xì)胞分化過程中，嗅覺受體的表達(dá)受到抑制。

2.7嗅覺受體與乳腺癌 Weber等[26]檢測了OR2B6在乳腺癌組織中的表達(dá)，結(jié)果顯示，73%的乳腺癌細(xì)胞系和80%以上的乳腺癌組織中可檢測到OR2B6轉(zhuǎn)錄樣本，而在癌旁組織中則未觀察到此現(xiàn)象。其進(jìn)一步對乳腺癌患者組織樣本進(jìn)行免疫組化染色檢測，結(jié)果顯示OR2B6的表達(dá)量明顯增加。此外，其還檢測到1個轉(zhuǎn)錄樣本，包含了部分OR2B6編碼外顯子作為組蛋白HIST1H2BO轉(zhuǎn)錄本剪接變體的一部分。嗅覺受體在不同腫瘤中的表達(dá)意義及作用機(jī)制見表1。

表1 嗅覺受體在不同腫瘤中的表達(dá)意義及作用機(jī)制

3 嗅覺受體檢測技術(shù)

PCR及免疫組織化學(xué)法是目前臨床上嗅覺受體的主要檢測技術(shù)。因PCR技術(shù)具有較高的敏感性和特異性，其在嗅覺受體基因研究中應(yīng)用廣泛。Massberg等[13]利用PCR技術(shù)發(fā)現(xiàn)嗅覺受體OR51E1在前列腺癌組織中呈異常表達(dá)。此外， Giandomenico等[17]和Morita等[19]采用PCR技術(shù)檢測發(fā)現(xiàn)，OR51E1、OR7C1在肺癌、結(jié)腸癌組織中均有異位表達(dá)。隨著現(xiàn)代免疫組織化學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及各種特異性抗體的出現(xiàn)，使部分腫瘤獲得到了明確診斷。Wei等[21]采用免疫組織化學(xué)技術(shù)檢測證實(shí)胰腺癌組織中嗅覺受體OR2W3呈高表達(dá)。免疫組織化學(xué)技術(shù)穩(wěn)定、結(jié)果重復(fù)性也較佳，隨著嗅覺受體在腫瘤中的應(yīng)用進(jìn)展，免疫組織化學(xué)技術(shù)可能成為嗅覺受體主要檢測技術(shù)之一。

4 小結(jié)及展望

嗅覺受體不僅在嗅覺神經(jīng)元中誘導(dǎo)嗅覺感知，而且在非嗅覺組織中，尤其在腫瘤發(fā)生、發(fā)展中也發(fā)揮著多樣化的功能。隨著腫瘤研究的深入和臨床診療手段的不斷進(jìn)步，腫瘤患者的五年生存率有了一定提升，但大部分患者的預(yù)后仍欠佳，這對腫瘤的精準(zhǔn)診斷和治療提出了更高的要求。嗅覺基因研究闡明了部分腫瘤的發(fā)生、發(fā)展機(jī)制，為腫瘤的靶向治療提供了依據(jù)。盡管目前的研究表明，嗅覺受體基因在白血病、肝癌、肺癌、乳腺癌等腫瘤中起著重要的作用，但確切的機(jī)制尚不明確。此外，相較于龐大的嗅覺受體基因家族，目前的研究尚不夠深入，其作用機(jī)制仍需進(jìn)一步探索，如缺少高質(zhì)量嗅覺受體異位表達(dá)譜、大部分嗅覺受體在腫瘤中的作用機(jī)制不清楚、未篩選出不同類型腫瘤中的特異性嗅覺受體、不同分期腫瘤患者體內(nèi)嗅覺受體表達(dá)特征未明等，這將為腫瘤的精準(zhǔn)診斷和靶向治療提供理論依據(jù)。