杜琳琳 , 謝飛 , 馬雪梅
北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)部,北京 100124
婆羅雙樹樣基因4(spalt-like transcription factor 4,SALL4)是鋅指蛋白轉(zhuǎn)錄因子SALL基因家族(SALL1~SALL4)的新成員,與果蠅Spalt基因具有同源性[1]。在小鼠和人類的正常發(fā)育過程中,SALL4已被證實發(fā)揮著至關(guān)重要的調(diào)節(jié)作用[2]。SALL4不僅在維持胚胎干細胞多能性和自我更新方面發(fā)揮著重要的作用,且與遺傳性疾病、血液系統(tǒng)腫瘤、生殖細胞腫瘤等多種惡性腫瘤密切相關(guān)。SALL4在多種腫瘤中異常高表達,與腫瘤的發(fā)生、增殖、遷移和侵襲關(guān)系密切[3]。通過抑制SALL4的表達可有效抑制腫瘤的增殖和轉(zhuǎn)移,因此SALL4成為腫瘤治療潛在的新靶標。本文主要闡述了SALL4的異常表達機制及其在腫瘤進展和腫瘤治療中的價值。
SALL4基因位于人類第20號染色體q13.13-q13.2,全長約18000 bp,由4個外顯子組成[4]。通過選擇性剪切2號外顯子產(chǎn)生2種SALL4 mRNA—SALL4A和SALL4B。人類SALL4蛋白含有4個C2H2 (Cys 2 His 2)型鋅指簇(ZFC)結(jié)構(gòu)域,包括:N端1個C2H2鋅指簇,中間2個C2H2鋅指簇,C端1個鋅指簇。SALL4A蛋白有4個鋅指簇,而SALL4B經(jīng)選擇性剪切后其蛋白缺乏ZF2和ZF3鋅指簇[4]。最新的研究發(fā)現(xiàn),在正常胚胎干細胞(ESCs)和SALL4依賴的腫瘤中,SALL4蛋白分子的ZFC結(jié)構(gòu)域通過結(jié)合特異性基因DNA序列調(diào)節(jié)其表達。例如,SALL4在ESCs中可以通過C2H2 ZFC4與短的AT-rich基序結(jié)合,維持多能性并抑制分化[5];SALL4的C端ZFC與DNA結(jié)合,在侵襲性肝癌細胞中負調(diào)控組蛋白3賴氨酸9特異性去甲基酶家族的表達[6]。除了ZFC結(jié)構(gòu)域外,SALL4蛋白的N端含有一個富含谷氨酰胺(Q)的區(qū)域,這是與不同亞型SALL家族成員形成二聚體結(jié)構(gòu)所必需的。SALL4作為轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子,主要定位于細胞核中,其在64~67氨基酸上有核定位信號(nuclear localization signal,NLS)[4]。
SALL4主要在胚胎發(fā)育期和干細胞中表達,在干細胞的干性維持、自我更新與多項分化潛能方面發(fā)揮重要作用。SALL4是維持早期胚胎發(fā)育的關(guān)鍵基因,SALL4缺失的小鼠在著床后不久就會死亡[2]。SALL4突變會導(dǎo)致Okihiro/dune-radial綜合征和Holt-Oram綜合征,這兩種疾病都是常染色體顯性遺傳病,表現(xiàn)為眼睛、上肢、腎臟發(fā)育異常和先天性心臟缺陷[1,7]。研究表明,SALL4可以與Oct4、Nanog、Sox2等關(guān)鍵干性調(diào)控因子形成轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)來維持ESCs的自我更新[8];另一項研究發(fā)現(xiàn),SALL4缺失的ESC在小鼠囊胚中自發(fā)分化,表明其在維持多能性方面至關(guān)重要[9]。除生殖細胞和造血干細胞外,SALL4在多數(shù)成人組織中的表達被沉默,但在許多惡性腫瘤中被重新激活[3]。
SALL4的表達水平受到轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后、翻譯后和表觀遺傳水平等多層次分子機制的調(diào)控。在轉(zhuǎn)錄水平,SALL4表達受多個轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控。研究表明,轉(zhuǎn)錄因子CDX1和STAT3分別在乳腺癌和胃癌中激活SALL4的表達[10-11]。SALL4與轉(zhuǎn)錄因子Oct4、Sox2和Nanog可以形成一個相互連接的自動調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò),在小鼠胚胎干細胞中調(diào)控彼此及自身的表達[8]。此外,SALL4啟動子區(qū)含有TCF/LEF的結(jié)合位點序列,SALL4的表達可以被LEF1或TCF4E激活,這表明SALL4是典型WNT信號通路的靶標[12]。在胚胎干細胞中,BAF復(fù)合物占據(jù)SALL4啟動子,表明BAF復(fù)合物也可能在腫瘤SALL4的激活表達中發(fā)揮調(diào)控作用[13]。
在轉(zhuǎn)錄后水平上,多個miRNAs可以調(diào)節(jié)SALL4基因的表達。miR-15a在SALL4mRNA的3'UTR中有一個結(jié)合位點,并在肝癌細胞中抑制SALL4[14]的表達。miR-16和miRNA-485-5p分別抑制胃癌和急性髓性白血病細胞中SALL4的表達[15-16]。其他多種miRNA對SALL4的調(diào)控作用見表1。
在翻譯后水平上,SALL4受賴氨酸殘基上的SUMO修飾。SALL4有4個SUMO修飾位點,SUMO修飾可以促進SALL4的活性[27]。研究表明,一種E3泛素蛋白連接酶TRIM21通過靶向SALL4B序列中的Lys-190殘基參與核SALL4降解[28]。核受體結(jié)合蛋白1(nuclear receptor binding protein 1, NRBP1)通過負調(diào)控SALL4的表達降低乳腺癌細胞的遷移侵襲能力,促進細胞凋亡,增加對化療藥物的敏感性[29]。表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor, EGFR)通過激活ERK1/2通路誘導(dǎo)SALL4的表達[30]。
在表觀遺傳水平上,SALL4啟動子區(qū)CpG島的異常低甲基化是其高表達的原因之一,位于SALL4TSS下游的CpG位點發(fā)生去甲基化時,使STAT3和OCT4結(jié)合,招募含有BRG1的染色質(zhì)重塑復(fù)合物,并增加RNA聚合酶Ⅱ與SALL4染色質(zhì)的關(guān)聯(lián),從而增強SALL4轉(zhuǎn)錄[31]。此外,用甲基化抑制劑處理B-ALL細胞可導(dǎo)致SALL4調(diào)控區(qū)去甲基化進而過表達[32]。
SALL4與腫瘤發(fā)生的關(guān)系最早是在研究白血病時發(fā)現(xiàn)的[33]。在正常造血過程中,SALL4在CD34+HSC/HPC群體中表達,而在成熟的血細胞中,SALL4的表達沉默。相反,SALL4在急性髓細胞性白血?。╝cute myelocytic leukemia, AML)和髓系白血病細胞系中重新表達。進一步研究發(fā)現(xiàn),SALL4轉(zhuǎn)基因小鼠模型的造血功能失調(diào)并出現(xiàn)骨髓增生異常綜合征(myelodysplastic syndrome,MDS)樣癥狀,最終發(fā)展為AML,這表明SALL4促進白血病的發(fā)生。此外,功能喪失研究表明,SALL4下調(diào)會導(dǎo)致白血病細胞凋亡,顯著降低免疫缺陷小鼠的腫瘤發(fā)生能力,這表明SALL4對白血病細胞特性的維持至關(guān)重要[34]。Bmi-1是一種可以調(diào)節(jié)干細胞多能性的癌基因,SALL4可直接與Bmi-1啟動子結(jié)合,增加內(nèi)源性Bmi-1的表達,使白血病原始細胞獲得干細胞特性,如自我更新和/或去分化,從而成為白血病干細胞(leukemia stem cells,LSCs)[33]。在黑色素瘤研究中也發(fā)現(xiàn)SALL4的重新表達,并且其表達是原發(fā)黑色素瘤形成所必需的[35]。此外,過表達SALL4能夠促進體內(nèi)移植瘤的形成,而抑制SALL4可降低乳腺癌細胞的體內(nèi)致瘤性[36]。
在胃癌研究中發(fā)現(xiàn),SALL4通過直接激活CD44的表達來促進胃癌的進展,而SALL4基因敲除可以抑制胃癌細胞的克隆形成能力,誘導(dǎo)細胞凋亡和細胞周期停滯在G1期,從而抑制胃癌細胞的生長[37]。還有研究發(fā)現(xiàn),SALL4通過HK-2介導(dǎo)的糖酵解促進胃癌細胞的增殖[38]。此外,胃癌細胞中的SALL4特異性結(jié)合DANCR(anti-differentiation noncoding RNA)的啟動子區(qū)域,上調(diào)其表達,并通過激活β-catenin信號途徑來促進胃癌細胞的生長[39]。在膽管癌中,SALL4高表達組織中細胞增殖標志蛋白Ki67也呈現(xiàn)高表達,表明SALL4高表達是促進腫瘤增殖加快的重要因素[40]。此外,SOX2/SALL4軸通過上調(diào)Notch信號通路相關(guān)基因來維持食管鱗癌細胞的自我更新能力[41]。
多項研究證實,SALL4與許多惡性腫瘤的遷移和轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn),SALL4的高表達與胃癌患者淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移密切相關(guān)[42]。干擾SALL4表達可顯著抑制乳腺癌細胞的遷移侵襲,而SALL4的過表達增強了乳腺癌細胞的遷移和侵襲[36]。進一步研究發(fā)現(xiàn),SALL4過表達可促進間質(zhì)標志物Twist1、N-鈣粘蛋白的表達,抑制上皮標志物E-鈣粘蛋白的表達,從而誘導(dǎo)胃癌細胞發(fā)生上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)。此外,SALL4還通過誘導(dǎo)Bmi-1和Lin28b促進胃癌細胞獲得腫瘤干細胞特性,提示SALL4通過調(diào)節(jié)EMT和細胞干性在胃癌中發(fā)揮致癌作用[43]。還有研究報道,SALL4通過與組蛋白去乙?;?相互作用,直接共結(jié)合侵襲性基因來負向調(diào)節(jié)黑色素瘤細胞的侵襲[35]。此外,SALL4在乳腺癌細胞中能夠上調(diào)整合素基因ITGA6和ITGB1的表達,促進細胞遷移[44]。
腫瘤細胞代謝重編程是惡性腫瘤的重大特征之一。正常細胞主要依靠線粒體氧化磷酸化獲取能量,而大多數(shù)腫瘤細胞主要依賴于有氧糖酵解來滿足其生物能量和合成代謝需求,即在氧氣存在的情況下癌細胞也以糖酵解獲取能量,又被稱為Warburg效應(yīng)[45]。研究表明,多種轉(zhuǎn)錄因子(c-Myc、HIF1α、p53、NF-κB、STAT3、TWIST1)通過直接調(diào)控糖酵解基因(如GLUT1、HK2、LDHA、PFK等)調(diào)節(jié)腫瘤有氧糖酵解過程[46]。而SALL4可通過直接或間接的方式調(diào)節(jié)這些轉(zhuǎn)錄因子或糖酵解關(guān)鍵酶基因的表達,從而參與腫瘤代謝調(diào)控。Kim等[47]證明SALL4通過促進異染色質(zhì)蛋白1α (heterochromosomal protein 1α,HP1α)的泛素化,從而增加葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白1(glucose transporter 1,GLUT1)的表達,促進糖酵解。此外,還有研究表明,SALL4基因敲除抑制了胃癌細胞的葡萄糖攝取、乳酸生成、乳酸脫氫酶活性、ATP水平和己糖激酶(hexokinase,HK)活性,降低了糖酵解基因和蛋白的表達[38]。然而,有研究發(fā)現(xiàn)SALL4依賴性腫瘤細胞沒有表現(xiàn)出Warburg 效應(yīng),更傾向于以O(shè)XPHOS獲取能量。ChIP-seq數(shù)據(jù)分析顯示,SALL4與近50%的線粒體氧化磷酸化基因結(jié)合,以激活它們的轉(zhuǎn)錄,進而增加癌細胞的耗氧量、線粒體膜電位和ATP生成,從而驅(qū)動腫瘤的發(fā)生[48]。體內(nèi)和體外試驗表明,SALL4高表達的腫瘤對極低劑量的氧化磷酸化抑制劑更敏感[49]。
腫瘤耐藥是影響治療效果的重要因素,研究發(fā)現(xiàn),SALL4可促進多種癌癥的化療耐藥性。SALL4可通過募集E3泛素連接酶CUL4B(cullin 4B)降解HP1α蛋白及染色質(zhì)開放,上調(diào)Glut1基因表達,進一步促進糖酵解發(fā)生,增強腫瘤細胞DNA損傷反應(yīng)和DNA修復(fù)能力,從而誘導(dǎo)化療耐藥[47]。在研究子宮內(nèi)膜癌[50]時發(fā)現(xiàn),SALL4可以通過上調(diào)其下游靶基因c-Myc和ABCA1的表達來誘導(dǎo)化療藥物卡鉑的耐藥性。相反,抑制SALL4可以增強癌細胞對抗癌藥物(順鉑、卡鉑和紫杉醇)的敏感性,例如下調(diào)SALL4可以通過AKT/mTOR信號通路恢復(fù)耐藥肺癌細胞對卡鉑的敏感性[51]。
放射治療是腫瘤的主要治療方式之一,其療效受到內(nèi)源性和獲得性放射抗性發(fā)展的限制。研究人員對SALL4在放射抗性中的作用進行了探究,發(fā)現(xiàn)SALL4沉默增加了鼻咽癌細胞中輻射誘導(dǎo)的DNA損傷、細胞凋亡和G2/M阻滯,抑制p-ATM、p-Chk2、p-p53和抗凋亡蛋白Bcl-2的表達,促凋亡蛋白被上調(diào)。綜上,SALL4可通過ATM/Chk2/p53途徑及其與凋亡相關(guān)的下游蛋白誘導(dǎo)放射抗性[52]。
持續(xù)的血管生成是癌癥的特征之一,既為癌細胞高度增殖提供氧氣和營養(yǎng),也為逃逸的腫瘤細胞擴散到繼發(fā)部位提供通道[53]??紤]到SALL4和新生血管在腫瘤轉(zhuǎn)移中的作用,SALL4可能與血管生成有關(guān)。但SALL4在血管生成中的作用研究較少,Sun等[54]研究發(fā)現(xiàn)SALL4通過靶向血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGFA)促進內(nèi)皮細胞的生長,從而參與血管生成過程,而SALL4基因敲除抑制了內(nèi)皮細胞中VEGFA水平和血管生成。在透明細胞腎細胞癌研究中發(fā)現(xiàn),SALL4通過調(diào)控Akt/GSK-3β信號通路和VEGFA的表達發(fā)揮促腫瘤和血管生成作用[55]。
SALL4在多種實體瘤和血液系統(tǒng)腫瘤中表達上調(diào),如生殖細胞腫瘤、肝癌、結(jié)腸癌、胃癌、肺癌、乳腺癌、子宮內(nèi)膜癌、膠質(zhì)瘤、急性髓細胞白血病和慢性髓系白血病。SALL4在胃癌組織中的表達水平較正常對照組織明顯升高,并且SALL4的表達水平與淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和TNM分期呈正相關(guān)。SALL4陽性胃癌患者預(yù)后差、生存期短,因此SALL4可作為胃癌的預(yù)后指標[42]。在肝癌患者的血清中也檢測到高水平的SALL4蛋白表達,且血清SALL4水平高的肝癌患者預(yù)后不良,腫瘤復(fù)發(fā)率較高,總生存率較低,提示高水平血清SALL4是一種新的肝細胞癌預(yù)后生物標志物[56]。結(jié)直腸癌患者外周血中SALL4基因的表達水平顯著升高,且與腫瘤侵襲深度和腫瘤分化程度顯著相關(guān),提示SALL4可作為早期結(jié)直腸癌篩查、診斷和預(yù)測的生物標志物,與癌胚抗原(carcinoembryonic antigen, CEA)標志物相比,SALL4對結(jié)直腸癌的診斷具有更高的敏感性和特異性[57]。在肺癌研究中發(fā)現(xiàn),肺癌復(fù)發(fā)患者化療前SALL4的表達水平明顯高于未復(fù)發(fā)患者,表明SALL4可以作為肺癌患者輔助化療后是否復(fù)發(fā)的良好指標[58]。SALL4在AML中的表達與疾病進展及患者治療狀態(tài)有關(guān)[33],而與治療敏感的AML患者相比,治療耐藥的AML患者SALL4表達水平較高[59],因此,SALL4可作為AML的診斷和預(yù)后指標。
近年來,為了實現(xiàn)精準醫(yī)療的目標,分子靶向治療癌癥引起了廣泛的關(guān)注。SALL4與腫瘤發(fā)生、進展、耐藥和轉(zhuǎn)移的功能表明,以SALL4為靶點可以有效地抑制癌細胞惡性特征[60]。目前,靶向SALL4的治療策略主要從干擾SALL4與表觀遺傳復(fù)合體的相互作用、直接抑制SALL4的表達和藥物重定位3個方面進行。
早期研究發(fā)現(xiàn),SALL4主要通過聚集HDAC/NuRD復(fù)合物至抑癌基因PTEN的啟動子區(qū)域來抑制其表達,進而促進多種腫瘤的發(fā)生發(fā)展。研究者們在此基礎(chǔ)上設(shè)計出一種可與SALL4競爭結(jié)合NuRD復(fù)合物的12-AA多肽,這種多肽可以阻斷SALL4與NuRD的結(jié)合,逆轉(zhuǎn)其對PTEN的抑制作用從而誘發(fā)腫瘤細胞凋亡[61]。體外研究發(fā)現(xiàn),該多肽抑制劑治療可誘導(dǎo)高表達SALL4的多種腫瘤(尤其白血病、肝癌)細胞的凋亡及抑制腫瘤細胞的遷移和侵襲。后來的研究通過肝癌小鼠模型證實了抗SALL4多肽在治療肝癌中的體內(nèi)活性[62]。由于多肽在體內(nèi)傳遞效率差,其臨床用途受到限制。
另一方面,由于SALL4可以聚集HDAC/NuRD復(fù)合物,因此HDAC抑制劑被認為可以間接抑制SALL4。Yong等[63]通過Cmap分析發(fā)現(xiàn)HDAC抑制劑Entinostat是治療表達SALL4癌癥的潛在藥物,可以靶向抑制SALL4B表達,發(fā)揮治療肺癌的作用。為了擴大SALL4靶向治療癌癥的范圍,一項研究[64]發(fā)現(xiàn)臨床上使用的去甲基化藥物如5-氮-2'-脫氧胞苷可以激活和/或上調(diào)SALL4,HDAC預(yù)處理能將SALL4陰性的肺癌細胞啟動為SALL4陽性,使其對Entinostat治療敏感。
如表1所示,miR-16、miR-188、miR-219、miR-103、miR-33b、miR-195、miR-107等多種miRNA調(diào)控SALL4或被SALL4調(diào)控,因此,利用SALL4-miRNA相互作用可能是一種新的治療途徑。使用LIN28抑制劑阻斷其對Let 7/miR-98的抑制,能降低SALL4的表達[65]。研究發(fā)現(xiàn)對SALL4表達產(chǎn)生負面影響的Entinostat通過上調(diào)miRNA-205起作用。在體內(nèi),SALL4表達降低導(dǎo)致細胞活力下降,凋亡增加[66]。利用脂質(zhì)體和納米顆粒等載體將SALL4特異性siRNA[36,51]或shRNA[37]傳遞到癌細胞靶向抑制SALL4的表達,從而使多種癌細胞的存活率降低,遷移和侵襲能力減弱及腫瘤生長減慢。研究發(fā)現(xiàn),免疫調(diào)節(jié)藥物IMiDs可誘導(dǎo)包括SALL4A在內(nèi)的超過11種鋅指蛋白的降解。沙利度胺作為一種IMiDs,通過與E3泛素連接酶中的Cereblon (CRBN)結(jié)合,能夠促進ZFC2 C2H2結(jié)構(gòu)域上SALL4A的泛素化和降解[67]。
藥物重定位是指從現(xiàn)有藥物中發(fā)現(xiàn)對SALL4有抑制作用的藥物,也稱老藥新用,優(yōu)點在于候選藥物的結(jié)構(gòu)、生物活性及安全性已知,降低了開發(fā)和臨床試驗的成本[60]。Tan等[49]采用高通量篩選方法從1597個合成化合物和21575個天然化合物中篩選出對SALL4有抑制作用的化合物,得分最高的是氧化磷酸化抑制劑寡霉素。寡霉素是ATP合酶抑制劑,在體內(nèi)外對SALL4高表達腫瘤細胞均有抑制作用,提示氧化磷酸化抑制劑可能用于高水平SALL4腫瘤的治療。此外,苦參堿和芹菜素、吲哚及其衍生物TFPHC等化合物已被證明可以抑制白血病細胞中SALL4的表達[68]。白花蛇舌草-半邊蓮組成藥可以通過下調(diào)SALL4表達,抑制結(jié)腸癌細胞的增殖、遷移、侵襲,進而誘導(dǎo)細胞凋亡[69]。
轉(zhuǎn)錄因子SALL4在胚胎發(fā)育、干性維持和腫瘤發(fā)生發(fā)展起著重要作用。本文對SALL4自身表達的調(diào)控因素進行探索,包括形成轉(zhuǎn)錄因子網(wǎng)絡(luò)、WNT信號通路的激活、miRNAs的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控、SUMO修飾、泛素化修飾以及啟動子區(qū)的低甲基化,都對SALL4在腫瘤中的異常表達起著關(guān)鍵作用。同時,本文也對SALL4發(fā)揮促癌功能的分子機制進行了匯總,SALL4通過基因轉(zhuǎn)錄和表觀遺傳水平調(diào)控參與腫瘤的發(fā)生、增殖和凋亡、遷移侵襲、腫瘤耐藥、腫瘤代謝、血管生成等生物學(xué)行為,從而促進腫瘤的發(fā)生發(fā)展。具體來講,SALL4通過調(diào)節(jié)DANCR、Bmi-1、CD44、HK-2、TGF-β、c-Myc和ABCB1等多種基因和Wnt/β-catenin、TGF-β/SMAD、EMT、糖酵解等多種信號途徑促進腫瘤進展。此外,多項研究表明SALL4通過上調(diào)c-Myc、ABCA3、ABCG2等基因的表達和激活A(yù)KT/mTOR信號通路促進子宮內(nèi)膜癌、急性髓系白血病和肺癌的耐藥性。同時,SALL4通過促進糖酵解參與腫瘤的代謝重編程,但具體機制需要進一步研究。SALL4在免疫逃避等腫瘤其他特征中的作用研究較少,值得進一步探討。SALL4在腫瘤組織和血清中高表達且與腫瘤患者生存期及不良預(yù)后顯著相關(guān),提示SALL4可能是腫瘤早期篩查、預(yù)后判斷和治療監(jiān)測的潛在標志物。采取有效手段抑制SALL4的表達可能是一種新的抗癌策略,抑制SALL4的蛋白-蛋白相互作用和其上游miRNA,以及使用抗SALL4 siRNA、shRNA都可以靶向抑制SALL4的表達,從而抑制腫瘤細胞的增殖和轉(zhuǎn)移。此外,氧化磷酸化抑制劑等現(xiàn)有藥物也表現(xiàn)出對表達SALL4的腫瘤細胞有抑制作用。這一證據(jù)有力地支持了SALL4作為癌癥診斷、治療靶點的重要性。深入研究SALL4異常表達的機制和下游通路及靶向SALL4在腫瘤中的治療效果以及臨床轉(zhuǎn)化,將為人類戰(zhàn)勝癌癥帶來新的希望。