CUX1及其分子調控機制在人類惡性腫瘤中的研究進展

謝 鋮，徐安琪，韓 磊，崔乃千，宋子彬，陳凱琪，楊薈平，楊宗霖，宋 燁

南方醫科大學1南方醫院神經外科，2第一臨床醫學院，廣東 廣州 510515

根據CA雜志發布的最新全球癌癥統計，2018年全球范圍內有1810萬癌癥新發病例和960萬癌癥死亡病例[1]；另據國家癌癥中心數據統計，2017年全國惡性腫瘤也有380.4萬新發病例[2]。面對惡性腫瘤的高發病率和高死亡率，尋找診斷惡性腫瘤的特異性分子標志物和有效治療靶點是迫切需要解決的問題。同源框CUT樣蛋白1（CUX1）在人體組織內廣泛的表達，在器官發育和細胞分化中有重要作用。研究發現CUX1在多種惡性腫瘤中表達上調，對腫瘤的發生發展起關鍵作用。隨著醫學界對CUX1的研究深入，CUX1與不同腫瘤的相關性及其調控機制更加清晰，CUX1的促癌和抑癌的表面矛盾也已經得到解決。本文將對CUX1的結構特點、生物功能、腫瘤相關性和作用機制4個方面的研究進展進行綜述。

1 CUX1的結構特點

CUX1基因定位于染色體7q22.1，一個在細胞內轉錄頻率很高的位點[3]。CUX1的表達產物廣泛分布于全身多種組織和細胞中，包括大腦皮層的神經元、肺上皮細胞、巨噬細胞和胸腺細胞等[4-5]。CUX1在腦組織中的表達量最高，值得注意的是它雖然在神經元中表達量很高，在膠質細胞中表達量卻很低[4]。

CUX1基因不但表達全長的蛋白-P200CUX1，還表達不同長度的亞型，引起廣泛注意的有P110CUX1和P75CUX1。有文獻報道了這兩種CUX1亞型的產生過程，CUX1基因轉錄后有全長的mRNA和較短的mRNA[6]。全長的mRNA翻譯過程中產生相對分子質量200的蛋白，即P200CUX1，而較短的mRNA在后續的翻譯過程中產生分子量75的蛋白，即P75CUX1。P200CUX1在蛋白水解酶L的作用下還產生相對分子質量110的蛋白，即P110CUX1[7]。

CUX1的不同亞型有不同的結構。P200CUX1包含4個進化保守的DNA結合域：即3個重復的CUT重復序列和1個切割同源域（CR1-CR2-CR3-HD）[8]，同時全長蛋白的NH2端含有抑制DNA結合的自抑制域，所以P200CUX1與DNA不能穩定結合[9-10]；P110CUX1包含最后2個CUT重復序列和1個切割同源域（CR2-CR3-HD），與DNA穩定結合，是重要的轉錄因子；P75CUX1只包含1個CUT重復序列和1個切割同源域（CR3-HD），與DNA結合最穩定，也是重要的轉錄因子[3,7,10]。

2 CUX1的生物功能

CUX1在人體大部分細胞中普遍表達，有文獻報道CUX1在肺上皮、毛囊、神經和腎臟等器官發育中有著重要作用[5,11-12]。有動物研究表明CUX1純合子全敲除是致命的，基因敲除小鼠不能活到斷奶的年齡，在不同器官表現出異常表型，包括卷曲胡須和生長遲緩、肺上皮分化延遲、毛囊發育不良、男性不育、成纖維母細胞有更長的G1期而增長緩慢，B細胞以及T細胞成倍的減少，但是髓樣細胞增生可以在骨髓、脾臟、外周血都觀察到[13-15]。

CUX1不同亞型的分子和生物學功能有顯著差異。P200CUX1與P110和P75相比不能與DNA穩定地結合也不能作為經典的轉錄因子起作用，但是P200CUX1具有堿基切除修復功能[15]；P110CUX1和P75CUX1可以穩定地結合在DNA上發揮轉錄因子的作用，過表達和抑制表達CUX1的體外實驗發現CUX1可以促進部分基因轉錄或者抑制部分基因轉錄起到調節作用從而顯著影響細胞周期過程[16-17]和細胞運動過程[18]等。染色質免疫共沉淀實驗證明P110和P75CUX1轉錄因子的作用分為直接和間接兩種影響方式[10,18-19]。雖然P110CUX1在正常的細胞中也有堿基切除修復功能，但是在正常細胞P110CUX1含量是P200CUX1含量的1%～5%，所以不認為P110CUX1能產生實質性的修復功能[20-21]。對于P75CUX1，被發現DNA結合能力更加穩定，這一特性使得P75比P110成為更有效的轉錄因子[22]。

3 與CUX1基因密切相關的腫瘤

在髓系白血病中積累的證據指出CUX1可能是單倍體不足的抑癌基因，等位基因的缺失和突變是單倍體不足的兩個主要原因[7]，而越來越多的證據表明CUX1在乳腺癌、肺癌、胰腺癌、膠質瘤、胰腺神經內分泌腫瘤和前列腺腫瘤等多種惡性腫瘤中存在mRNA水平和蛋白水平的表達升高的現象，同時在癌旁組織中不表達或低表達[22-28]；此外，CUX1基因的拷貝數也比其它正常組織高[7]。分子生物學證據表明CUX1在不同腫瘤中發揮促癌或抑癌的作用可能是因為其在腫瘤發展各階段有不同的影響，也和CUX1短亞型的表達量相關。

3.1 CUX1與骨髓異常增生及髓系白血病

早期研究關注到7號染色體缺失顯著發生在各種腫瘤中，14%的成人和30%的兒童骨髓異常增生綜合征（MDS）中7號染色體缺失[29-30]。7號染色體缺失出現在33%的幼粒單核細胞白血病和14%的慢性粒單核細胞白血病，幼粒單核細胞白血病和慢性粒單核細胞白血病都屬于骨髓增生異常/骨髓增生性的重疊腫瘤[31]。

盡管7號染色體的缺失對診斷MDS和髓系白血病有明確的臨床意義，但是7號染色體上的關鍵基因還不明確[31-32]。Mcnerney等[36]報道23位白血病患者中有11位存在7號染色體22號位點（CUX1基因位置）的丟失，在基因矩陣中CUX1基因與其他基因相比，轉錄失活與單倍體缺失有明顯相關性。RT-PCR結果也顯示7號染色體缺失的白血病樣本中CUX1的轉錄率有46.3%～20.2%，7號染色體22號位點缺失的白血病樣本中CUX1的轉錄與其他樣品相比有45.8%～4.7%。人類急性粒細胞白血病細胞系包括Kasumi-1、K562、UoCM1-7、Mono7-7、KG-1與Hela細胞相比，P200CUX1蛋白的表達水平低于50%。Wong等[33]對2519例髓系惡性腫瘤樣本的CUX1突變狀態進行meta分析，揭示了其與生存不良相關的破壞性突變，凸顯了CUX1缺失的臨床意義。

不同的科研團隊構建了CUX1基因敲出模型，探索CUX1與MDS及白血病的關系。Sinclair等[13]通過基因靶向技術構建的CUX1純合子突變的小鼠模型，小鼠出生后死亡或2～3周內死亡；流式細胞技術檢測胸腺中胸腺細胞減少和CD4+及CD8+的T細胞丟失，骨髓中B細胞減少2～3倍。與淋巴細胞減少相反，骨髓細胞異常增生在骨髓、脾臟、外周血都可以觀察到。Wong等[33]使用轉座子介導插入突變的構建的小鼠和果蠅癌癥模型驗證CUX1是一種單倍體不足的腫瘤抑制因子。An等[34]用ShCUX1構建的CUX1劑量表達模型（中表達量約54%，低表達量約12%）表明CUX1通過劑量效應控制MDS的嚴重程度和小鼠死亡。

在CUX1的作用機制研究中，有學者[33-34]都驗證了CUX1單倍體不足可以增強PI3K信號；Siclair等[13]證明CUX1促進腫瘤壞死因子的釋放，影響組織中腫瘤微環境，尤其是胸腺。

所以，在MDS和髓系白血病研究中有大量的證據表明CUX1是個單倍體不足的抑癌基因，但是也有證據表明傳統的CUX1敲除可能有意想不到的選擇性剪切，高表達其他亞型的CUX1促進白血病的發生[36,13,34]。有研究意外發現穩定高表達P75CUX1的轉基因乳腺癌老鼠模型發生骨髓異常增生，有33%死亡[35]。目前其他亞型CUX1與白血病的研究證據不足。

3.2 CUX1與乳腺腫瘤

有團隊對CUX1和乳腺腫瘤的關系做了大量的工作。已有研究發現7q22的單倍體丟失與腫瘤類型或等級、ER或PR表達、淋巴結狀態或發病年齡之間無相關性，只和腫瘤大小之間存在相關性[36]。另有研究表明，剩余的CUX1單體不存在突變并且存在轉錄產物的增加[7,36]。所以7q22處CUX1的丟失可能是腫瘤發展的早期事件，并且很可能與腫瘤進展無關。

有研究通過Rt-Pcr驗證CUX1長短兩種mRNA在14例乳腺腫瘤和多種乳腺癌細胞系中高表達，細胞系包括MCF-10A、MCF-7、MPA-231、BT-20、MDA-231、MDA-436、T-47D、Sk-Br-3、ZR-75-1等，P75CUX1的mRNA在正常乳腺組織不表達或微表達[22]。研究還發現P75和P110 CUX1高表達促進乳腺腫瘤的發生 進 展[18,22-23,37]： 通 過 慢 病 毒 構 建 的 穩 定 高 表 達P75CUX1的細胞系在膠原中發現無法形成正常的小管而聚集成球[22]；通過小鼠乳腺癌病毒啟動子序列構建的高表達P75或P110CUX1的轉基因老鼠模型表明P75或P110CUX1轉基因老鼠在20.5月中乳腺腫瘤發生率為20%和12%，但是野生型只有3%[23]；高表達P75的轉基因老鼠乳腺腫瘤發生了肺轉移，表現出更加浸潤分散的生長模式[23]。同樣地，高表達和敲除CUX1的體外實驗都證明P75或P110CUX1可以影響乳腺腫瘤的上皮間質化（EMT）過程，促進乳腺腫瘤細胞的遷移和侵襲[19]。

許多機制研究發現，P110CUX1和P75CUX1是重要的轉錄因子調控乳腺癌的遷移和侵襲。染色質免疫共沉淀實驗表明P110CUX1結合在不同基因的啟動子序列直接促進Vimentin、N-cadherin、Snail、Slug的轉錄，抑制E-cadherin、Occludin的轉錄[18]；P75或P110CUX1都可以結合Wnt基因的啟動序列，激活Wnt/β-catenin通路促進EMT過程[18-19]。Burton等[28,38]進一步解釋了蛋白水解酶L促進P200CUX1水解產生P110CUX1促進乳腺癌EMT過程。此外，TGF-β激活CUX1表達促進乳腺癌的浸潤生長[28]。

除了研究P75和P110 CUX1在乳腺腫瘤中的發揮轉錄因子的作用外，有研究還提出P200在乳腺腫瘤中促進堿基切除修復：持續的RAS激活使得腫瘤細胞中活性氧升高損傷DNA導致細胞衰老。CUX1和8-羥基鳥嘌呤DNA糖苷酶（OGG1）都可以促進DNA的堿基切除修復，P200CUX1也可以激活OGG1酶活性間接促進修復幫助乳腺腫瘤存活[15]。Chen等[39]的研究還證明CUX1促進乳腺腫瘤細胞系分泌纖維生長因子1和肝細胞生長因子，在調控腫瘤微環境和促進血管生成中發揮作用。

所以，CUX1的失活可能與乳腺腫瘤的發生有關，而CUX1不同亞型的高表達極大的促進乳腺腫瘤的發展，與增殖、遷移、侵襲、抗凋亡等多個方面相關。

3.3 CUX1與肺癌

Wang等[24]通過40例非小細胞肺癌（NSCLC）和39例癌旁組織的免疫組化結果發現P75CUX1在非小細胞肺癌中顯著高表達，而且通過體外實驗證明CUX1促進了細胞遷移侵襲和EMT相關蛋白表達。

在機制研究方面Wang等[24]提到CUX1是TGF-β的下游，而且P75CUX1又促進TβR-1的表達正反饋調節TGF-β信號通路；另有研究通過攜帶Kras突變、CUX1高表達、Kras突變聯合CUX1高表達的三種不同的慢病毒感染小鼠肺部，發現CUX1與Kras突變協同促進肺癌形成[15]；Wang等[40]的研究也發現Kras突變通過激活P110CUX1形成促進肺癌EMT過程

3.4 CUX1與胰腺癌

Patrick Michl博士的團隊在研究CUX1對胰腺癌發生發展的影響做了大量的工作。2005年25個胰腺癌標本的免疫組化結果表明CUX1在胰腺癌中高表達，且CUX1的表達量與胰腺癌的級別和浸潤程度呈正相關[25]。MiaPaca2、PANC1、HT1080、Imimpcl等胰腺癌細胞系的體外實驗表明CUX1的敲除抑制細胞的增殖、遷移和侵襲[26]；體外和體內實驗的數據證明CUX1是胰腺癌體內和體外存活的重要因子，抑制CUX1使藥物誘導的細胞凋亡增加，反之過表達可抑制細胞凋亡[41]。

在CUX1調控胰腺癌的機制研究結果表明，TGF-β激活CUX1表達促進胰腺癌的遷移，侵襲和EMT過程[25]；PI3K/AKT通路誘導CUX1表達[41]；Wnt5A和谷氨酸受體是CUX1促進轉錄的下游靶點[26,42-43]。

CUX1不但在胰腺癌中高表達，在胰腺癌組織中的巨噬細胞（ATM）里也是高表達；在ATM中CUX1下調NF-kB相關趨化因子，CUX1在腫瘤微環境中發揮拮抗T細胞，增強血管生成的作用[44]。

3.5 CUX1與膠質母細胞瘤

有研究通過免疫組化檢測150個膠質母細胞瘤標本，結果表明CUX1不同亞型（P200，P110，P75）在膠質母細胞瘤中的表達量比正常腦組織和癌旁組織高[8]。體內和體外實驗證明P200CUX1通過增加脫嘌呤脫嘧啶核酸內切酶1（APE1）活性，促進修復因替莫唑胺治療或放療引起的DNA損傷[8]。此外，Fei等[45]的體外實驗證明P110CUX1可以促進膠質母細胞瘤細胞的遷移侵襲和EMT相關蛋白的表達。

3.6 CUX1與其他腫瘤

有研究經分析證明了59例人胰島素瘤的組織芯片中CUX1的表達與胰腺神經內分泌腫瘤的臨床病理相關；研究表明內源性和重組CUX1的表達增加了胰腺神經內分泌腫瘤的增殖、生長、抗凋亡和血管生成的能力[27]。此外，研究發現CUX1在112例黑色素瘤組織中比24例內痣顯著高表達，色素瘤細胞系驗證了CUX1影響細胞周期和生長[46]。有研究還發現CUX1在胃癌耐藥細胞中表達量和DNA結合活性明顯降低，CUX1的表達量和DNA結合活性與細胞對藥物的敏感性呈正相關[47]。有學者通過36例肝癌及癌旁組織的Western-blot及RT-PCR分析和136例標本中的免疫組化分析，證實在肝細胞癌組織中CUTL1mRNA及蛋白表達明顯增加，而且CUX1在腫瘤多發、腫瘤直徑大、有血管侵犯及高的Edmondson分級患者中明顯表達增多[48]。

4 CUX1在腫瘤發生發展中的調控機制

CUX1在腫瘤發生發展的不同階段扮演著抑癌和促癌的不同角色。雖然CUX1的單倍體失活促進白血病和乳腺癌發生，但是CUX1過表達卻被證明促進乳腺癌、肺癌、胰腺癌和膠質瘤等惡性腫瘤的進展。結合CUX1的生物功能，CUX1調控腫瘤的機制有以下幾個方面：（1）CUX1失活促進腫瘤發生，CUX1過表達促進腫瘤發展：有研究發現許多腫瘤組織和腫瘤細胞系表現出CUX1單倍體失活和剩余等位基因拷貝數的增加同時發生。這些表明在同一腫瘤細胞中，一個等位基因的缺失和另一個等位基因的擴增可以是相繼發生的[7,34]。結合CUX1在乳腺癌和白血病的研究發現初始階段CUX1作為單倍體失活的抑癌基因促進腫瘤的發生，后續階段CUX1作為促癌基因促進腫瘤的發展[7,34-36]；（2）P110CUX1和P75CUX1作為重要的轉錄因子控制惡性腫瘤關鍵基因的表達：P75和P110CUX1通過結合相關基因特定的啟動子區影響轉錄或者激活其他轉錄因子兩種方式直接或間接調控關鍵基因的表達[18-19,22,24,26,57]；（3）P200CUX1特殊的CUT重復序列促進DNA損傷修復：CUX1增強DNA修復相關的酶活性，如OGG1和APE1[8,15]；（4）CUX1參與信號通路轉導：腫瘤研究顯示CUX1參與TGF-β通 路[28]， Wnt/β-catenin通 路[18-19,26,42-43]， PI3K/Akt通路[34,37,41]，Ras激活通路[15,40-41]等；（5）CUX1影響腫瘤微環境：抑制巨噬細胞釋放趨化因子，促進血管生成，促進癌細胞和周圍細胞釋放分泌纖維生長因子1、肝細胞生長因子、腫瘤壞死因子和金屬蛋白酶[39,44,58]。

5 小結與展望

隨著研究的拓展和深入，CUX1蛋白及其亞型的表達可以用于鑒別診斷更多種腫瘤的惡性表型，而且CUX1有望成為多種惡性腫瘤診斷和治療的新靶標。CUX1的調控機制獨特，依賴于腫瘤發生發展的不同階段。因此，CUX1為研究惡性癌癥的發生發展過程提供了新的方向和思路，可以預測的是CUX1在不同腫瘤中的作用將成為新的研究熱點和趨勢。在未來的研究中更詳細的CUX1上下游調控靶點和更多的腫瘤基礎研究數據還有待證明。同時，推動CUX1相關臨床研究的進展，早日獲得循證醫學的支持，才能福祉于腫瘤患者。