HOX基因與婦科腫瘤的研究進(jìn)展

畢琦玲 周立紅 綜述 韓毅敏 審校

HOX(Homeobox，HOX)基因是由183個(gè)核苷酸組成的保守序列，其編碼的61個(gè)氨基酸的多肽為同源結(jié)構(gòu)域。HOX蛋白是小分子蛋白，可在正常的胚胎發(fā)育中作為轉(zhuǎn)錄因子以及在胚胎的前-后軸形成中起到重要作用。HOX蛋白作為主調(diào)節(jié)器，可以激活或抑制其下游靶基因。大量的科學(xué)證據(jù)表明，許多對(duì)正常胚胎發(fā)育至關(guān)重要的基因的異常表達(dá)能夠?qū)е掳┳?。HOX基因的表達(dá)失調(diào)已報(bào)道于不同的實(shí)體腫瘤和白血病，其中一部分已被確認(rèn)為致癌過程的重要部分。在這個(gè)意義上，部分癌癥中HOX基因的改變可作為精確診斷和提示預(yù)后的生物標(biāo)志物，通過目前國(guó)內(nèi)外的研究可期待其作為治療癌癥的潛在靶點(diǎn)。本文主要總結(jié)了HOX基因在婦科腫瘤的發(fā)生發(fā)展中的作用，現(xiàn)報(bào)告如下。

1 HOX概述

HOX在人類基因組中分為4個(gè)基因簇，分別命名為HOXA、HOXB、HOXC和HOXD。在這4個(gè)基因簇中有39個(gè)基因，是生物發(fā)育、分化的主控基因。在早期胚胎的形成過程中起著關(guān)鍵的作用，例如在中樞神經(jīng)系統(tǒng)、中軸骨、胃腸道、外生殖器和肢體發(fā)育等。HOX基因所編碼的HOX蛋白是一類重要的轉(zhuǎn)錄因子。HOX轉(zhuǎn)錄因子維持和調(diào)節(jié)組織的干細(xì)胞庫(kù)，他們可以為組織修復(fù)和再生定向驅(qū)動(dòng)干細(xì)胞的分化[1]。在成人組織及其發(fā)展過程中，轉(zhuǎn)錄因子(HOX基因編碼的轉(zhuǎn)錄因子)調(diào)控著機(jī)體的機(jī)制，維持著細(xì)胞的健康。HOX蛋白家族通過提供必要的限定信息來控制機(jī)體正常的形態(tài)形成[2]。

2 HOX與腫瘤

腫瘤發(fā)生所涉及的信號(hào)通路失調(diào)是在器官發(fā)生和正常干細(xì)胞自我更新過程中所必需的途徑。相比較于正常組織，在癌癥中HOX基因的表達(dá)失調(diào)的機(jī)制主要有：(1)HOX基因高表達(dá)或重新激活；(2)HOX基因低表達(dá)或沉默；(3)改變時(shí)空激活的HOX基因表達(dá)。此外，在不同的腫瘤組織，HOX基因也呈現(xiàn)出不同的表達(dá)失調(diào)[3-4]。部分HOX基因的表達(dá)能夠促進(jìn)侵襲性腫瘤的各種特征，如DNA修復(fù)[5]、侵襲、遷移[6]和誘導(dǎo)血管生成[7]。因此，HOX基因的表達(dá)與癌癥患者的生存息息相關(guān)[8]。已有研究表明HOX基因在黑色素瘤[9]、頭頸部[3]、前列腺[10]、乳腺[11]、卵巢[12]和胰腺癌[13]等多種惡性腫瘤中異常表達(dá)。在大多數(shù)實(shí)體腫瘤類型中(除了卵巢癌)主要顯示HOXC基因的表達(dá)，尤其是HOXC4、HOXC9、HOXC11和HOXC13，而在實(shí)體瘤中最常見的激活基因?yàn)镠OXC9和HOXB13[4]。

2.1 HOX與宮頸癌

部分HOX基因高表達(dá)可影響宮頸癌的發(fā)生發(fā)展。使我們注意到了其在發(fā)病中的很多變化。如在宮頸鱗癌中，HOXC13表達(dá)增強(qiáng)并可通過組蛋白甲基化調(diào)控[14-15]。

宮頸癌的致病因素主要是高危型人類乳頭狀瘤病毒(Human papilloma virus，HPV)的持續(xù)感染[16]。感染HPV18的宮頸癌，若恢復(fù)HOXA9表達(dá)則顯著降低了癌細(xì)胞生長(zhǎng)、集落形成、代謝和細(xì)胞遷移[17]。與此相反，另有實(shí)驗(yàn)表明，與正常黏膜細(xì)胞相比，在喉鱗狀細(xì)胞癌中的HOXA9呈現(xiàn)高表達(dá)[18]。在宮頸癌病理進(jìn)展中HOXB2和HOXB13呈遞增表達(dá)，即在正常宮頸組織、CIN1、CIN2-3和宮頸癌中，HOXB2和HOXB13表達(dá)呈依次遞進(jìn)增加，同時(shí)其表達(dá)也與HPV感染呈正相關(guān)(即HPV感染陽(yáng)性組的表達(dá)高于HPV感染陰性組)[19]。與HPV陰性對(duì)照組比較，在宮頸癌中HOXA10，HOXA13，HOXB13，HOXC8，HOXC9，HOXC11和HOXD10的表達(dá)顯著改變。其中，HOXA10是成員中唯一表現(xiàn)出明顯低表達(dá)的，而其余均呈現(xiàn)高表達(dá)[20]。另有實(shí)驗(yàn)也表明[14，21-23]通過誘導(dǎo)上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(Epithelial mesenchymal transition，EMT)證明了HOX基因簇成員在促轉(zhuǎn)移中的作用。通過實(shí)時(shí)定量PCR確認(rèn)同一組樣本中HOX基因簇成員的表達(dá)水平，以及EMT標(biāo)記物的表達(dá)，即上皮細(xì)胞鈣黏蛋白(E-cadherin)和波形蛋白(Vimentin)。結(jié)果顯示，與HPV陰性對(duì)照組相比，宮頸癌病例中E-cadherin表達(dá)明顯減少，而Vimentin表達(dá)顯著增加[20]。該研究也表明，兩個(gè)EMT標(biāo)記物的表達(dá)與HOX基因簇兩個(gè)成員的表達(dá)相關(guān)，即HOXA10與E-cadherin呈正相關(guān)，與Vimentin呈負(fù)相關(guān)；HOXB13正好相反，其與E-cadherin呈負(fù)相關(guān)，與Vimentin呈正相關(guān)。

2.2 HOX與子宮內(nèi)膜癌(Endometrial cancer，EC)

EC細(xì)胞中HOXA10表達(dá)的增強(qiáng)可誘導(dǎo)細(xì)胞周期阻滯，降低癌細(xì)胞增殖活性。在這項(xiàng)研究中，其檢測(cè)到HOXA10作為一種新型的雌激素和孕激素應(yīng)答因子，不僅參與正常子宮內(nèi)膜的發(fā)展，而且促進(jìn)了子宮內(nèi)膜癌的腫瘤發(fā)展過程[24]。HOXA10和p21基因下調(diào)表達(dá)可促進(jìn)癌癥的發(fā)生發(fā)展，即子宮內(nèi)膜癌分化越差，HOXA10基因表達(dá)越低。

腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞(Tumor-associated macrophage，TAM)的廣泛浸潤(rùn)常預(yù)示某些惡性腫瘤預(yù)后不良，即乳腺癌、卵巢癌和子宮內(nèi)膜癌[25-27]。TAM可在子宮內(nèi)膜癌中通過誘導(dǎo)腫瘤血管生成和加速腫瘤轉(zhuǎn)移，促進(jìn)腫瘤進(jìn)展[28]。TAM-衍生的CXCL8(人細(xì)胞因子抗體陣列檢測(cè)TAM-衍生的細(xì)胞因子之一)可抑制雌激素受體α(Estrogen receptor-α，ERα)的表達(dá)，增強(qiáng)了腫瘤的侵襲[29]。有觀點(diǎn)認(rèn)為HOXB13作為轉(zhuǎn)錄因子起到了抑制ERα表達(dá)的作用[4]。TAMs通常聚積于癌巢并伴有CXCL8和HOXB13的高表達(dá)，以及ERα的低表達(dá)。HOXB13和TAMs、CXCL8、ERα之間相互作用促進(jìn)了EC的發(fā)展，若在未來研究中探索到這些因子的抑制劑或拮抗劑等，期待可開拓更好治療子宮內(nèi)膜癌的新手段。有趣的是在EC中靠近腫瘤的侵襲邊緣也可以看到波形蛋白(Vimentin)的高表達(dá)和上皮細(xì)胞鈣黏蛋白(E-cadherin)的低表達(dá)。

2.3 HOX與卵巢癌

在上皮性卵巢癌(Epithelial ovarian cancer，EOC)中HOXA4可通過抑制表皮生長(zhǎng)因子受體(Epidermal growth factor receptor，EGFR)而降低正常卵巢表面上皮(Ovarian surface epithelium，OSE)和上皮性卵巢癌(EOC)細(xì)胞的活動(dòng)性，引導(dǎo)細(xì)胞遷移。HOXA9的表達(dá)刺激了腫瘤發(fā)展，促使腫瘤細(xì)胞在腹膜表面種植[30-31]。癌癥的治療或許潛在調(diào)整了HOX基因的活性或其相互作用因素，例如細(xì)胞整合素(Integrins)和鈣黏素(Cadherins)，以此來降低EOC細(xì)胞的擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移[32]。

HOX基因的表達(dá)譜在鉑類耐藥細(xì)胞株和鉑類敏感細(xì)胞株也具有顯著的差異。PEO4(鉑類耐藥細(xì)胞株)中HOXB3和HOXB4基因的表達(dá)明顯高于PEO1(鉑類敏感細(xì)胞株)。PEO23(鉑類耐藥細(xì)胞株)相比于配對(duì)物-PEO14(鉑類敏感細(xì)胞株)也有一個(gè)相對(duì)高表達(dá)的HOXB4基因。根據(jù)細(xì)胞株基因表達(dá)數(shù)據(jù)，總體上鉑耐藥細(xì)胞株較正常和鉑敏感細(xì)胞株呈現(xiàn)HOX基因的高表達(dá)[33]。該課題組研究也表明在高級(jí)別漿液性EOC中HOXA13、HOXB6、HOXC13、HOXD1和HOXD13這五個(gè)基因的高表達(dá)提示患者預(yù)后較差。除了致癌作用，一些HOX基因也可作為腫瘤抑制基因。例如HOXA4的表達(dá)可阻斷卵巢癌細(xì)胞的擴(kuò)散，HOXC8與卵巢癌的進(jìn)展呈負(fù)相關(guān)[34]以及HOXC6基因和蛋白在漿液性卵巢癌患者中呈低表達(dá)等[35]。

通過對(duì)HOX基因的深入研究，期待能夠?qū)⑵渥鳛槟[瘤治療反應(yīng)的替代標(biāo)志物，指導(dǎo)在臨床對(duì)卵巢癌患者從腫瘤基因角度進(jìn)一步分類，以期在精確醫(yī)學(xué)、臨床試驗(yàn)、個(gè)性化臨床診斷和治療中可早期評(píng)估癌癥治療的療效。

3 HOX在癌癥治療中的指導(dǎo)與應(yīng)用

在癌癥治療中，腫瘤復(fù)發(fā)、耐藥、更換治療方案后腫瘤仍控制欠佳、再?gòu)?fù)發(fā)等導(dǎo)致患者疾病預(yù)后較差，生存期縮短。HOX基因(RNA水平)對(duì)一些惡性實(shí)體腫瘤如乳腺癌(HOXB7)[36]和卵巢癌[12]等可指導(dǎo)預(yù)后。HOX蛋白可通過結(jié)構(gòu)域與DNA結(jié)合，而這種綁定是相對(duì)不特定的(因?yàn)樗话阒话?個(gè)堿基對(duì)識(shí)別序列)。更大的特異性是由輔助因子的幫助結(jié)合，如前B細(xì)胞白血病同源盒(Pre-B-cell leukemia homeobox，PBX)。PBX基因在一些實(shí)體腫瘤中也過度表達(dá)，其與癌癥侵襲能力、遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移和總生存率等顯著相關(guān)。PBX3、HOXA7、HOXA9和HOXA11這四個(gè)基因在細(xì)胞遺傳學(xué)異常的AML(Cytogenetically abnormal AML，CA-AML)中已成為生存率差的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子。而PBX3與HOXA9經(jīng)常共同表達(dá)在CA-AML的不同亞型，或許HOXA9也可成為潛在的病理因子。

然而醫(yī)學(xué)科研發(fā)展的宗旨始終是以解決疾病為根本，我們需要更有效的藥物和手段緩解病痛和治愈癌癥。近年來一種被稱為HXR9的肽，因其可作為HOX/PBX結(jié)合的競(jìng)爭(zhēng)性拮抗劑，而越來越成為人們研究的焦點(diǎn)。已有實(shí)驗(yàn)證明HXR9能夠抑制一系列在小鼠異種移植模型的腫瘤生長(zhǎng)，如乳腺癌和卵巢癌等[37]。通過HXR9殺傷乳腺癌細(xì)胞株與HOX1-9基因的表達(dá)密切相關(guān)[38]。隨著聯(lián)合診斷在患者病情分類及個(gè)性化治療中日益突顯，其更有益于患者的靶向治療。以HOX/PBX抑制劑為主要作用機(jī)制的抗腫瘤藥物，可成為重要的臨床藥物。

目前已有一些研究HOX與化療藥物治療腫瘤的關(guān)系，如使小細(xì)胞肺癌多藥耐藥細(xì)胞的HOXA1基因表達(dá)(在經(jīng)阿霉素，順鉑或VP-16治療后)其增加了細(xì)胞凋亡以及降低了細(xì)胞周期阻滯[42]，表明HOXA1是與化療藥物有關(guān)的促凋亡和細(xì)胞周期調(diào)控因子；抑制HOXA10的表達(dá)可增強(qiáng)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤癌細(xì)胞對(duì)替莫唑胺(Temozolomide)治療的敏感性[5]。但是HOX基因與婦科腫瘤相關(guān)治療方面的研究卻報(bào)道不多，其可成為未來科研的努力方向。

4 小結(jié)與展望

目前，越來越多的科研人員研究HOX基因的表達(dá)、甲基化、移位或突變作為診斷、預(yù)后、轉(zhuǎn)移和治療反應(yīng)預(yù)測(cè)因子的新生物標(biāo)記物。HOX基因的潛力依然有很多未知，期待進(jìn)一步的研究能夠提供更有特異性和便捷性的診斷標(biāo)志物來方便診斷，同時(shí)能夠以此探索研發(fā)抗腫瘤的新藥物乃至攻克癌癥。

1 Deschamps J，Duboule D.Embryonic timing，axial stem cells，chromatin dynamics，and the Hox clock[J].Genes Dev，2017，31(14)：1406-1416.

2 Rux DR，Wellik DM.Hox genes in the adult skeleton：novel functions beyond embryonic development[J].Dev Dyn，2017，246(4)：310-317.

3 Platais C，Hakami F，Darda L，et al.The role of HOX genes in head and neck squamous cell carcinoma[J].J Oral Pathol Med，2016，45(4)：239-247.

4 Bhatlekar S，F(xiàn)ields JZ，Boman BM.HOX genes and their role in the development of human cancers[J].J Mol Med(Berl)，2014，92(8)：811-823.

5 Jin WK，Ji YK，Kim JE，et al.HOXA10 is associated with temozolomide resistance through regulation of the homologous recombinant DNA repair pathway in glioblastoma cell lines[J].Genes Cancer，2014，5(5/6)：165-174.

6 Darda L，Hakami F，Morgan R，et al.The role of HOXB9 and miR-196a in head and neck squamous cell carcinoma[J].PLoS One，2015，10(4)：e0122285.

7 Visconti RP，Awgulewitsch A.Topographic patterns of vascular disease：HOX proteins as determining factors?[J].World J Biol Chem，2015，6(3)：65-70.

8 Chang SL，Chan TC，Chen TJ，et al.HOXC6 overexpression is associated with Ki-67 expression and poor survival in NPC patients[J].J Cancer，2017，8(9)：1647-1654.

9 Piérard GE，Piérardfranchimont C.HOX gene aberrant expression in skin melanoma：a review[J].J Skin Cancer，2012，2012(24)：707260.

10 Luo Z，Rhie SK，Lay FD，et al.A prostate cancer risk element functions as a repressive loop that regulates HOXA13[J].Cell Rep，2017，21(6)：1411-1417.

11 Jin K，Sukumar S.HOX genes：Major actors in resistance to selective endocrine response modifiers[J].Biochim Biophys Acta，2016，1865(2)：105-110.

12 Kelly Z，Moller-Levet C，Mcgrath S，et al.The prognostic significance of specific HOX gene expression patterns in ovarian cancer[J].Int J Cancer，2016，139(7)：1608-1617.

13 Tsuboi M，Taniuchi K，Shimizu T，et al.The transcription factor HOXB7 regulates ERK kinase activity and thereby stimulates the motility and invasiveness of pancreatic cancer cells[J].J Biol Chem，2017，292(43)：17681-17702.

14 Marcinkiewicz KM，Gudas LJ.Altered epigenetic regulation of homeobox genes in human oral squamous cell carcinoma cells[J].Exp Cell Res，2014，320(1)：128-143.

15 Marcinkiewicz KM，Gudas LJ.Altered histone mark deposition and DNA methylation at homeobox genes in human oral squamous cell carcinoma[J].J Cell Physiol，2014，229(10)：1405-1416.

16 Van de Wall S，Nijman HW，Daemen T.HPV-specific immunotherapy：key role for immunomodulators[J].Anticancer Agents Med Chem，2014，14(2)：265-279.

17 Alvarado-Ruiz L，Martinez-Silva MG，Torres-Reyes LA，et al.HOXA9 is underexpressed in cervical cancer cells and its restoration decreases proliferation，migration and expression of epithelial-to-mesenchymal transition genes[J].Asian Pac J Cancer Prev，2016，17(3)：1037-1047.

18 Sun X，Liu B，Ji W，et al.The role of HOXA9 in human laryngeal squamous cell carcinoma[J].Oncol Res，2013，20(10)：467-472.

19 Gonzalez-Herrera A，Salgado-Bernabe M，Velazquez-Velazquez C，et al.Increased expression of HOXB2 and HOXB13 proteins is associated with HPV infection and cervical cancer progression[J].Asian Pac J Cancer Prev，2015，16(4)：1349-1353.

20 Saha SS，Chowdhury RR，Mondal NR，et al.Expression signatures of HOX cluster genes in cervical cancer pathogenesis：Impact of human papillomavirus type 16 oncoprotein E7[J].Oncotarget，2017，8(22)：36591-36602.

21 Zhang HY，Li JH，Li G，et al.Activation of ARK5/miR-1181/HOXA10 axis promotes epithelial-mesenchymal transition in ovarian cancer[J].Oncol Rep，2015，34(3)：1193-1202.

22 Yuan H，Kajiyama H，Ito S，et al.HOXB13 and ALX4 induce SLUG expression for the promotion of EMT and cell invasion in ovarian cancer cells[J].Oncotarget，2015，6(15)：13359-13370.

23 Zhai LL，Wu Y，Cai CY，et al.Overexpression of homeobox B-13 correlates with angiogenesis，aberrant expression of EMT markers，aggressive characteristics and poor prognosis in pancreatic carcinoma[J].Int J Clin Exp Pathol，2015，8(6)：6919-6927.

24 Zhang L，Wan Y，Jiang Y，et al.Upregulation HOXA10 homeobox gene in endometrial cancer：role in cell cycle regulation[J].Med Oncol，2014，31(7)：52.

25 Chen J，Yao Y，Gong C，et al.CCL18 from tumor-associated macrophages promotes breast cancer metastasis via PITPNM3[J].Cancer Cell，2011，19(4)：541-555.

26 Wen Z，Liu H，Li M，et al.Increased metabolites of 5-lipoxygenase from hypoxic ovarian cancer cells promote tumor-associated macrophage infiltration[J].Oncogene，2015，34(10)：1241-1252.

27 Kübler K，Ayub TH，Weber SK，et al.Prognostic significance of tumor-associated macrophages in endometrial adenocarcinoma[J].Gynecol Oncol，2014，135(2)：176-183.

28 Wang J，Cao Z，Zhang XM，et al.Novel mechanism of macrophage-mediated metastasis revealed in a zebrafish model of tumor development[J].Cancer Res，2015，75(2)：306-315.

29 Tong H，Ke JQ，Jiang FZ，et al.Tumor-associated macrophage-derived CXCL8 could induce ERα suppression via HOXB13 in endometrial cancer[J].Cancer Lett，2016，376(1)：127-136.

30 Ko SY，Naora H.HOXA9 promotes homotypic and heterotypic cell interactions that facilitate ovarian cancer dissemination via its induction of P-cadherin[J].Mol Cancer，2014，13(1)：170.

31 Ko S-Y，Naora H.Adaptation of ovarian cancer cells to the peritoneal environment：Multiple mechanisms of the developmental patterning gene HOXA9[J].Cancer Cell Microenviron，2014，1(6)：e379.

32 Miller KR，Patel JN，Ganapathi MK，et al.Biological role and clinical implications of homeobox genes in serous epithelial ovarian cancer[J].Gynecol Oncol，2016，141(3)：608-615.

33 Kelly Z，Moller-Levet C，Mcgrath S，et al.The prognostic significance of specific HOX gene expression patterns in ovarian cancer[J].Int J Cancer，2016，139(7)：1608-1617.

34 Lu S，Liu R，Su M，et al.Overexpression of HOXC8 is associated with poor prognosis in epithelial ovarian cancer[J].Reprod Sci，2016，23(7)：944-954.

35 Tait DL，Bahrani-Mostafavi Z，Vestal CG，et al.Downregulation of HOXC6 in serous ovarian cancer[J].Cancer Invest，2015，33(7)：303-311.

36 Jin K，Kong X，Shah T，et al.The HOXB7 protein renders breast cancer cells resistant to tamoxifen through activation of the EGFR pathway[J].Proc Natl Acad Sci U S A，2012，109(8)：2736-2741.

37 Kelly Z，Moller-Levet C，Mcgrath S，et al.The prognostic significance of specific HOX gene expression patterns in ovarian cancer[J].Int J Cancer，2016，139(7)：1608-1617.

38 Xiao F，Bai Y，Chen Z，et al.Downregulation of HOXA1 gene affects small cell lung cancer cell survival and chemoresistance under the regulation of miR-100[J].Eur J Cancer，2014，50(8)：1541-1554.