鋅指蛋白家族的轉(zhuǎn)錄調(diào)控模式及其對腫瘤細(xì)胞發(fā)展進(jìn)程的影響

張文武，肖斌，宋筱羽，孫朝暉，李林海

(1.廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第六醫(yī)院，清遠(yuǎn)市人民醫(yī)院 檢驗醫(yī)學(xué)部，廣東 清遠(yuǎn) 511500；2.廣州中醫(yī)藥大學(xué)，廣東 廣州 510010；3.中國人民解放軍南部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院 檢驗科，廣東 廣州 510010)

轉(zhuǎn)錄因子(transcription factor,TF)通過識別特定DNA序列調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因轉(zhuǎn)錄，在基因表達(dá)、細(xì)胞分化發(fā)育、自噬、代謝和凋亡等進(jìn)程中發(fā)揮重要作用[1]。TF活性是影響基因表達(dá)的“關(guān)鍵開關(guān)”，TF的突變與腫瘤發(fā)生密切相關(guān)[2]。真核生物中的主要TF家族包括C2H2-鋅指(C2H2-zinc finger,ZF)、同源結(jié)構(gòu)域(homeodomain)、堿性螺旋-環(huán)-螺旋(basic helix-loop helix,bHLH)、堿性亮氨酸拉鏈(basic leucine zipper,bZIP)以及核激素受體(nuclear hormone receptor,NHR)等[1]。其中鋅指蛋白(zinc-finger proteins，ZFPs)家族作為最大的TF家族，參與多種生物學(xué)進(jìn)程，近年來已有眾多研究發(fā)現(xiàn)其在腫瘤的發(fā)展進(jìn)程中具有重要作用。本文作者綜述ZFPs家族在腫瘤細(xì)胞中的主要轉(zhuǎn)錄調(diào)控模式，及其對腫瘤發(fā)生發(fā)展的影響，同時也對研究ZFPs轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制所面臨的困境和解決方法展開了討論，以期相關(guān)研究人員能夠更充分、全面地了解ZFPs家族在腫瘤細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控模式，為進(jìn)一步研究特定家族成員在具體腫瘤中的作用奠定了基礎(chǔ)。

1 ZFPs家族結(jié)構(gòu)分類

ZFPs是人類基因組中最大的TF家族，由2%的人類基因參與編碼，是含有鋅指結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的總稱。根據(jù)ZFPs的結(jié)構(gòu)可將其分成8類，包括C2H2型、塞結(jié)狀鋅指(gag knuckle)型、高音譜號鋅指(treble clef)型、帶狀鋅指(zinc ribbon)型、Zn2/Cys6鋅指型、類TAZ2型鋅指(TAZ2 domain-like)型、鋅離子結(jié)合短環(huán)鋅指(short zinc-blinding loops)型和金屬硫蛋白鋅指(metallothioneins)型[3]。

C2H2型是成員數(shù)量最多的ZFPs[4]，主要參與DNA的識別與修復(fù)、RNA包裝、細(xì)胞凋亡調(diào)節(jié)、信號傳導(dǎo)、細(xì)胞遷移以及轉(zhuǎn)錄調(diào)控等生物學(xué)過程[5-9]。C2H2型ZFPs除了包含鋅指結(jié)構(gòu)域外，還可能有Broad-Complex，Tramtrack，and Bric-a-brac/poxvirus and zinc finger(BTB/POZ)，Krüppel-associated box(KRAB)和SRE-ZBP，CTfin51，AW-1 and Number 18 cDNA(SCAN)等結(jié)構(gòu)域。這些結(jié)構(gòu)域可能選擇性結(jié)合DNA序列或招募其他細(xì)胞組分形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物，從而調(diào)控亞細(xì)胞定位、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)。

2 ZFPs家族參與的轉(zhuǎn)錄調(diào)控模式及對腫瘤的影響

2.1 直接與靶基因啟動子區(qū)域結(jié)合

TF大多具有兩個基本的功能域：DNA結(jié)合域(DNA-binding domain，DBD)和轉(zhuǎn)錄激活域(transcription-activating domain，TAD)。TF可通過DBD直接或間接結(jié)合至啟動子區(qū)域，常見的DBD包括：鋅指結(jié)構(gòu)、螺旋-轉(zhuǎn)折-螺旋(helix-turn-helix，HTH)結(jié)構(gòu)、堿性亮氨酸拉鏈(ZIP)結(jié)構(gòu)以及bHLH結(jié)構(gòu)[10-11]。ZFPs通過鋅指結(jié)構(gòu)直接識別并結(jié)合至靶基因啟動子區(qū)域，以調(diào)控下游基因表達(dá)[11-12]。

C2H2型ZFPs是最大的ZFPs家族，ZNF384、ZNF692及ZNF703都具有典型的C2H2結(jié)構(gòu)域。ZNF384在人體多種組織中廣泛表達(dá)且高度保守。He等[13]研究表明，在肝癌中敲低ZNF384能夠抑制Cyclin D1的表達(dá)，阻斷肝癌細(xì)胞從G1期進(jìn)入S期，影響肝癌細(xì)胞的增殖；雙熒光素酶報告基因?qū)嶒炞C實，ZNF384能夠靶向CyclinD1的啟動子區(qū)域并上調(diào)Cyclin D1的表達(dá)，進(jìn)而發(fā)揮促癌作用。ZNF692，又稱ZFP692或AREBP，位于染色體1q44[14]。在宮頸癌細(xì)胞中，ZNF692直接結(jié)合至p27kip1啟動子區(qū)域(815～1 022 bp)，從而促進(jìn)宮頸癌細(xì)胞的侵襲能力[15]。ZNF703是NET/NIz家族成員之一，位于染色體8p11.23，由6個保守結(jié)構(gòu)域組成，其中3個已知結(jié)構(gòu)域為C2H2型鋅指結(jié)構(gòu)域、SP(spacer)結(jié)構(gòu)域和BTD(round head box)結(jié)構(gòu)域，主要分布于細(xì)胞核[16-18]。在肝癌細(xì)胞中，ZNF703可直接與CLDN4基因啟動子結(jié)合，激活CLDN4的轉(zhuǎn)錄及表達(dá)，從而誘導(dǎo)肝癌的上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial to mesenchymal transition,EMT)進(jìn)程以及索菲拉尼耐藥[19]。

KRAB型結(jié)構(gòu)域是C2H2型ZFPs最典型的結(jié)構(gòu)域[20-22]。ZNF471為C2H2型KRAB類ZFPs，位于染色體19q13。ZNF471已被證實在胃癌、乳腺癌、食管鱗癌等多種腫瘤中發(fā)揮抑癌作用[23-25]。在食管鱗癌中，ZNF471通過直接與MAPK10/JNK3啟動子結(jié)合并促進(jìn)其轉(zhuǎn)錄激活MAPK10信號及其下游效應(yīng)因子，從而促進(jìn)食管鱗癌細(xì)胞的凋亡和抑制細(xì)胞生長[23]。Kruppel 樣鋅指轉(zhuǎn)錄因子6(Kruppel like factor 6,KLF6)也是KRAB類ZFPs，在多種腫瘤中作為腫瘤抑制因子發(fā)揮作用[26-27]。研究表明,KLF6在腎透明細(xì)胞癌中的表達(dá)水平與E2F1呈負(fù)相關(guān)，進(jìn)一步研究證實 E2F1是KLF6的直接靶基因，KLF6直接與E2F1的啟動子位點(-485/-468)結(jié)合并下調(diào)E2F1表達(dá)，從而抑制腎透明細(xì)胞癌轉(zhuǎn)移[27]。ZNF251同樣具有KRAB結(jié)構(gòu)域[28]，是肺硬化性肺細(xì)胞瘤中常見的體細(xì)胞突變基因之一[29-30]。有研究證實，ZNF251能夠直接靶向雙特異性磷酸酶DUSP6啟動子區(qū)域，抑制DUSP6的表達(dá)；低表達(dá)DUSP6介導(dǎo)了細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinase,ERK)的磷酸化修飾，激活ERK信號通路，從而促進(jìn)肺癌的發(fā)生發(fā)展[29]。

以上研究均表明ZFPs能夠依靠自身鋅指結(jié)構(gòu)直接結(jié)合靶基因啟動子，進(jìn)而發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用，這是ZFPs最常見且最重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)控方式。

2.2 形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物

TF可通過募集其他因子形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物，與靶基因啟動子區(qū)域結(jié)合，影響下游基因的表達(dá)，從而發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用。ZFPs的鋅指結(jié)構(gòu)域、KRAB結(jié)構(gòu)域、SCAN結(jié)構(gòu)域和BTB/POZ結(jié)構(gòu)域能夠協(xié)助ZFPs同其他因子結(jié)合以發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用。

ZNF750位于染色體17q25.3，由氨基末端1個非典型的C2H2鋅指序列和兩個高度保守的PLNLS組成，其在食管鱗癌、宮頸癌、乳腺癌等惡性腫瘤中發(fā)揮抑癌基因作用[31-33]。Cassandri等[31]發(fā)現(xiàn)，ZNF750通過招募組蛋白修飾物KDM1A和HDAC1至LAMB3和CTNNAL1啟動子區(qū)域，抑制LAMB3和CTNNAL1表達(dá)，進(jìn)而抑制乳腺癌細(xì)胞的遷移侵襲。

ZNF350(又稱ZBRK1)，是一種典型的KRAB型ZFPs，其NH2端含有高度保守的KRAB結(jié)構(gòu)域。ZNF350能夠與BRCA1形成復(fù)合物結(jié)合至GOT2的啟動子區(qū)域，抑制天冬氨酸生物合成酶GOT2的表達(dá)，從而抑制天冬氨酸和α-酮戊二酸的生成和乳腺癌細(xì)胞的增殖轉(zhuǎn)移[34]。此外，ZNF350還與BRCA1以及CtIP形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合物，并通過ANG1上游啟動子中ZNF350識別位點結(jié)合至ANG1的啟動子區(qū)域，協(xié)同抑制ANG1的表達(dá)，從而抑制乳腺腫瘤的生長[35]。ZNF774也是KRAB型ZFPs。在肝癌細(xì)胞中ZNF774通過招募NuRD形成轉(zhuǎn)錄抑制復(fù)合物，該復(fù)合物能夠特異性識別NOTCH2啟動子區(qū)域的GAGCCTG序列，強(qiáng)烈抑制NOTCH2的基因轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而中和NOTCH2介導(dǎo)的肝癌細(xì)胞增殖侵襲[20]。

總之，ZFPs通過不同的功能結(jié)構(gòu)域招募轉(zhuǎn)錄激活或轉(zhuǎn)錄抑制因子形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物，與靶基因啟動子結(jié)合并發(fā)揮轉(zhuǎn)錄激活或抑制作用，進(jìn)而影響基因表達(dá)。

2.3 調(diào)節(jié)啟動子區(qū)域甲基化

DNA甲基化是最早發(fā)現(xiàn)的修飾途徑之一。大量研究表明DNA甲基化能夠抑制基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，即DNA甲基化能夠關(guān)閉某些基因的活性，去甲基化則能誘導(dǎo)某些基因的表達(dá)[10,36]。而ZNF能夠識別DNA甲基化序列并調(diào)控靶基因甲基化[37]。

ZFP57是KRAB-ZFPs成員之一。在胚胎干細(xì)胞(embryonic stem cells,ESCs)中，ZFP57與DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferase,DNMT)1、3A和3B相互作用，調(diào)控DNA的甲基化水平。在乳腺癌細(xì)胞中，MEST是ZFP57的下游靶基因，ZFP57通過調(diào)節(jié)MEST啟動子區(qū)域甲基化抑制MEST的表達(dá)，抑制Wnt/β-catenin通路，進(jìn)而抑制乳腺癌細(xì)胞增殖[38]。

Wang等[39]發(fā)現(xiàn),在胃癌細(xì)胞中ZNF545因自身啟動子甲基化導(dǎo)致其表達(dá)下調(diào)，且ZNF545通過直接與rDNA啟動子區(qū)域結(jié)合，降低了rDNA啟動子區(qū)域的組蛋白第三亞基四號賴氨酸的三甲基化(H3K4me3)水平，同時招募共抑制復(fù)合物異染色質(zhì)蛋白1β(heterochromatin protein 1β，HP1β)共同抑制rRNA的轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而抑制胃癌細(xì)胞增殖并誘導(dǎo)凋亡。

DNA甲基化是腫瘤發(fā)生過程中的重要生物學(xué)現(xiàn)象。ZFPs既可通過自身甲基化導(dǎo)致其表達(dá)下調(diào)，也能通過影響靶基因啟動子區(qū)域DNA甲基化抑制其表達(dá)，進(jìn)而發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用。但ZFPs在腫瘤細(xì)胞中通過何種途徑介導(dǎo)自身或靶基因啟動子甲基化，目前尚沒有明確的研究報道。

2.4 與組蛋白相互作用

組蛋白的調(diào)控機(jī)制是決定基因表達(dá)程度的有效手段[10,40]。某些組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶(histone acetyltransferase,HAT)自身具有轉(zhuǎn)錄活性，可直接參與轉(zhuǎn)錄過程；TF也可通過招募組蛋白乙?；蛉ヒ阴；赣绊懟虮磉_(dá)。

ZNF322A是C2H2型鋅指轉(zhuǎn)錄因子。ZNF322A通過AP-1元件激活A(yù)DD1和cyclin D1的表達(dá)，同時招募組蛋白去乙?；?(HDAC3)至p53啟動子區(qū)域抑制p53表達(dá)，以發(fā)揮致癌基因作用[41]；ZNF322A亦可直接結(jié)合c-Myc啟動子并招募HDAC3，以抑制c-Myc的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)線粒體的氧化磷酸化和細(xì)胞運動，發(fā)揮維持肺癌干細(xì)胞特性的作用[42]。

組蛋白修飾包括乙?；?、甲基化、磷酸化、泛素化等過程。前期研究表明，ZFPs主要通過招募乙酰化/去乙酰化酶使組蛋白發(fā)生乙?；?去乙酰化，進(jìn)而影響染色質(zhì)轉(zhuǎn)錄活性。而ZFPs是否能夠調(diào)控組蛋白磷酸化、泛素化等修飾過程仍有待深入研究。

2.5 與靶基因的增強(qiáng)子結(jié)合

增強(qiáng)子(enhancer)是促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄的重要元件，能夠顯著增強(qiáng)其連鎖基因的轉(zhuǎn)錄效率。TF能夠識別并結(jié)合基因遠(yuǎn)端的增強(qiáng)子序列，通過DNA-蛋白質(zhì)相互作用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性，從而決定基因特異性表達(dá)[10-11,43]。

Wang等[16]利用ChIP-seq技術(shù)對ZNF703在卵巢癌細(xì)胞OVCAR3中的全基因靶位點進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)ZNF703與PEA15的增強(qiáng)子區(qū)域(染色質(zhì)1,160,199,305-160,199,593)結(jié)合；雙熒光素酶實驗證實ZNF703直接與PEA15增強(qiáng)子區(qū)域結(jié)合并上調(diào)PEA15的表達(dá)，從而促進(jìn)PEA15介導(dǎo)的卵巢癌細(xì)胞增殖轉(zhuǎn)移。

目前，關(guān)于ZFPs與增強(qiáng)子結(jié)合發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用的研究較少，但ZFPs家族作為基因組最大的TF家族，其中可能存在多種通過結(jié)合增強(qiáng)子發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用的成員，這仍需要我們不斷的去研究和發(fā)現(xiàn)。

3 總結(jié)與展望

ZFPs作為TF具有廣泛的生物學(xué)功能，在基因表達(dá)、細(xì)胞增殖、分化、衰老等生命過程中扮演著重要的角色，但其在腫瘤細(xì)胞中的調(diào)控機(jī)制以及對腫瘤發(fā)生發(fā)展的影響仍不明確，尚處于研究起步階段。

轉(zhuǎn)錄是細(xì)胞、組織、器官促進(jìn)和控制基因表達(dá)、細(xì)胞代謝、組織器官發(fā)育的主要調(diào)控程序[44]。在真核生物中存在多種不同的轉(zhuǎn)錄調(diào)控模式影響基因的表達(dá)。TF通過直接或招募共激活因子與啟動子結(jié)合，直接啟動下游基因表達(dá)；TF還可通過與增強(qiáng)子元件結(jié)合，調(diào)控鄰近或遠(yuǎn)端基因核心啟動子的轉(zhuǎn)錄；TF與組蛋白相互作用，導(dǎo)致組蛋白乙?；?、去乙酰化等進(jìn)程，從而促進(jìn)或抑制基因轉(zhuǎn)錄；DNA甲基化也能夠使某些基因失活，而去甲基化則能誘導(dǎo)基因重新活化及表達(dá)，抑癌基因啟動子甲基化導(dǎo)致基因失活也是腫瘤發(fā)生的一個重要因素?？梢?，基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控是一個多層次、多組分參與的極其復(fù)雜的生物學(xué)進(jìn)程。

同一TF在不同腫瘤中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控模式并非完全一致。例如在卵巢癌中，ZNF703可通過與靶基因增強(qiáng)子直接結(jié)合發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用，而在肝癌中ZNF703則直接與靶基因啟動子結(jié)合促進(jìn)肝癌的EMT進(jìn)程以及索菲拉尼耐藥[16,19]。另外，有些TF通過多種不同轉(zhuǎn)錄調(diào)控模式在多種腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程中扮演不同的角色。例如ZNF224已被證實具有癌基因和抑癌基因的雙重作用。在慢性粒細(xì)胞白血病中ZNF224可作為WT1的轉(zhuǎn)錄輔因子發(fā)揮促凋亡及抗增殖的作用，而在膀胱癌、肝癌及乳腺癌中ZNF224可通過招募DEPDC1形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合物發(fā)揮促癌作用[45-46]。轉(zhuǎn)錄調(diào)控是一個極其復(fù)雜的生物學(xué)進(jìn)程，導(dǎo)致同一ZFPs具有多種轉(zhuǎn)錄調(diào)控模式的原因除了其本身結(jié)構(gòu)多樣化外，細(xì)胞核內(nèi)的微環(huán)境也可能是重要的影響因素。此外，目前對于ZFPs在腫瘤中的研究大多數(shù)是致力于去尋找其下游靶基因，但對于ZFPs的上游探索目前研究的較少，是否存在一些因素能夠影響ZFPs進(jìn)而影響腫瘤的發(fā)生發(fā)展也是我們后續(xù)研究探索的一部分。

目前，開展ZFPs家族蛋白的轉(zhuǎn)錄調(diào)控模式及機(jī)制研究仍面臨很大的挑戰(zhàn)，而解決這些問題的關(guān)鍵是實驗技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。在TF與染色質(zhì)相互作用研究方面，除了傳統(tǒng)的免疫共沉淀測序(chromatin immunoprecipitation sequencing，ChIP-seq)，近年興起的染色質(zhì)靶向切割和標(biāo)簽化(cleavage under target &tagmentation，CUT&Tag)技術(shù)在實驗流程、靈敏度、信號分辨率、重復(fù)性和實驗結(jié)果可靠性以及細(xì)胞用量方面均具有明顯優(yōu)勢。此外，染色質(zhì)的空間折疊對基因表達(dá)同樣具有重要影響，在探索染色質(zhì)空間結(jié)構(gòu)方面，CUT&Tag可聯(lián)合高通量染色體構(gòu)象捕獲技術(shù)(high-throughput chromosome conformationcapture，Hi-C)等三維基因組學(xué)技術(shù)進(jìn)一步揭示復(fù)雜的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的空間結(jié)構(gòu)，從而為研究ZFPs對染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的影響提供了便利[47-50]。

相信隨著技術(shù)的不斷更新發(fā)展及相關(guān)研究的不斷深入，我們對ZFPs家族在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中的多轉(zhuǎn)錄調(diào)控模式必將有更加清晰的了解和認(rèn)知。