ID4基因的研究進展

馮 燕,李 薇,黨艷輝,,3,盧學春

(1.吉化集團公司總醫院 化療科,吉林 吉林132022;2.吉林大學第一醫院腫瘤中心,吉林長春130021;3.解放軍總醫院 老年血液科,北京100853)

癌基因的活化(如 ras基因、bcr-abl基因)或/和抑癌基因的失活(如P53基因、Rb基因)與腫瘤的發生密切相關。ID4基因是1994年Riechmann等首次從小鼠中分離鑒定的,發現該基因在胚胎發育的9.5d-13.5d是上調的,且在成人的腦、睪丸和腎臟器官高表達[1]。在1995年,人的ID4基因被成功定位在染色體6p21.3-p22,同時發現通過增強ID4蛋白的表達可以抑制肌酸激酶E-box增強子的活化作用。ID4在不同腫瘤和同一腫瘤的不同階段可能具有不同的作用,本文對ID4基因的研究現狀做一小結。

1 ID4基因的分子結構特點

ID4基因是堿性螺旋環螺旋轉錄因子(bHLH)的抑制因子,其編碼的ID4蛋白的HLH區域能調節各種bHLH的同源或異源二聚體,但由于缺少堿性DNA結合的區域因此不能序列特異性結合到DNA共同的E-box盒上調節轉錄功能,但卻可以與bHLH結合形成異二聚體,阻止了DNA與bHLH的結合從而形成轉錄失活,穩定這些堿性轉錄蛋白調節子二聚體,調節細胞的分化、增殖和凋亡。ID4基因啟動子區在-269-+10是ID4基因的核心啟動子區,是ID4基因啟動轉錄所必需的序列[2]。在5'側翼區的TATA盒下游具有兩個重要的功能元件調控ID4基因啟動子的活性。其中一個含有E-box盒的順式作用元件,能與包含Bhlh-zip上游刺激因子轉錄子(USF)結合,能使ID4激活;其二是位于轉錄起始位點下游的GA結合序列,它的突變可導致轉錄活性增加20倍。于力[4]等的研究結果推測在-454至-269區域存在增加啟動子活性的增強子結構;在+10和+276之間可能存在具有抑制活性的下游調控元件,具有抑制ID4表達的作用。盧學春[3]應用互聯網結合人類基因組等數據庫分析發現ID4基因在長度為l 300 bp的ID4啟動子區,存在多個順式結構,其中包括Spl、C-Myb、abaA、C/EBPalpha、GR、ERE 和Zeste 可能具有正向調控作用;而另外存在的 CCAAT—binding factor、GCF、wTl—KTS、HiNF-C和EGR2作用元件可能對其具有負向調控的作用[3]。

2 ID4基因的表達譜及表達調控機制

ID4基因蛋白編碼161個氨基酸,其啟動子區E-box盒順式作用元件能與包含Bhlh-zip上游刺激因子轉錄子(USF)結合,研究發現增加USF的表達可以激活E-box盒介導的啟動子的活化作用,從而使ID4的活性增加;而在共轉染實驗中發現ID4的表達抑制了bHLH介導的活化作用,并且發現與ID2啟動子相似,ID4啟動子的活化的調控是負反饋調節環。此外ID4轉錄的調控是受Sp1/Sp3正性和負性雙重調節。通常特異性β1糖蛋白(Sp1)被認為是細胞活病毒啟動子的激活劑,它的突變可以導致轉錄失活,Sp3通常被定義為是Sp1介導活化抑制劑,它同Sp1競爭的結合到相同的位點識別區,而最近有大量證據證明Sp3具有雙重功能,在啟動子中與同源DNA結合位點結合,可以調控Sp1介導的轉錄強度。在Riechmann的研究中發現應用凝膠電泳分析和果蠅轉染技術發現Sp1和Sp3是轉錄抑制因子,在ID4基因中Sp1/Sp3GA結合位點突變部分抑制ID4啟動子轉錄活性,這表明Sp1依賴的轉錄是受特殊的細胞周期調控蛋白影響的,據報道RB和P107活化或抑制Sp1依賴的轉錄,具有細胞類型依賴的特點,RB可以直接刺激Sp1從負性調節子中釋放活化。最近有報道證明Sp1通過抑制人腺嘌呤苷酸轉移酶(ANA)核心啟動子從而抑制了轉錄[5]。在ANA和ID4啟動子中,Sp1結合抑制序列位于TATAbox的下游,Sp1和Sp3與GA序列結合后使轉錄效率減低。因此Sp1和Sp3在TATAbox的下游結合,下調或改變轉錄活性及轉錄效率。Sp3是Sp1介導的活化抑制劑,它同Sp1競爭相同的結合位點,表明Sp3在單一結合位點上是活化劑,而在多重結合位點上是抑制劑,而總之ID4的轉錄調控是高度復雜的。

研究發現ID4蛋白在腦、甲狀腺和胚胎中表達豐富,在淋巴結及胚胎干細胞中也有低表達,而在腦腫瘤、甲狀腺濾泡瘤、乳腺癌中表達量高于正常組織[6]。近年來在腦腫瘤的研究中發現通過BMP信號抑制少突神經膠質前體細胞(OPCs)分化成熟為少突神經膠質細胞的一個可能的機制是ID4抑制olig1/2的活性。盡管ID4在少突膠質細胞前體細胞的再生中表達,但當OPCs分化成熟的時候其表達量進行性的降低。在OPCs中ID4過表達抑制少突神經膠質細胞分化,其表達的下調可以誘導體外過早分化。ID4在OPCs胞漿中結合olig1 and olig2阻止了 olig1 and olig2轉入到胞核內,因此阻止olig1 and olig2與靶DNA的結合。研究推測其另一個機制是BMP信號抑制成人OPC分化OL的機制,使olig1 and olig2的下調。過表達的olig1 and olig2可以翻轉BMP信號在OPC分化為少突膠質細胞(OL)的抑制作用,這進一步證明了BMP信號途徑通過下調olig1 and olig2阻止了OPC分化為OL。因此通過增加ID4的表達,使olig1 and olig2表達的下調、活性受抑,協同抑制OPC的分化,增加星形細胞生成[7]。在對乳腺癌的研究中發現,ID4被BRCA1相互調節的,兩者可以建立一個調節環,在研究初發乳腺癌和卵巢癌細胞中BRCA1和ID4蛋白表達的關系上發現其與初發浸潤性導管癌和卵巢腺癌高度相關,推測BRCA1和ID4調節環斷裂可能是許多乳腺和卵巢癌發生的分子途徑。而在睪丸支持細胞的研究中發現ID4mRNA在FSH和cAMP作用后表達上調;在分化的脂肪細胞中ID4可被胰島素、地塞米松等上調,在星形細胞中被cAMP上調,我們推測ID4基因的調節存在組織選擇性和特異性的bHLH轉錄因子的選擇性,與其相結合bHLH轉錄因子的種類和功能不同,ID4的作用也不同。

最近一項研究發現,ER增加引起Brca1上調,ID4表達減少.盧學春通過生物信息學分析總結了ID4表達調節相關的因素:ID4基因的表達存在正向和負向調控兩種作用,其中正向調控因素或物質包括:地塞米松、cAMP、全反式維甲酸、炎性物質白三烯(LTD4)、干擾素β和干擾素γ,負向調控表達的因素或物質包括:甲基化、ZVAD和1,25二羥維生素D3[3]。

3 ID4基因的功能

研究表明,ID4基因在腦腫瘤及甲狀腺濾泡瘤中表達增加,而在生殖系統、消化系和造血系惡性腫瘤中,由于啟動子區高度的甲基化而發生表達減低或沉默,因此在某種程度上其更傾向于抑癌基因。在腦腫瘤中發現,ID4通過下調細胞周期和分化控制,上調cycline E和活化notch1信號完成的,從而驅動星形細胞的惡變[8]。

2004年國際上首次報道了原發結腸直腸癌細胞系中ID4基因超甲基化失活,mRNA表達受抑,應用5-氮雜胞苷處理后可使其恢復。指出ID4是細胞分化的主要控制基因,ID4基因甲基化是結腸直腸癌一個不依賴于TNM分級和CRC分期的預后指標。隨后的研究證實,ID4啟動子區CpG島甲基化由cdc42誘導[9]。在其他的各種腫瘤(如膽管癌、前列腺癌、Barrett食管和食管癌)中,同樣也發現了ID4啟動子CpG島存在高度的甲基化的情況,這可能和腫瘤的預后及早期轉移有關。

在血液系統腫瘤中,我國學者于力[4]首次報道了ID4基因啟動子區的高度甲基化導致該基因沉默,與白血病的發生密切相關。隨后大量研究發現,在多種白血病細胞系中,ID4基因啟動子區因異常甲基化導致ID4基因表達受抑,這也許可以作為化療后及干細胞移植后疾病復發、檢測微小殘留病及評價血液病預后的指標[10]。在一項對非霍淋巴瘤患者的研究中,發現ID4啟動子區甲基化是非霍淋巴瘤易于骨髓浸潤的指示信號。但有趣的是,在分析ID4基因沉默對MEL細胞系的影響時發現,該基因的沉默顯著抑制了MEL細胞的增殖,而細胞的分化率提高了84倍,細胞的死亡率和凋亡率增加,但基因的沉默對促進分化占優勢,推測ID4可能是調控和保持分化的重要因子[11]。但目前卻有研究發現在t(6;14)(p22;q32)前體B細胞急性淋巴細胞白血病患者其ID4基因高表達,并且初步認為這群人對化療療效較好[14]。盡管這樣的病例較少,但值得重視。

在乳腺癌中,最初發現ID4可以下調人乳腺癌易感性相關基因Bral的表達,而Brcal同樣也調節ID4的表達,因此認為存在Brcal-ID4調節環。而在人乳腺癌中,該調節環的斷裂引起腫瘤的發生,可能是 ID4和Brcal的共調節增加ID4對乳腺上皮細胞的致癌作用。在PhIP(一種苯的類似物)誘導的乳腺癌小鼠模型中發現,ID4表達增加而brcal表達減低,因此作者認為該調節環未斷裂,認為ID4在鼠乳腺癌細胞中過表達的,而ID4過表達通過抑制乳腺上皮細胞分化,擴大細胞增殖引起乳腺癌的發生[12],據此推測ID4是乳腺癌的癌基因,并且將成為乳腺癌治療的靶點。但也有研究發現,ID4基因在特定的乳腺癌組織是不表達或低表達;ID4的超甲基化可以用作乳腺癌獨立于CRC分期及TNM分級的預后評分標準。近來一項研究發現是ID4基因啟動子區高度甲基化使ID4表達沉默,導致乳腺癌的發生,并且認為ID4基因的沉默是乳腺癌不利的預后因素,容易導致腫瘤早期淋巴結轉移[13]。

4 展望

ID4基因在不同腫瘤中的作用因具有異質性而備受關注。在腦腫瘤中似乎是明確的癌基因,而在消化系腫瘤中又被認為是抑癌基因,但在血液病和乳腺癌中目前卻出現了一些與以往研究不相符的結果。雖然ID4基因的沉默或表達下調可引起白血病的發生,但在伴有t(6;14)(p22;q32)B細胞急性淋巴細胞白血病和紅白血病中卻發現該基因表達量增加,而在乳腺癌中亦發現有些患者ID4基因表達增加而有些患者ID4表達減少或不表達。那么為什么在眾多一致的結果中會出現與其相悖的現象呢?我們有必要從該基因的分子結構本身、從與該基因相互作用的分子通路上、從該基因對細胞周期,細胞的增殖、分化和凋亡的水平、從該基因對不同類型細胞的調控中做進一步探討。從ID4基因的分子結構上看,因ID4含有HLH結構域,因此可以與具有HLH結構的bHLH、dnHLH及zip-HLH各種轉錄因子結合,因此是不是可以認為正是由于結合了不同類型的HLH而發揮不同的作用呢;從ID4基因的表達調控上看,ID4基因及與其相互作用的細胞因子是不是參與了細胞發育的不同過程,參與了不同的細胞通路,因此它在有些疾病中扮演了癌基因的作用而在有些疾病中又扮演了抑癌基因的作用;此外ID4作用是否具有組織或細胞特異性呢?它對某一類具有共同分子標志的細胞是調控其增殖的,而針對另一類細胞則是調控細胞的分化或者凋亡呢?此外我們有必要從細胞周期檢查點的方面進一步明確其對細胞周期的影響。因此對于ID4基因的表達及其功能需要進一步探討。

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