IRX1在腫瘤發生發展中的作用研究

涂艷陽，張鵬幸，張永生，王 樑

(第四軍醫大學：1唐都醫院實驗外科，2唐都醫院，3唐都醫院腦外科，陜西 西安 710038)

·述評·

IRX1在腫瘤發生發展中的作用研究

涂艷陽1，張鵬幸1，張永生2，王 樑3

(第四軍醫大學：1唐都醫院實驗外科，2唐都醫院，3唐都醫院腦外科，陜西 西安 710038)

易洛魁族同源盒(IRX)基因組成的含有轉錄因子家族的同源基因和蛋白在無脊椎動物和脊椎動物的胚胎組織中均有表達，它們參與動物各個器官的發育及生命活動的各個環節，是影響人和動物體生命活動的重要基因. 其中IRX1基因屬易洛魁家族同源盒基因，是一種與胚胎發育密切相關的基因，編碼參與神經系統發育的具有轉錄因子組合活性的家族蛋白,并在多種腫瘤的發生發展過程中起著重要的作用，可能是腫瘤形成的癌基因或者抑癌基因. 本文概述了IRX的基因組結構及其在不同種屬中的分型分類，并著重闡明了IRX1在腫瘤發生發展過程中的作用以及對后生動物發育過程的影響.

IRX1;腫瘤發生發展;原癌基因;抑癌基因;腫瘤標記物

0 引言

易洛魁家族同源盒(Iroquois homeobox, IRX)基因首先在果蠅的神經發育系統研究中被發現，因易洛魁族基因突變導致動物背部側面剛毛的形成缺失，僅留下中央一堆剛毛，使人聯想到與莫霍克族相似的美洲印第安人易洛魁族，因此用地名來命名IRX基因. IRX組成的含有轉錄因子家族的同源基因和蛋白在無脊椎動物和脊椎動物的胚胎組織中均有表達，它們參與動物各個器官的發育及生命活動的各個環節，是影響人和動物體生命活動的重要基因[1-3]. IRX1基因與無脊椎動物和脊椎動物的胚胎發育密切相關，并且編碼了參與神經系統發育的具有轉錄因子組合活性的家族蛋白[4],在多種腫瘤的發生發展過程中發揮著癌基因或者抑癌基因的重要作用[5-13]. 近年來，研究表明IRX1在頭頸部鱗狀細胞癌[5-6]、肺發育過程[7]及胃癌[8-11]中是抑癌基因，在骨肉瘤中作為一種促轉移基因[12]，而在原發性肝癌中發揮著癌基因的作用[13]. 此外，IRX1參與脊椎動物的肢臂發育[14-15]，并與脊椎后側凸的病因學相關[16]，暗示IRX1的異常表達可能會導致異常的骨形成.

本文概述了IRX的基因組結構以及在非脊椎動物果蠅和脊椎動物如人類、鼠、雞、斑馬魚、海豚魚等生物中的亞型分類；其次著重闡明了IRX1在多種腫瘤發生發展過程中的作用以及對后生生物發育過程的影響.

1 IRX的基因組結構

IRX基因家族成員編碼高度保守的同源結構域轉錄因子(Transcription factors, TFs)，并在無脊椎動物(果蠅)和脊椎動物(非洲爪蟾蜍、斑馬魚、雞和哺乳動物)的諸多發育過程中發揮基礎的“prepatterning”作用[4,17-18]. 典型的DNA結合同源域轉錄因子含有60個氨基酸殘基伴有3個α-螺旋[19]，而IRX蛋白含有一個非典型的同源域，在第一個和第二個α-螺旋中間存在3個額外的氨基酸，因此將它們歸于轉錄因子的3-氨基酸-循環-伸展(3-amino-acid-loop-extension, TALE)家族(圖1A)[20]. 此外，位于羧基端的TFs含有一個保守的序列Iro-box，由13個氨基酸殘基組成[21-22].

在無脊椎動物中，秀麗隱桿線蟲僅有一個Iro/Irx基因，果蠅130kb的基因組DNA上存在3個基因簇——araucan, caupolican和 mirror[2,23]；而在脊椎動物中,有6個Irx基因被鑒定并分為兩類：IrxA (Irx1, Irx2, Irx4)和IrxB (Irx3, Irx5, Irx6) (圖1B)，Irx1和 3, Irx2 和 5, Irx4 和 6分別為旁系同源基因. 另有研究表明IrxA和IrxB源自同一原始Irx簇的染色體復制事件[4，15，24-28].

哺乳動物小鼠基因組中，IrxA和IrxB分別定位在13號染色體25cM處和8號染色體43cM處，而在人類基因組上IrxA和IrxB分別定位在5p15.33和16q11.2-q13(圖1B)[28]. 在其他脊椎動物中如非洲爪蟾蜍中未發現完整的6個Irx基因，同樣直到2009年研究者們才在雞基因組中鑒定出第六個Irx基因片段[28-29]. 另外，斑馬魚基因組上存在11個Irx基因，除了獨立的zIrx7，其他基因分為IrxAa (Irx1a, 2a, 4a), IrxAb (Irx1b, 4b), IrxBa (Irx3a, 5a, 6a) 及 IrxBb (Irx3b, 5b)四簇，而且它們均由哺乳類生物Irx簇復制而來(圖1C)[25].

A.IRX蛋白結構示意圖; B.人、小鼠、雞、果蠅中IRX基因組結構示意圖；C.斑馬魚和海豚魚中IRX基因組結構示意圖；其中箭頭的方向和距離表示基因的方向及IRX基因在染色體上的大致定位

2 IRX1在后生動物發育過程中的作用

IRX1基因是IRX家族的成員之一，編碼具有核轉錄因子作用的蛋白. IRX編碼序列均含有一段由180～183個堿基組成的保守序列，該保守序列編碼的多臺區域被稱為同源結構域(homedomain)[21]. IRX1基因與胚胎發育的各個過程密切相關，它編碼了參與神經系統發育的家族蛋白[4]. 研究表明IRX1基因在胚胎前腸、趾、體壁、眼球及果蠅翅等器官發育中發揮著重要的作用[26]，并且參與前腸來源的肺芽和小支氣管發育[26]、心肌發育[30]、腎節段發育[31]等. 研究表明IRX1同源盒蛋白參與小鼠的胚胎形成過程，它早期表達在中胚層(E7.5)，隨后在神經管、中腦和眼(E8.5)，在腦發育過程中更是表達顯著(E10.5)，最后作用于指、趾、肺、心臟及腎臟的發育過程(E11.5-14.5)[26].

在后生動物發育過程中，IRX基因對組織和器官的區域化及形成有至關重要的意義，且有諸多研究表明IRX1在不同生物的后肢發育和形態發生過程中的基因表達模式[32]. 在人類、小鼠及雞的胚胎手板發育和形態發生過程中，IRX1和IRX2在指形成過程均有表達[15]. 在小鼠的肢臂發育過程中，IRX1表達發生在后肢縮合及未分化區域的遠側定界，隨后表達延伸到前肢，最后在預測的結合處可見[26]. 在雞胚胎肢發育過程中，IRX1的表達僅在腳趾處[15，32-33].

3 IRX1在腫瘤發生發展過程中的作用

腫瘤發生過程中IRX1基因失活主要是由等位基因缺失和啟動子甲基化共同作用的. 啟動子過甲基化及重要基因的轉錄缺失或失活是人類癌癥的主要致癌機制. 近年來，有研究表明IRX基因家族在多種腫瘤的發生發展過程中可能是腫瘤形成的癌基因或抑癌基因(表1).

表1 IRX1在腫瘤發生發展中的作用機制

3.1 IRX1在頭頸部鱗狀細胞癌中的作用 頭頸部鱗狀細胞癌(Head and neck squamous cell carcinoma, HNSCC)是一種侵襲性很高的癌癥. Bennett等[6,34]通過限制性標記的基因組掃描方法對HNSCC活檢整體甲基化分析，鑒定得到五種抑癌基因：SEPT9、SLC5A8、FUSSEL18、 EBF3、IRX1，甲基化程度介于27%～67%. 通過可用的臨床資料和動物標本，他們還發現IRX1甲基化程度與放療密切相關. 他們在頭頸部鱗狀細胞系過表達IRX1基因后發現細胞增殖和成瘤能力降低. 因此IRX1過表達似乎在HNSCC中有抑癌作用.

3.2 IRX1在胃癌發生發展中的作用 IRX1在胃癌細胞中表達顯著降低，且表達水平與其啟動子甲基化相關[8-11,35]. Guo等[8]的體內體外實驗證明恢復IRX1表達抑制胃癌細胞的增殖、遷移、侵襲及腫瘤發生. IRX1過表達腫瘤抑制作用機制與一系列靶基因BDKRB2, FGF7和HIST2H2BE有關，這些靶基因可以減少血管生成、細胞增殖及侵襲. 此外，在胃癌患者的周邊血液中檢測到IRX1甲基化，暗示IRX1可能作為胃癌診斷的標記物.

隨后Guo等[35]發現幽門螺桿菌感染的慢性胃炎中抑癌基因IRX1超甲基化，意味著IRX1甲基化是胃癌變的一個早期分子事件. 幽門螺桿菌感染誘導胃上皮細胞形態學改變的激活，伴隨著抑癌基因IRX1啟動子活性和基因表達的降低. 由于DNA甲基化是一個可逆的表觀遺傳事件，因此去除幽門螺桿菌結合去甲基化處理可能作為恢復IRX1活性的潛在策略.

Jiang等[10]提出在胃癌中IRX1可通過抑制BDKRB2依賴的血管生成或血管生成擬態來阻礙腹膜擴張及長距離轉移. 同時通過特異性RNAi干擾BDKRB2表達后，心血管生成顯著降低，說明BDKRB2可能是一種潛在的抗癌分子靶標.

3.3 IRX1在原發性肝癌發生發展中的作用 Yang等[13]研究發現肝癌組織中IRX1基因和蛋白的表達均明顯高于非癌對照組，且其表達量與腫瘤的分化程度相關，腫瘤分化程度越低，其表達量越高. IRX1在肝癌組織中的陽性表達率明顯高于非癌對照組，且伴隨著腫瘤分期增加和分化程度的降低，IRX1陽性率越高，表明IRX1可能參與調控原發性肝癌的發生發展過程. 因此預測IRX1可能作為判斷肝癌發生、檢測預后、分化程度以及隨訪治療的重要指標.

3.4 IRX1在骨肉瘤轉移過程中的作用 骨肉瘤是一種常見的骨腫瘤，伴隨著肺轉移傾向. Lu等[12]研究發現IRX1去甲基化激活CXCL14/NF-κB信號通路促進骨肉瘤肺轉移. 骨肉瘤患者的血清樣本檢測發現循環的DNA中IRX1去甲基化會降低無肺轉移的存活率. 綜上可知IRX1是一個促轉移基因，IRX1去甲基化可作為一個潛在的分子標記物用于檢測肺轉移，且IRX1活性的表觀遺傳逆轉有利于控制骨肉瘤轉移.

3.5 IRX1在白血病發生發展中的作用 在MLL-AF4陽性的急性淋巴細胞白血病屬于預后最差的一類白血病,該類白血病出現t(4;11)(q21;q23)染色體異常,形成MLL-AF4融合基因,對化療耐藥,即使移植后也容易復發,是血液病研究的焦點，近期研究表明IRX1可通過直接靶向HOXB4基因及間接靶向EGR基因激活兩者的轉錄活性，并從功能上抑制MLL-AF4，其中HOXB4通常作為c-KIT、WNT和TPO信號通路的下游靶基因，并對造血干細胞的維持和擴張是必不可少的；而EGR蛋白可控制p21蛋白依賴的沉默程序影響造血干細胞. 該兩種IRX1相關的活動可協助t(4;11)白血病細胞建立造血干細胞隔間[36].

3.6 IRX1在其他疾病發生發展中的作用 肺發育是間葉細胞上皮相互作用的一個高度調控過程，間葉細胞上皮相互作用整合多種調控因子在時間和空間表達對適宜的肺形成是必須的. IRX基因在果蠅及多種脊椎動物組織的肺發育過程中的作用已經被報道. Becke等[37]發現IRX1在早起的肺發育中表達；相關研究提出除草醚誘導的肺功能發育不全的早期肺癌發展過程中高表達[7,38-39].

另有研究表明IRX1是非洲爪蟾蜍前腎發育的不同階段必需的，且均有表達[31]；此外，IRX1mRNA在胰腺癌中表達下調并伴有啟動子CpG島甲基化[40].

類風濕性關節炎是一種慢性的全身炎癥疾病，其發病機理與滑膜纖維母細胞(synovial fibroblasts, RASFs)密切相關. Park等[41]研究表明啟動子甲基化誘導的EBF3和IRX1基因低表達可能在RASFs的TGF-β的致病機理中發揮著重要的作用. 而且近來還有研究發現IRX1在染色體的位置5p15.3的突變與類風濕性因子的發生相關，并且IRX1和HLA-DRB1在類風濕性關節炎的相關因子的發生過程中恰恰是表達最高的[42].

由于IRX1基因參與了胃癌、肺癌、原發性肝癌等多種腫瘤的成瘤過程，以及骨肉瘤肺轉移、胃癌中腹膜擴張和轉移等的過程，其具有潛在的腫瘤早期診斷、治療、轉移或者作為檢測腫瘤預后標志的重要作用.

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The genomic organization and function of IRX1 in tumorigenesis and development

TUYan-Yang1,ZHANGPeng-Xing1,ZHANGYong-Sheng2,WANGLiang3

Fourth Military Medical University：1Department of Experimental Surgery of Tangdu Hospital,2Tangdu Hospital，3Department of cerebral surgery, Xi’an 710038, China

Iroquois homologous gene (IRX) containing transcription factor family were widely expressed in vertebrates and invertebrates embryonic tissue expression profiles. They are involved in the development of various organism tissues and links of life activities, and play a crucial role in humans and animals life activities. IRX1, belongs to the Iroquois homeobox gene family, is closely related with embryo development. IRX1 codes transcription factor combination active family proteins involved in nervous system development, and plays different important roles in the development of a variety of tumors. IRX1 was identified as the oncogene or tumor suppressor gene in tumor formation. This paper summarized the genomic structure of IRX1 and the classification in different species. More importantly, the paper focused on explaining the key role of IRX1 in tumorigenesis and development and influence in biological processes of metazoans.

IRX1, tumorigenesis and development，genomic organization. tumor biomarker

2016-08-15；接受日期：2016-08-31

國家自然科學基金資助項目(81272419, 81572983, 81402081)

涂艷陽. 副主任醫師，副教授. E-mail:tu.fmmu@gmail.com

2095-6894(2016)10-01-02

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A