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ATM基因與胰腺導(dǎo)管腺癌發(fā)病及放療增敏研究進(jìn)展

2018-02-10 18:55:52劉顯榮盧先州
現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué) 2018年1期
關(guān)鍵詞:信號(hào)

劉顯榮,盧先州

(南華大學(xué)附屬南華醫(yī)院肝膽外科,湖南 衡陽(yáng) 421001)

胰腺導(dǎo)管腺癌(PDAC)是胰腺惡性腫瘤中最常見(jiàn)的病理類型,占胰腺癌病理分型的80%以上,是歐美國(guó)家死亡率排名第四的癌癥,總體5年存活率在4%左右[1-2]。PDAC的發(fā)病機(jī)理極其復(fù)雜,涉及眾多基因及蛋白的參與,深入探究影響其發(fā)病與進(jìn)展的基因和信號(hào)通路,對(duì)PDAC的預(yù)防、早期診斷和治療具有積極意義。共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張癥突變基因(ataxia-telangiectasia mutated gene, ATM)是重要的參與DNA損傷反應(yīng)修復(fù)的基因,在維護(hù)正常DNA的完整性和穩(wěn)定性方面起著重要作用,是重要的抑癌基因,其是否在PDAC的發(fā)病中同樣起到重要作用,亦是眾多學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn),他們?cè)噲D找到有力的證據(jù)將ATM與PDAC聯(lián)系起來(lái)。現(xiàn)圍繞ATM基因與PDAC的發(fā)病及放療增敏的研究進(jìn)展作綜述如下。

1 ATM基因概述

ATM基因是由Savitsky等[3]在1995年首次發(fā)現(xiàn)并命名的。它是機(jī)體重要的促修復(fù)基因,廣泛存在于機(jī)體組織細(xì)胞中,正常健康個(gè)體以野生型為主,其編碼產(chǎn)物ATM蛋白激酶分布于細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中,以細(xì)胞核為主,通常情況下,ATM蛋白激酶以無(wú)活性的二聚體形式存在,解離后方具有生物學(xué)活性[4]。ATM蛋白激酶是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶,最初觀察到的功能是其在DNA損傷反應(yīng)中的作用,當(dāng)細(xì)胞DNA雙鏈?zhǔn)茌椛涞葥p傷破壞后,可誘導(dǎo)絲氨酸1981位點(diǎn) (ser-1981)的快速自動(dòng)磷酸化,引起二聚體解離并引發(fā)細(xì)胞ATM激酶活性[5-6]。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)[7-8],ATM蛋白激酶具有更廣泛的整合和指導(dǎo)各種信號(hào)傳導(dǎo)并維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的功能,這些功能包括調(diào)節(jié)染色質(zhì)重構(gòu)、氧化應(yīng)激和多種組織中的細(xì)胞代謝。近年來(lái)越來(lái)越多的研究證明,ATM激酶是各種基因毒(genotoxins)如化療藥物及放射線所致DNA損傷生物學(xué)反應(yīng)中同時(shí)起諸多信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的主導(dǎo)激酶(hieratical kinase),這也是ATM倍受關(guān)注的最重要原因[9]。

細(xì)胞周期中發(fā)生DNA損傷后,ATM蛋白激酶通過(guò)磷酸化的方式而活化,并通過(guò)一系列蛋白底物如Chk2、p53、Nbs1和p38MAPK等而參與細(xì)胞周期的調(diào)控;在細(xì)胞周期的不同時(shí)期或不同應(yīng)激條件下,ATM蛋白激酶作用于相應(yīng)的效應(yīng)底物而組成了不同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,主要包括p53通路 (Mdm2-P53、P21通路)、ATM-H2AX組蛋白信號(hào)通路、ATM-Chk2-Cdc25信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、ATM-Nbs1-Smc1/3信號(hào)通路、ATM-p38MAPK-MK信號(hào)通路等[10]。

2 ATM基因相關(guān)通路與胰腺腫瘤

ATM是DNA損傷反應(yīng)的中樞調(diào)節(jié)劑,起著抗癌屏障的作用,當(dāng)ATM基因缺失或沉默表達(dá)時(shí),DNA損傷將得不到及時(shí)的修復(fù),使受損的DNA雙鏈通過(guò)復(fù)制而傳遞給子代,增加基因組不穩(wěn)定性,并可促進(jìn)腺泡至導(dǎo)管再編程(ADR)和腫瘤性病變形成,從而使惡性腫瘤的易感性大大提高[11]。既往的研究已經(jīng)證實(shí)ATM基因的缺失或變異與乳腺癌、前列腺癌、黑色素瘤、口咽癌的發(fā)病相關(guān)[12]。國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),ATM基因在胰腺癌的發(fā)病中同樣扮演著重要的角色。

Roberts等[13]新一代全基因測(cè)序研究發(fā)現(xiàn),遺傳性的ATM突變?cè)诩易逍砸认侔┮赘行灾邪l(fā)揮重要作用,并首次將ATM基因添加到了PDAC易感基因列表當(dāng)中。Drosos等[14]研究者對(duì)Kras G12D誘導(dǎo)的小鼠胰腺導(dǎo)管內(nèi)瘤樣變(PanIN)形成的初步分析揭示,與無(wú)ATM基因缺失的小鼠相比,在攜帶一個(gè)功能性ATM等位基因或缺乏ATM的胰腺組織中,胰腺癌癌前病變PanIN過(guò)程顯著提前,推斷ATM基因活動(dòng)對(duì)胰腺中的致癌轉(zhuǎn)化構(gòu)成內(nèi)在屏障作用,ATM缺失可能和KrasG12D合作促進(jìn)了小鼠的廣泛轉(zhuǎn)移性胰腺導(dǎo)管腺癌。ATM基因不僅與胰腺癌的發(fā)病相關(guān),其表達(dá)程度與腫瘤的分化、轉(zhuǎn)移、預(yù)后等亦有重要相關(guān)性。在胰腺癌標(biāo)本中,ATM及其下游基因p53表達(dá)的陽(yáng)性染色率顯著低于同年齡段的對(duì)照組標(biāo)本,腫瘤的分化、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和神經(jīng)浸潤(rùn)程度與ATM和p53的表達(dá)呈負(fù)相關(guān),說(shuō)明ATM除了具有與p53合作修復(fù)細(xì)胞損傷的作用外,ATM缺陷的表達(dá)還可能增加正常胰腺細(xì)胞向腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)化的能力[15]。Kamphues等[16]依據(jù)ATM表達(dá)程度對(duì)PDAC的預(yù)后進(jìn)行分層,發(fā)現(xiàn)Ser1981-ATM完全喪失的患者預(yù)后最差,完全喪失、低表達(dá)及高表達(dá)患者的中值存活時(shí)間分別為10.8個(gè)月、14.3個(gè)月、31.1個(gè)月,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01),表明ATM表達(dá)和激活是PDAC中的標(biāo)準(zhǔn)臨床病理參數(shù)的預(yù)后標(biāo)識(shí)物。而ATM不同的基因型對(duì)胰腺癌的預(yù)后亦存在差異,其中T77C基因型對(duì)胰腺癌患者整體生存率的影響最顯著[17]。ATM基因所參與的信號(hào)傳導(dǎo)通路錯(cuò)綜復(fù)雜,上述研究?jī)H說(shuō)明ATM基因缺失與PDAC的發(fā)病及較差的預(yù)后相關(guān)這一事實(shí),明確相關(guān)通路在當(dāng)中所發(fā)揮的作用才是其關(guān)鍵點(diǎn)。隨著對(duì)ATM基因研究的深入,大家把關(guān)注焦點(diǎn)聚集在ATM基因?qū)δ[瘤發(fā)生的抑制機(jī)制上,探究ATM基因缺失作為胰腺癌易感因素的分子生物學(xué)機(jī)制。

2.1 SOX9-EMT路徑 Russell等[18]研究發(fā)現(xiàn),在ATM基因缺失的小鼠中,腺泡-導(dǎo)管化生/腺泡-導(dǎo)管重編程(ADM/ADR)過(guò)程明顯增強(qiáng),其機(jī)理是通過(guò)改變TGFb超家族信號(hào)傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的,在形態(tài)完整的腺泡組織及ADM/ADR中,導(dǎo)管轉(zhuǎn)錄因子SOX9基因表達(dá)顯著上調(diào),SOX9是ADM和ADR的驅(qū)動(dòng)力,并與腺泡結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)管編程的癌癥經(jīng)歷上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-to-mesenchymal transition,EMT)高度相關(guān),EMT是胚胎發(fā)育過(guò)程中高度豐富的過(guò)程,并對(duì)腫瘤的微環(huán)境存在著深刻影響,與支持腫瘤生長(zhǎng)的生長(zhǎng)因子的分泌和積累相關(guān);在ATM耗盡的胰腺癌前期病變中,存在著高水平表達(dá)的鋅指蛋白類轉(zhuǎn)錄因子(ZEB1)和其他的EMT標(biāo)識(shí)物,表明管道編程與正在進(jìn)行的EMT存在顯著相關(guān)性。而ZEB1是EMT的始動(dòng)因子,是惡性腫瘤轉(zhuǎn)移和多能干性的標(biāo)識(shí)物,被認(rèn)為是PDAC中死亡率的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子[19]。在SOX9-EMT路徑中,SOX9基因表達(dá)上調(diào)是關(guān)鍵一環(huán),而SOX9基因在多種癌癥類型和正常上皮細(xì)胞中是通過(guò)獨(dú)立于p53、ATM、ATR和DNA-PK的途徑主動(dòng)降解的[20],在ATM基因缺失的胰腺癌組織中觀察到的SOX9基因上調(diào)可能存在另外的途徑。

2.2 ATM-P53-Mdm2-P21WAF/CIPI通路 于觀貞等[15]應(yīng)用組織芯片和免疫組化法研究ATM及相關(guān)通路基因P53、Mdm2和 P21WAF/CIPI等在167例胰腺外分泌性惡性腫瘤和101份癌旁組織以及11例胰腺良性病變中的表達(dá)情況,發(fā)現(xiàn)與非癌組織相比,癌組織中P53和Mdm2表達(dá)明顯升高,而ATM和P21WAF/CIPI的表達(dá)明顯降低,認(rèn)為P53和Mdm2的過(guò)表達(dá)以及ATM和P21的沉默表達(dá)可能會(huì)導(dǎo)致胰腺癌的形成和進(jìn)展;4種蛋白可能以ATM-P53-Mdm2-P21WAF/CIPI通路的方式促進(jìn)細(xì)胞的轉(zhuǎn)化和腫瘤的形成;聯(lián)合檢測(cè)ATM下游基因如P53和Mdm2的表達(dá)或可用于評(píng)定胰腺癌的惡性程度。同時(shí)在Kim等[21]的研究中亦檢測(cè)到胰腺導(dǎo)管腺癌中ATM和P53的表達(dá)異常,與無(wú)胰腺癌家族史患者相比,有胰腺癌家族史的患者ATM缺失率明顯升高;胰腺癌患者ATM蛋白表達(dá)缺失,但P53仍正常表達(dá)者,在胰腺切除術(shù)后總生存期較差,是降低總生存的獨(dú)立預(yù)測(cè)因素。眾所周知,ATM-P53通路是重要的促DNA損傷修復(fù)路徑,能促進(jìn)細(xì)胞的修復(fù)及誘導(dǎo)凋亡,與上述結(jié)論相矛盾。ATM-P53-Mdm2-P21WAF/CIPI通路在PDAC組織中存在表達(dá)異常,并與較差的預(yù)后相關(guān),是否因ATM基因缺失導(dǎo)致,以及在正常胰腺細(xì)胞向腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)化過(guò)程中,該通路作為始動(dòng)因素的證據(jù)并不充分。

3 ATM與胰腺癌放射抗性

放射治療是目前對(duì)中晚期胰腺癌的主要治療方法之一,輻射抗性是影響放療效果的重要因素。在電離輻射造成組織細(xì)胞DNA損傷時(shí),ATM激酶依賴性G2/M檢測(cè)站被激活,從而介導(dǎo)輻射抗性,通過(guò)抑制DNA修復(fù)途徑可使癌細(xì)胞對(duì)輻射的影響更加敏感,而ATM/Chk2和ATR/Chk1途徑是細(xì)胞周期阻滯的主要調(diào)節(jié)劑,通過(guò)選擇性抑制ATM基因可使DNA雙鏈斷裂修復(fù)過(guò)程發(fā)生障礙,從而表現(xiàn)出對(duì)輻射的高度敏感[22-23]。但ATM介導(dǎo)的輻射抗性分子機(jī)制尚缺乏統(tǒng)一機(jī)制,而在胰腺癌的放療抗性機(jī)制與其他的惡性腫瘤是否一致亦無(wú)明確答案。有研究者已經(jīng)證實(shí)ATM/Chk1基因在姜黃素介導(dǎo)的胰腺癌細(xì)胞G2/M周期停滯和凋亡中起到關(guān)鍵作用,以siRNA轉(zhuǎn)染方式沉默ATM基因表達(dá)后,胰腺癌細(xì)胞G2/M周期阻滯率顯著下降[24]。Wang等[25]研究發(fā)現(xiàn),ATM信號(hào)傳導(dǎo)通路中的下游信號(hào)分子共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張癥組相關(guān)基因(ataxia telangiectasia group D complementing gene,ATDC)為電離輻射耐受性的決定性因素,其活化需要MK2激酶催化Ser-550位點(diǎn)的磷酸化,從而導(dǎo)致ATDC與Dvl2的解離[24]。ATDC執(zhí)行兩個(gè)重要但獨(dú)立的功能,它通過(guò)β-連環(huán)蛋白(β-catenin)信號(hào)促進(jìn)增殖并通過(guò)ATM/MK2信號(hào)通路促進(jìn)放射抵抗性。那么在沉默ATM基因后,ATM/MK2信號(hào)通路受阻,ATDC基因無(wú)法解離,胰腺癌細(xì)胞的放射敏感性必將增加。Hennig等[26]在研究APPL蛋白介導(dǎo)的放射抗性的作用機(jī)理時(shí)發(fā)現(xiàn),APPL蛋白和ATM激酶在胰腺癌細(xì)胞受輻射后,將第一時(shí)間被激活,成為DNA修復(fù)重要調(diào)節(jié)劑;輻射后被激活的APPL1和ATM之間存在交互作用,APPL蛋白可通過(guò)調(diào)節(jié)ATM表達(dá)從而調(diào)節(jié)胰腺癌細(xì)胞的DNA修復(fù)和放射生存,在APPL敲除介導(dǎo)的放射增敏試驗(yàn)中,觀察到在輻射后ATM磷酸化顯著減少,提示ATM是APPL介導(dǎo)的對(duì)放射敏感性和DNA修復(fù)影響的中心調(diào)節(jié)劑,ATM是APPL介導(dǎo)的放射抗性必不可少的環(huán)節(jié),APPL蛋白的額外耗盡與單獨(dú)ATM敲除具有同樣的放療增敏效果,表明ATM和APPL蛋白可能是相同信號(hào)傳導(dǎo)軸的一部分。另有研究者發(fā)現(xiàn)Pim-3家族在胰腺癌細(xì)胞的放射抗性中起著重要作用,輻射誘導(dǎo)可誘導(dǎo)Pim-3過(guò)表達(dá),進(jìn)而增強(qiáng)PDAC放射抗性;其機(jī)理是阻止γ-H2AX焦點(diǎn)的形成,并增加ATM基因磷酸化表達(dá),進(jìn)而激活Chk1和p53;Pim-3與ATM之間存在相互作用并增加ATM的磷酸化,敲除胰腺癌細(xì)胞中ATM可逆轉(zhuǎn)Pim-3對(duì)輻射的保護(hù)作用[27]。趙晶等[28]研究吉西他濱用于體外對(duì)胰腺癌細(xì)胞的放療增敏作用時(shí)亦發(fā)現(xiàn),與空白對(duì)照組、單純照射組、吉西他濱組比較,聯(lián)合吉西他濱及放療組ATM蛋白的表達(dá)明顯降低(21.8%),而胰腺癌細(xì)胞的克隆形成能力,即增殖能力顯著降低,表明ATM基因是放療增敏的潛在靶點(diǎn),但并未從分子生物學(xué)層面來(lái)闡明其作用機(jī)理。

特異性抑制腫瘤細(xì)胞ATM基因表達(dá)是胰腺癌放療增敏的先決條件。目前ATM的抑制劑正在積極開(kāi)發(fā)用于治療各種癌癥,如咖啡因、甲基黃嘌呤生物堿、KU-55933及其類似物、AZD0156等[29,23],這些藥物在體外或動(dòng)物試驗(yàn)中確能起到較好的抑制ATM基因作用,但均存在一些問(wèn)題亟待解決,臨床應(yīng)用受到一定限制。

4 結(jié)語(yǔ)及展望

綜上所述,ATM基因的沉默是PDAC發(fā)病的高危因素,并與較差的腫瘤分化程度、浸潤(rùn)、生存期相關(guān),其主要機(jī)理是圍繞DNA損傷反應(yīng)發(fā)生的,涉及多條信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。在胰腺癌的治療中,ATM基因有望成為胰腺癌治療的靶基因,通過(guò)抑制ATM基因能增加腫瘤細(xì)胞對(duì)放療的敏感性,從而提高中晚期胰腺癌的治療效果,改善患者預(yù)后,其機(jī)理亦與ATM基因介導(dǎo)的DDR的修復(fù)相關(guān)。然而惡性腫瘤的發(fā)生、發(fā)展是一個(gè)多基因、多通路的過(guò)程,進(jìn)一步研究胰腺癌中ATM通路中上下游基因的變化與功能,以及其他通路的變化情況,尤其是作為始動(dòng)因素方面的研究,可能會(huì)更好地闡明PDAC的發(fā)病機(jī)理和解釋其惡性行為。雖然多項(xiàng)研究均表明ATM基因與胰腺導(dǎo)管腺癌的密切關(guān)系,但其分子生物學(xué)層面的機(jī)理并不明確,現(xiàn)在研究多局限于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。而通過(guò)抑制ATM基因來(lái)提高胰腺癌放療的療效亦局限于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及體外實(shí)驗(yàn),尚無(wú)理想的ATM抑制劑進(jìn)入臨床試驗(yàn)。另一方面,在放療增敏時(shí),胰腺癌組織ATM基因抑制后,勢(shì)必影響正常胰腺組織的ATM基因表達(dá)而對(duì)放射線的敏感性增加,如何在對(duì)腫瘤組織增敏的同時(shí)保護(hù)正常組織亦是需要研究的課題。

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