OCT 4假基因在腫瘤中的研究進展

余菁雯,周留林

蚌埠醫學院附屬泰興市人民醫院婦產科,江蘇 泰興2254000

"假基因"最早出現于1977年,Jacq等[1]報道非洲爪蟾蜍中有一組未被翻譯的基因序列與核糖體5S DNA同源,但與其功能基因相比,這段序列中存在5'端缺失和3'端錯配,并且未發現基因的轉錄產物,由此證明其并沒有生物學活性,因此稱這段與5S DNA同源的基因序列為假基因.此后,研究人員發現假基因廣泛分布于原核生物和真核生物中,由于假基因無法翻譯成具有完整功能的蛋白質,因此普遍認為假基因是沒有功能的基因或基因片段[2-3].而在最近的20年內,隨著新一代測序技術的大規模應用,多種類別的非編碼RNA被發現,并且有研究正在解釋它們在生物進程中的功能[4].假基因最初被定義為異常基因,具有與功能基因相似的序列,可能由于終止密碼子過早出現或者基因框移突變而失去蛋白質編碼能力[5-6].

假基因來源于單一或重復的蛋白編碼基因的退化,或是加工過的信使RNA(messenger RNA,mRNA)的逆轉錄,其退化特性包括框架去功能化、編碼序列衰變和不完整[2].根據產生機制不同,可將假基因分為3種主要類型[6-7]:①單一假基因,來自單個拷貝的功能基因,在演變過程中由于累積突變致使起始功能丟失;②非加工型假基因,又稱為復制型假基因,在基因復制過程中,由于多種失能突變(如終止密碼子提前或框移突變),或者缺乏轉錄或轉錄為非編碼RNA導致缺失蛋白編碼能力;③加工型假基因,又稱為逆轉錄型假基因,源自正常mRNA轉錄產物逆轉錄整合到新基因組位置的mRNA,這種假基因存在內含子及其他調節元件的丟失,并且與其親本基因位于不同的染色體上.假基因曾被認為是"垃圾",然而隨著人們對假基因的深入研究,發現這些"垃圾"可能在病理生理過程中具有一定的功能[8].

研究顯示,假基因表達的非編碼RNA在調控相應的蛋白編碼基因中具有特殊的功能[9].某些假基因的轉錄產物可被加工成反義RNA,通過RNA干擾通路競爭性結合同源mRNA進而調控蛋白編碼基因;另一些假基因可作為競爭性內源RNA(competingendogenousRNA,ceRNA)與mRNA競爭微小RNA反應元件(miRNA response element,MRE),調控癌基因或抑癌基因的表達;假基因產生的RNA可通過發揮微小RNA"海綿作用"調控同源基因的表達,或者在加工過程中產生內源性小干擾RNA,通過傳統的RNA干擾機制抑制同源基因的表達[8,10-11],由于假基因與其親本基因具有高度的相似性,研究發現假基因可能與其親本基因相互作用[12],如第10號染色體缺失的磷酸酶和張力蛋白同源基因(gene of phosphate and tension homologue deleted on chromosome ten,PTEN)和八聚體結合轉錄因子4(octamer-binding transcription factor 4,OCT4)實際上就是被對應的假基因表達的非編碼RNA調控,從而導致其序列或轉錄活性發生改變[13].過去一直認為假基因在生物學上無關緊要,但近年的研究發現其在多種生理和病理進程中發揮關鍵作用,尤其在惡性腫瘤的發生發展中[14].研究表明,特異性假基因是具有價值的腫瘤診斷因子和預后標志物[15].Han等[16]研究發現,在大量已確定組織類型的腫瘤樣本中發現有相當數量的假基因特異性表達于不同類型的腫瘤中,在子宮內膜癌中依靠假基因的表達差異所區分的腫瘤組織類型,與由腫瘤標志物所區分的腫瘤亞型高度一致;同時還發現在腎臟腫瘤中,假基因的表達不僅與患者的生存率顯著相關,且與傳統的臨床指標相比,能夠更加準確地預測患者的生存時間.在神經膠質瘤中,高表達的ANXA2及其假基因均與接受放療或化療后患者的不良預后有關,預示著ANXA2及其假基因可作為神經膠質瘤的預后標志物及治療靶點[17].本文結合近年來對OCT4假基因的研究,分析其在腫瘤中的作用,進一步討論其在不同腫瘤中的作用機制.

1 OCT 4假基因在腫瘤中的分布及功能

1.1 OCT 4假基因在腫瘤中的分布

目前在胚胎干細胞中已確定6種OCT4假基因,即OCT4-pg1、OCT4-pg2、OCT4-pg3、OCT4-pg4、OCT4-pg5、OCT4-pg6,它們與親本基因擁有共同的高度保守序列[18].這6種假基因中,4種具有翻譯功能,OCT4-pg1、OCT4-pg3、OCT4-pg4和OCT4-pg5能夠編碼不穩定的蛋白,與OCT4A高度同源;而OCT4-pg2和OCT4-pg6不能編碼蛋白[19-21].通過Nucleotide Blast隊列分析發現,這些假基因的mRNA與OCT4A、OCT4B及OCT4B1基因高度一致,通過直接比較OCT4A與OCT4-pg1的啟動子、5'UTR、編碼序列以及3'UTR,結果顯示,即使它們的大小有差異,但所有元素高度一致.

除人胚胎干細胞及生殖細胞腫瘤衍生細胞系外,在實體瘤細胞系及成體干細胞中均發現OCT4假基因的表達.研究人員發現,在原發性白血病樣本及體細胞腫瘤中OCT4假基因的轉錄產物可被表達[22].在肝細胞腫瘤中,OCT4-pg4與OCT4同時表達;在人神經膠質瘤與乳腺癌中,OCT4-pg1、OCT4-pg3和OCT4-pg4均存在表達;然而在精原細胞瘤與人惡性多發性畸胎瘤細胞中,所有OCT4假基因皆不表達[10,21].OCT4-pg1與OCT4-pg5在多種腫瘤細胞系及組織中都有表達,但未發現在胚胎癌細胞、成纖維細胞、正常細胞(橫紋肌、表皮)中表達.

1.2 OCT 4假基因在腫瘤中的功能

研究發現,在肝細胞癌和子宮內膜癌中,OCT4-pg4和OCT4-pg5發揮著抑制miRNA-145的作用,從而保護OCT4的轉錄產物[10,23].而在小鼠胚胎干細胞的分化過程中,OCT4-pg4的長鏈非編碼RNA(long noncoding RNA,lncRNA)處于抑制狀態,同時維持OCT4基因沉默;小鼠原代胚胎成纖維細胞(primary mouse embryonic fibroblast,pMEF)轉化為誘導性多能干細胞期間,OCT4-pg4也處于抑制狀態,并維持OCT4基因沉默[11].此外OCT4假基因除了作為調控因子,還與腫瘤的發生發展密切相關,且這種假基因的高表達與肝細胞癌患者的不良預后有關[10].Scarola等[11]研究證實,OCT4-pg4是抑制細胞分化過程中胚胎干細胞自我更新通路異常激活的關鍵因素.OCT4-pg4轉錄產生的lncRNA可以招募H3K9特異性甲基化組蛋白轉移酶SUV39H1,誘導親本基因OCT4在轉錄過程中的啟動子發生表觀遺傳沉默.此機制將減少維持細胞自我更新的轉錄因子的表達并促進小鼠胚胎干細胞分化,而干擾OCT4P4-SUV39H1沉默復合體的表達將導致細胞重新獲得自我更新能力.

2 OCT 4假基因與腫瘤

OCT4假基因廣泛表達于腫瘤細胞及組織中,且可能在轉錄和(或)蛋白水平存在功能活性,意味著OCT4假基因可能對腫瘤細胞的增殖及腫瘤發展發揮作用.目前為止,在人類基因組中已經鑒定了與OCT4高度同源的6個OCT4相關假基因,高度的同源性往往造成難以與真基因OCT4相區別,導致在腫瘤研究中常引起一些混亂.Poursani等[24]研究發現,OCT4假基因在不同腫瘤中的表達具有特異性,提示每種假基因存在著獨立的表達調控功能,如OCT4-pg2在大多數細胞系中都不表達,僅在HepG2細胞中高表達,而OCT4-pg3僅在調控NT2細胞的神經分化過程中表達.目前對OCT4假基因的研究僅在初始階段,仍需進一步研究其在腫瘤發生中的作用.

2.1 假基因POU 5F1B與腫瘤

POU結構域5類轉錄因子1B(POU domain class 5 transcription factor 1B,POU5F1B)基因,也稱OCT4-pg1、OTF3C、OTF3P1和POU5F1P1,定位于染色體8q24,其編碼的蛋白與OCT4A具有95%的同源性,假基因POU5F1B(OCT4-pg1)是在rs10505477 SNP中呈現A或G核苷酸多態性的假基因[21].研究發現,接受基于順鉑的化療并攜帶GA/AA基因型的胃癌患者與接受相同治療但攜帶GG基因型的患者相比,前者的總生存期更短[25].近年來的研究顯示,POU5F1B是一種腫瘤易感基因,在結直腸癌[26]、膀胱癌[27]、宮頸癌[28]、前列腺癌[29]及慢性淋巴細胞白血病[30]中均有發現.Hayashi等[31]研究顯示,在胃癌中POU5F1B基因由于基因組擴增而過表達(POU5F1B基因位于染色體8q24上且與其相鄰的c-MYC共擴增),POU5F1B蛋白通過促進細胞增殖和血管生成同時抑制細胞凋亡而發揮致癌作用.此外,研究發現,在Ⅳ期胃癌患者中,POU5F1B高表達與患者的總生存期縮短有關[31].Pan等[32]研究發現,POU5F1B在肝細胞癌細胞中表達上調,POU5F1B高表達的肝細胞癌患者較POU5F1B低表達患者的預后差,且生存時間較短;POU5F1B可以促進肝細胞癌細胞增殖,在POU5F1B過表達的肝細胞癌細胞中抑制蛋白激酶B(protein kinase B,PKB,也稱AKT)的表達,可以抑制肝細胞癌細胞的增殖;研究還發現,POU5F1B高表達的肝細胞癌患者具有AKT高磷酸化水平,表明在肝細胞癌中POU5F1B通過激活AKT促進細胞增殖.為進一步揭示OCT4與其假基因之間的聯系,Villodre等[18]通過對OCT4、OCT4-pg1的表達水平進行相關性分析,結果發現其表達水平在胰腺與肝臟腫瘤中均呈正相關,因此認為OCT4與其假基因的高相似性維持了它們的轉錄及穩定性調控,提示OCT4假基因可能在腫瘤中發揮著OCT4miRNA海綿的功能[33].Kastler等[29]研究發現,OCT4家族中有且僅有POU5F1B在前列腺癌中表達,其轉錄產物的表達水平是癌旁組織的3倍,在前列腺癌上皮細胞及癌旁組織中均發現POU5F1B蛋白的表達,但是在非瘤性腺體及前列腺癌上皮細胞中其表達水平相同,提示在前列腺中POU5F1B的過表達并不源于POU5F1B的激活及8q染色體的擴增,而是源于具有POU5F1B的腫瘤細胞密度的增加.雖然POU5F1B在一些腫瘤組織中表達,但其在腫瘤和其他細胞類型中的表達情況及生物學功能仍需要進一步論證.

2.2 假基因OCT 4-pg 4與腫瘤

假基因OCT4-pg4位于染色體1q22區域,OCT4-pg4位于肝癌細胞染色體中的高水平擴增區域,說明OCT4-pg4的異常表達可能預示基因擴增.OCT4-pg4位于H3K4甲基轉移酶ASH1L(一種橫跨人類基因組的長度為220 kb的大型基因,在肝癌中的表達水平較高且處于激活狀態的組蛋白甲基轉移酶)的內含子中,可受其功能基因的轉錄產物的影響,OCT4-pg4與其轉錄方向相反,OCT4-pg4位于正義鏈,而ASH1L位于反義鏈,因此OCT4-pg4擁有獨立的啟動子并且可以獨立轉錄,且可能受ASH1L反式作用的影響.Wang等[10]研究認為,OCT4-pg4由于缺乏與其功能基因相似的3'UTR,因此并不是通過3'UTR結合同源靶向mRNA發揮海綿功能,而是由于miRNA結合位點位于開放閱讀框序列中;假基因的整個轉錄產物可能具有一種海綿功能,OCT4-pg4的序列發生變化將導致一種新型的物質與miRNA-145匹配;此外,與OCT4的轉錄產物相比,OCT4-pg4的轉錄產物對miRNA-145顯示更高的親和力.在肝細胞癌中OCT4和OCT4-pg4異常表達,且其表達水平具有相關性,OCT4-pg4發揮ceRNA功能抑制miRNA-145的表達,保護OCT4的轉錄產物,從而在肝細胞癌的發生中發揮致癌作用.

2.3 假基因OCT 4-pg 5與腫瘤

假基因OCT4-pg5定位于染色體10q21.Bai等[23]研究發現,OCT4-pg5在子宮內膜癌組織中的表達水平明顯高于正常子宮內膜組織,并證明了OCT4-pg5在子宮內膜癌中具有促進腫瘤細胞增殖及克隆形成的能力,且OCT4-pg5可以逆轉miRNA-145的逆向調控作用.研究結果還表明,過表達OCT4-pg5可增加周期蛋白D(1cyclin D1)和增殖細胞核抗原(proliferating cell nuclear antigen,PCNA)的表達水平,并激活磷脂酰肌醇-3-羥激酶(phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase,PI3K)/AKT信號通路,OCT4-pg5在促進子宮內膜癌細胞的增殖中發揮著miRNA-145拮抗劑的作用[23].Hawkins和Morris[34]研究認為,通過RNA干擾敲除反義轉錄物將導致有義轉錄激活,且反義lncRNA還可以直接對遠端位點進行表觀遺傳修飾,因此抑制OCT4-pg5的反義lncRNA后,OCT4的轉錄產物及OCT4-pg4和OCT4-pg5的表達水平均增加.這種增加與表觀遺傳標志和OCT4啟動子上的組蛋白甲基轉移酶EZH2的去沉默有關.lncRNA與核蛋白以及PURA蛋白(一種35 kD的單鏈DNA與RNA結合蛋白)相互作用,負向調控反義轉錄.

3 展望

假基因類似于一種非編碼DNA,在機體中參與多種生理病理過程,許多假基因具有轉錄活性.近年來,假基因功能的研究日益受到重視,一些先驅性研究已經表明假基因在基因調控中發揮關鍵作用,假基因的變異和失調在惡性腫瘤的發生發展中扮演著重要角色.RNA測序分析結果表明,假基因是細胞同一性的高度特異性標志物,可作為疾病診斷和預后判斷的指標.此外,基因工程小鼠模型也表明假基因表達的改變與惡性腫瘤存在一定的因果關系.假基因對于疾病診斷和預后判斷具有一定的價值,利用這種準確的細胞識別標志物可能引起一個關鍵的革新,并且能進一步完善個性化醫療,為多種腫瘤的診斷、治療提供新的思路,如今面臨的主要問題是如何更加簡便地區分假基因與其親本基因,并且進一步證明其生物學特性,仍需要大量的研究進一步揭示假基因在腫瘤發生發展中的作用,以及假基因的產生和調節機制、表達模式及具體功能.