Rad51基因在癌癥中的研究進展

朱琳

?

Rad51基因在癌癥中的研究進展

朱琳

430063 湖北，武漢市武昌醫院藥學部，Email：zhul_1024@ sina.cn

癌癥是世界范圍內的公共衛生健康問題，位居死亡原因第二位。預計 2019 年美國癌癥新發病例 1 762 450 例，死亡病例 606 880 例[1]。當電離輻射、缺氧、化療藥物等因素刺激細胞時可造成 DNA 損傷，其中以 DNA 雙鏈斷裂（double strand breaks，DSBs）最為嚴重，其修復方式包括非同源末端連接（non-homologous end joining，NHEJ）和同源重組（homologous recombination，HR），HR 有效性和準確性較高，對維持基因組的穩定和正常的生命功能起著重要的作用[2-3]。Rad51 是 HR 的中心分子，參與 DNA 損傷應答和細胞周期等信號通路，并在乳腺癌、肺癌、卵巢癌、胰腺癌和結直腸癌等惡性腫瘤中過表達[4]，與腫瘤細胞的侵襲轉移和化療抵抗密切相關。本文主要介紹了 Rad51 的結構、功能以及它在多種惡性腫瘤中的研究進展。

1 Rad51 的結構

Rad51 基因定位于第 15 號染色體，具有 9 個外顯子和 8 個內含子，編碼一條由 339 個氨基酸組成的多肽。DNA 分子大小約 30 kb，具有 DNA 依賴性 ATP 激酶活性[5-6]。它是 DNA 同源重組的主要關鍵酶之一，對維持基因組穩定具有極其重要的作用。XRCC2、XRCC3、Rad51B（Rad51L1）、Rad51C（Rad51L2）和 Rad51D（Rad51L3）均為 Rad51 的同系物，與 Rad51 共同參與 HR 修復過程[7]。

2 Rad51 的功能

2.1 Rad51 與腫瘤侵襲轉移的關系

盡管癌癥治療有了新的進展，但是轉移依舊是腫瘤復發的主要原因之一。Woditschka 等[8]比較了 23 對人乳腺癌原發灶和腦轉移組織的基因表達譜芯片，發現與 DNA 損傷修復相關的基因在腦轉移組織中高表達，包括BARD1 和 Rad51。于 MDA-MB-231 腦轉移動物模型中心內注射外源因子 BARD1 或 Rad51，發現腦轉移增加了 3 ~ 4倍；相反，于 4T1 細胞中沉默 Rad51，腦轉移減少了 2.5 倍，說明 Rad51 表達水平與乳腺癌細胞發生腦轉移呈正相關。Wiegmans 等[9]采用免疫組化分析 235 例散發性乳腺癌組織，發現 17.8% 患者細胞核中 Rad51 高表達。沉默 Rad51 基因后，c/EBP β 轉錄活性降低近 80%，且 MMP11、MMP13、TGFβ 和 SMAD2 啟動子處 c/EBP β 富集減少，乳腺癌細胞轉移減少，小鼠腫瘤生長受抑，提示 Rad51 可能與 c/EBP β 作為共復合物發揮促乳腺癌細胞轉移作用。

2.2 Rad51 與腫瘤化療抵抗的關系

化療藥物可致腫瘤細胞 DNA 雙鏈斷裂，若 HR 修復過于活躍，將導致腫瘤細胞對化療耐受；反之，將對化療增敏。Liu 等[10]分別比較了 TCGA 數據庫中 468 例樣本和 Bagnoli 數據庫中 130 例樣本，發現上皮卵巢癌患者 miR-506 高表達，且該群患者具有更優的無進展生存期和總存活例數。使用納米粒攜載miR-506 作用于原位卵巢癌小鼠，發現 miR-506 通過與 Rad51 mRNA 的 3' 端結合降低 Rad51 表達，使腫瘤組織對順鉑和奧拉帕尼增敏。Huang 和 Mazin[11]也發現 Rad51 特異性小分子抑制劑可通過減少 Rad51 表達和 DNA 鏈間交換，提高順鉑治療乳腺癌的效果。蝦青素具有廣泛的藥理作用，如抗炎[12]、抗氧化[13]、抗腫瘤[14]以及增強機體免疫活性等[15]。Ko 等[16]將其作用于非小細胞肺癌（non-small-cell lung cancer，NSCLC），發現 Rad51 和 p-AKT 表達降低，細胞存活率和增殖能力減弱；相反，若持續活化 AKT，該下調作用可被逆轉。聯合應用 P13K 抑制劑或 Rad51 siRNA 可進一步增強蝦青素對 NSCLC 的細胞毒性和增殖抑制作用。此外，吉西他濱（gemcitabine，GEM）作為抗嘧啶代謝的化療藥物，臨床中也常被用于治療 NSCLC。Tsai 等[17]發現 NSCLC 經 GEM 處理后，磷酸化絲裂原活化蛋白激酶激酶（mitogen-activated protein kinase kinase，MKK）、胞外信號調節激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）、AKT、Rad51 mRNA 及蛋白表達水平升高。當分別采用 MKK1/2 和磷脂酰肌醇 3-激酶抑制劑后，吉西他濱誘導的 Rad51 上調被抑制，阻斷 ERK1/2 通路、降低 AKT 活性或沉默 Rad51 后，NSCLC 對 GEM 增敏，細胞凋亡增多。以上結果均說明降低 Rad51 表達，可使腫瘤細胞對化療藥物增敏，提高順鉑、奧拉帕尼、蝦青素和 GEM 的治療效果。

合成致死是 1922 年在果蠅中首次觀察到的一種遺傳現象，是指兩個致死基因中任何一個突變不能導致細胞死亡，而當兩者同時突變時就會致死[18]。聚腺苷酸二磷酸核糖聚合酶[poly(ADP-ribose)poly-merase，PARP]是一種單鏈 DNA 修復酶，輻射和致 DNA 損傷藥物誘導 PARP 活化，增強 DNA 修復能力，產生原發或繼發性耐藥[19]。Zhao等[20]研究發現 PTEN 可促進 DNA 修復和 Rad51 表達，若將 Rad51 抑制劑和 PARP 抑制劑同時作用于 PTEN 缺陷型三陰性乳腺癌細胞，發現 Rad51 下調并且該細胞對PARP 抑制劑增敏。盡管 MTT 結果沒有表現出顯著的差異，但是 Rad51 抑制劑和 PARP 抑制劑合成致死的潛能也為野生型 PTEN 乳腺癌患者的個體化治療提供了新的思路。此外，另一項研究[21]發現 GEO 數據庫中乳腺癌組織 CtIP mRNA 水平顯著低于正常乳腺組織，且 CtIP 低表達和 p53 突變、淋巴結轉移、PR 期顯著相關。當放療引起 DNA 雙鏈損傷后，若沉默 CtIP，則 Rad51 焦點形成減少，HR 修復能力降低，腫瘤細胞對 PARP 抑制劑增敏，腫瘤生長受抑。miRNA 是一類內源性非編碼 RNA，參與腫瘤細胞增殖、凋亡、轉移和血管生成等一系列重要過程[22]。Wang 等[23]研究發現，在骨肉瘤、子宮頸癌和 BRCA2 野生型卵巢癌細胞中，miR-96 通過直接靶向 Rad51 編碼區發揮負調控作用，減少 HR 有效修復，使多種腫瘤細胞對順鉑和 PARP 抑制劑敏感性提高。

2.3 Rad51 與腫瘤放療敏感性的關系

放療（ionizing radiation，IR）是直接造成 DNA 雙鏈損傷或通過產生活性氧（reactive oxygen species，ROS）導致 DNA 雙鏈斷裂，從而殺滅腫瘤細胞的方法[24]。小檗堿是黃連和其他中藥的主要生物堿成分，在多種惡性腫瘤中具有抗癌作用。Liu 等[25]將食管鱗狀上皮腫瘤細胞經小檗堿預處理，發現 Rad51 表達水平顯著降低，且經 X 射線照射后，腫瘤細胞對放療敏感性提高，而正常組織無變化。轉染 Rad51 siRNA 聯合放療，得到相同結果；而外源性引入 Rad51則結果相反，說明黃連主要是通過調控 Rad51 發揮放療增敏的作用。Gasparini 等[26]發現 TCGA 數據庫中乳腺癌患者 Rad51 高表達，并且三陰性乳腺癌患者miR-155 與 Rad51 顯著負相關。當在乳腺癌細胞中穩定地過表達 miR-155 后，Rad51 表達水平降低，HR 修復減少，細胞對放療增敏，增殖能力減弱。

3 Rad51 在不同腫瘤中的表達

3.1 Rad51 與乳腺癌

Alshareeda 等[27]采用免疫組化技術研究發現，Rad51 定位于乳腺癌細胞核和細胞質。與雌激素受體陰性和 BRCA1 受體陰性乳腺癌細胞相比，雌激素受體陽性和 BRCA1 受體陽性的乳腺癌細胞核中 Rad51 表達水平更高。Rad51 在細胞質中的表達和病理特征呈正相關，細胞核內表達和病理特征呈負相關，同時具有胞質高表達和胞核低表達的乳腺癌亞型預后最差，表現為腫瘤體積較大、高等級核多形性有絲分裂比例較高、生存期較短。

3.2 Rad51 與結腸直腸癌

結腸直腸癌是常見的消化道惡性腫瘤。Tennstedt 等[28]研究 1213 例結腸癌組織微陣列發現 46% 患者結腸癌組織中表達 Rad51，且高中低表達分別占 1%、11% 和 34%。與 Rad51 中低表達患者相比，高表達患者中位生存期較短，并且 Rad51 與其他腫瘤預后因素如 p21、MSH、MLH、β-catenin 和 EGFR 顯著相關，提示 Rad51 高表達可能與結腸癌惡性進展相關，可作為結腸癌患者預后評估的獨立風險因子。Kara 等[29]提取 54 例結腸癌樣本和 42 例結腸組織樣本總 RNA，進行高通量實時熒光定量 PCR 檢測，研究結腸癌中致癌基因和 miRNA 的表達情況。發現與結腸組織相比，結腸癌組織中 ADAMTS1、Rad51、RUNX1、RUNX2、RUNX3、SIRT1 和 WWOX 表達上調，并且 Rad51 上游因子 miR-155-5p、miR-193b-3p和 miR-96-5p 表達也上調。該研究提供了新的結腸癌相關基因以及 miRNA，為結腸癌靶向治療提供了新的思路。微型染色體維持蛋白（minichromosome maintenance proteins，MCM）復合體是真核細胞 DNA 復制的核心組成部分，在激發 DNA 復制和合成中發揮關鍵作用。Huang 等[30]采用質譜分析發現沉默 MCM2 或 MCM6 能夠減少 Rad51 染色質定位和焦點形成，影響 Rad51 在結腸癌中的定位和表達，干擾 DNA 損傷修復，阻礙惡性腫瘤發生發展。

3.3 Rad51 與肺癌

Qiao 等[31]采用組織芯片技術分析 383 例 NSCLC 組織樣本，收集臨床和組織病理學信息如年齡、性別、TNM 分期、腫瘤分級等，研究 NSCLC 中 Rad51 表達情況，評價 Rad51 作為預后指標的價值。結果發現，29.4% 患者 Rad51 蛋白定位于細胞核并且高表達，同時高表達患者的中位生存期和 5 年生存率顯著降低，其原因可能與化療耐受有關，并且確定肺癌獨立的預后指標有 Rad51、腫瘤分化和臨床分期等，該實驗為個體化治療提供了理論依據。

3.4 Rad51 與頭頸部鱗癌

Connell 等[32]研究發現 Rad51 定位于人頭頸癌（head and neck cancer，HNC）細胞核，并伴隨著 PCNA 蛋白表達的升高而升高，且 Rad51 高表達患者較低表達患者存活率更低，其相關機制有待進一步研究。

3.5 Rad51 與軟組織肉瘤

Hannay 等[33]采用組織化學分析技術檢測 62 例人原發性、復發性、轉移性軟組織肉瘤（soft tissue sarcoma，STS）中 Rad51 的表達情況，發現僅 3 例無 Rad51 表達，其余細胞核、核周以及細胞質中均有表達。當 STS 中外源性引入野生型 p53 后，Rad51 啟動子活性減弱，mRNA 和蛋白表達水平降低，STS對阿霉素增敏。同時發現在 p53 存在下，激活蛋白 2（activator protein 2，AP2）可結合到 Rad51 啟動子區域。提示 p53 和 AP2 可通過調控 Rad51 表達影響 STS 化療的效果，影響 STS 發展進程。

3.6 Rad51 與宮頸癌

Chen 等[34]采用免疫組織化學技術研究宮頸癌（cervical carcinoma，CC）和宮頸組織中 Rad51 表達情況。發現宮頸組織中 Rad51 陽性染色率占 13.95%，CC 組織中 Rad51 陽性染色率占 73.44%。與普通宮頸細胞相比，HeLa 細胞和 Siha 細胞中 Rad51 蛋白表達水平上調。Chen 等進一步研究 Rad51 抑制劑對 CC 細胞增殖的影響，結果發現與對照組相比，抑制劑組細胞生長和細胞活力顯著降低。同時在體外移植瘤實驗中，抑制劑組腫瘤生長顯著受抑。該機制與 Rad51 抑制劑阻礙細胞 G0/G1期向 S 期轉變，下調cyclin D1 和上調 p21 抑制腫瘤增殖有關。說明，Rad51 作為 CC 致癌基因，將是一個新的潛在的治療靶點。

4 問題與展望

電離輻射、缺氧和化療藥物等均可致 DNA 損傷，其中 DSBs 最為嚴重。若 DSBs 不能修復將導致染色體斷裂以及細胞死亡；若修復不當將導致基因組穩定性降低，表現為染色體重排或缺失，最終導致腫瘤的發生。DSBs 的修復方式主要有 HRR 和 NHEJ，其中 HRR 保真度高，對維持基因組的穩定發揮關鍵作用。研究發現Rad51 作為 HRR 的關鍵因子，在乳腺癌、結直腸癌、肺癌、頭頸部鱗癌、軟組織肉瘤和宮頸癌等惡性腫瘤中高表達，導致 DNA 損傷修復能力增強，引起腫瘤細胞對放化療耐受、侵襲轉移能力增強和抗腫瘤治療療效不佳。已有很多文獻報道，特異性降低 Rad51 表達可使腫瘤細胞對放化療增敏、減少腫瘤細胞侵襲轉移，且 Rad51 抑制劑與 PARP 抑制劑聯合治療具有潛在的臨床治療價值。但是，Rad51 在各腫瘤中的信號通路和相關作用靶點尚未完全闡明。因此，需要進一步探索 Rad51 的作用方式，為Rad51 靶向治療提供理論依據。

[1] Siegel RL, Miller KD, Jemal A. Cancer statistics, 2019. CA Cancer J Clin, 2019, 69(1):7-34.

[2] Kakarougkas A, Jeggo PA. DNA DSB repair pathway choice: an orchestrated handover mechanism. Br J Radiol, 2014, 87(1035): 20130685.

[3] Srivastava M, Raghavan SC. DNA double-strand break repair inhibitors as cancer therapeutics. Chem Biol, 2015, 22(1):17-29.

[4] Ward A, Khanna KK, Wiegmans AP. Targeting homologous recombination, new pre-clinical and clinical therapeutic combinations inhibiting RAD51. Cancer Treat Rev, 2015, 41(1):35-45.

[5] Shi J, Wang YJ, Wang N. Rad51 and the occurrence of breast cancer. J Med Res, 2010, 39(11):15-17. (in Chinese)

石靜, 王雅杰, 王寧. Rad51與乳腺癌的發生. 醫學研究雜志, 2010, 39(11):15-17.

[6] Feng SY, Du HZ, Huang Y, et al. Relationship between targeting RAD51 and cancer treatment. Prog Mod Biomed, 2017, 17(15): 2993-2995. (in Chinese)

馮書云, 杜鴻志, 黃悅, 等. 靶向RAD51與腫瘤治療的研究進展. 現代生物醫學進展, 2017, 17(15):2993-2995.

[7] Taylor MRG, ?pírek M, Chaurasiya KR, et al. RAD51 paralogs remodel pre-synaptic RAD51 filaments to stimulate homologous recombination. Cell, 2015, 162(2):271-286.

[8] Woditschka S, Evans L, Duchnowska R, et al. DNA double-strand break repair genes and oxidative damage in brain metastasis of breast cancer. J Natl Cancer Inst, 2014, 106(7):dju145.

[9] Wiegmans AP, Al-Ejeh F, Chee N, et al. RAD51 supports triple negative breast cancer metastasis. Oncotarget, 2014, 5(10):3261-3272.

[10] Liu G, Yang D, Rupaimoole R, et al. Augmentation of response to chemotherapy by microRNA-506 through regulation of RAD51 in serous ovarian cancers. J Natl Cancer Inst, 2015, 107(7):djv108.

[11] Huang F, Mazin AV. A small molecule inhibitor of human RAD51 potentiates breast cancer cell killing by therapeutic agents in mouse xenografts. PLoS One, 2014, 9(6):e100993.

[12] Fassett RG, Coombes JS. Astaxanthin, oxidative stress, inflammation and cardiovascular disease. Future Cardiol, 2009, 5(4):333-342.

[13] Naguib YM. Antioxidant activities of astaxanthin and related carotenoids. J Agr Food Chem, 2000, 48(4):1150-1154.

[14] Maoka T, Yasui H, Ohmori A, et al. Anti-oxidative, anti-tumor-promoting, and anti-carcinogenic activities of adonirubin and adonixanthin. J Oleo Sci, 2013, 62(3):181-186.

[15] Park JS, Chyun JH, Kim YK, et al. Astaxanthin decreased oxidative stress and inflammation and enhanced immune response in humans. Nutr Metab, 2010, 7:18.

[16] Ko JC, Chen JC, Wang TJ, et al. Astaxanthin down-regulates Rad51 expression via inactivation of AKT kinase to enhance mitomycin C-induced cytotoxicity in human non-small cell lung cancer cells. Biochem Pharmacol, 2016, 105:91-100.

[17] Tsai MS, Kuo YH, Chiu YF, et al. Down-regulation of RAD51 expression overcomes drug resistance to gemcitabine in human non-small-cell lung cancer cells. J Pharmacol Exp Ther, 2010, 335(3): 830-840.

[18] Lord CJ, Tutt AN, Ashworth A. Synthetic lethality and cancer therapy: lessons learned from the development of PARP inhibitors. Annu Rev Med, 2015, 66:455-470.

[19] Lee SB, Segura-Bayona S, Villamor-Payà M, et al. Tousled-like kinases stabilize replication forks and show synthetic lethality with checkpoint and PARP inhibitors. Sci Adv, 2018, 4(8):eaat4985.

[20] Zhao Q, Guan J, Zhang Z, et al. Inhibition of RAD51 sensitizes breast cancer cells with wild-type PTEN to olaparib. Biomed Pharmacother, 2017, 94:165-168.

[21] Wang J, Ding Q, Fujimori H, et al. Loss of CtIP disturbs homologous recombination repair and sensitizes breast cancer cells to PARP inhibitors. Oncotarget, 2016, 7(7):7701-7714.

[22] Di Leva G, Garofalo M, Croce CM. MicroRNAs in cancer. Annu Rev Pathol, 2014, 9:287-314.

[23] Wang Y, Huang JW, Calses P, et al. MiR-96 downregulates REV1 and RAD51 to promote cellular sensitivity to cisplatin and PARP inhibition. Cancer Res, 2012, 72(16):4037-4046.

[24] Czochor JR, Glazer PM. microRNAs in cancer cell response to ionizing radiation. Antioxid Redox Sign, 2014, 21(2):293-312.

[25] Liu Q, Jiang H, Liu Z, et al. Berberine radiosensitizes human esophageal cancer cells by downregulating homologous recombination repair protein RAD51. PLoS One, 2011, 6(8):e23427.

[26] Gasparini P, Lovat F, Fassan M, et al. Protective role of miR-155 in breast cancer through RAD51 targeting impairs homologous recombination after irradiation. Proc Natl Acad Sci U S A, 2014, 111(12):4536-4541.

[27] Alshareeda AT, Negm OH, Aleskandarany MA, et al. Clinical and biological significance of RAD51 expression in breast cancer: a key DNA damage response protein. Breast Cancer Res Treat, 2016, 159(1):41-53.

[28] Tennstedt P, Fresow R, Simon R, et al. RAD51 overexpression is a negative prognostic marker for colorectal adenocarcinoma. Int J Cancer, 2013, 132(9):2118-2126.

[29] Kara M, Yumrutas O, Ozcan O, et al. Differential expressions of cancer-associated genes and their regulatory miRNAs in colorectal carcinoma. Gene, 2015, 567(1):81-86.

[30] Huang J, Luo HL, Pan H, et al. Interaction between RAD51 and MCM complex is essential for RAD51 foci forming in colon cancer HCT116 cells. Biochemistry (Mosc), 2018, 83(1):69-75.

[31] Qiao GB, Wu YL, Yang XN, et al. High-level expression of RAD51 is an independent prognostic marker of survival in non-small-cell lung cancer patients. Br J Cancer, 2005, 93(1):137-143.

[32] Connell PP, Jayathilaka K, Haraf DJ, et al. Pilot study examining tumor expression of RAD51 and clinical outcomes in human head cancers. Int J Oncol, 2006, 28(5):1113-1119.

[33] Hannay JA, Liu J, Zhu QS, et al. RAD51 overexpression contributes to chemoresistance in human soft tissue sarcoma cells: a role for p53/activator protein 2 transcriptional regulation. Mol Cancer Ther, 2007, 6(5):1650-1660.

[34] Chen Q, Cai D, Li M, et al. The homologous recombination protein RAD51 is a promising therapeutic target for cervical carcinoma. Oncol Rep, 2017, 38(2):767-774.

2018-12-26

10.3969/j.issn.1673-713X.2019.02.014