DIO3基因在腫瘤發病機制中的作用研究進展

張桂蝦?施飛熊?周宇

【摘要】碘甲腺原氨酸脫碘酶3（DIO3）基因是編碼3型碘甲狀腺原氨酸脫碘酶的印跡基因。大量研究顯示，DIO3基因與多種疾病的發生、發展相關，特別是在腫瘤的發病中扮演重要角色。DIO3基因可影響腫瘤細胞增殖和分化，參與腫瘤的發生、發展過程，可能成為腫瘤藥物治療的新靶點。該文就DOI3基因在腫瘤發病機制中作用的研究進展作一綜述。

【關鍵詞】碘甲腺原氨酸脫碘酶3基因;脫碘酶;腫瘤發生

Research progress on the role of DIO3 gene in tumor pathogenesis Zhang Guixia， Shi Feixiong， Zhou Yu. Department of Gastroenterology， Affiliated Hospital of Guangdong Medical University， Zhanjiang 524000， China

Corresponding author， Zhou Yu， E-mail： ahdg2005@ 126. com

【Abstract】Type 3 iodothyronine deiodinase 3 （DIO3） gene is an imprinted gene encoding type 3 iodothyronine deiodinase. A large quantity of studies has demonstrated that DIO3 gene is associated with the incidence and progression of a variety of diseases， particularly in the pathogenesis of tumors. DIO3 gene can affect the proliferation and differentiation of tumor cells and participate in the occurrence and development of tumors， which possibly becomes a novel target for tumor drug therapy. In this article， the research progress on the role of DOI3 gene in tumor pathogenesis was reviewed.

【Key words】Iodothyronine deiodinase 3 gene;Deiodinase;Oncogenesis

腫瘤的發生是多種因素綜合作用的結果，其機制仍未明了。碘甲腺原氨酸脫碘酶3（DIO3）基因是一種編碼3型碘甲狀腺原氨酸脫碘酶（D3）的印跡基因，在多種腫瘤組織中表達異常，且與腫瘤的發生、發展密切相關，可能為腫瘤藥物治療的潛在靶點[1]。因此，深入了解DIO3基因在腫瘤發生、發展中的作用機制，對開發相關的腫瘤治療靶向藥物有重要意義。現筆者對DIO3基因與腫瘤關系的研究進展綜述如下。

一、DIO3基因結構與功能

1998年至1999年，Hernández等[2]學者鑒定出DIO3基因位于人染色體14q32和小鼠染色體12F1，是一個長度為1853 bp的單外顯子，其編碼區序列和啟動子結構在不同物種中高度保守，并提出其可能在物種發育中起重要作用的觀點。此外，該基因位于翻譯起始位點78 bp內的啟動子區域，富含CpG（80%），且含有對其功能至關重要的TATA盒以及CAAT和GC盒。

甲狀腺激素脫碘酶有3種類型：D1、D2和D3。3種脫碘酶形成具有同源催化結構域的跨膜酶家族，共同參與甲狀腺激素的激活和滅活，從而發揮其對機體的調節作用。其中D3是由DIO3基因編碼的一種含硒代半胱氨酸的蛋白質，是滅活T3和T4主要的脫碘酶，可催化T4向反T3轉化以及T3內環脫碘產生125I和3，3-二碘甲狀腺氨酸，這2種反應產物均無生物活性。D3通過調控局部甲狀腺激素水平，在機體的生長發育、免疫反應、干細胞的活化以及腫瘤的發生、發展等方面起重要作用[3]。

二、DIO3基因表達與腫瘤的發生、發展關系

不少研究者發現，DIO3基因在許多系統良惡性腫瘤中的表達均異常，提示其與腫瘤的發生、發展密切相關。

DIO3基因在腫瘤細胞中表達異常并影響其增殖和分化。研究顯示，DIO3基因在大腸癌組織中的表達高于健康腸組織，同時，在缺乏DIO3基因的情況下，過量的T3抑制大腸癌細胞增殖，并促進大腸癌細胞和其來源的異種移植小鼠模型中細胞的分化，提示DIO3基因與大腸癌的發生、發展有關[4]。也有研究者發現，D3在增殖角質形成細胞和小鼠及人類基底細胞癌（BCC）組織中的表達增加，敲除DIO3基因引起裸鼠中的BCC異種移植物生長減少[5]。在甲狀腺乳頭狀癌（PTC）中，D3的活性顯著增加并與DIO3 mRNA水平增加（約5倍）相平行，且在BRAFV600E突變的PTC組織中增加更顯著，提示DIO3基因與PTC有關[6]。然而，DIO3基因雖然在大部分腫瘤中的表達上調，但其在胃癌等一些腫瘤中的表達下調[7]。因此，DIO3基因在不同的腫瘤中可能存在不同的作用。

DIO3基因表達異常影響腫瘤患者的預后和某些臨床表現。研究顯示，D3活性增加與PTC大小呈正相關、與淋巴結或遠處轉移有關[6]。在另一項研究中也顯示，沉默DIO3基因可使G1期細胞比例增加、S期與G2期細胞比例顯著降低，且在患者轉移瘤淋巴結組織中出現與原發腫瘤類似的D3上調[8]。這些研究均提示DIO3基因的異常表達可能影響腫瘤的分級和分期，進而影響患者預后。也有研究顯示，DIO3基因在某些腫瘤組織中的過度表達可能引起消耗性甲狀腺功能減退，并影響藥物療效。例如，在肝血管瘤中，這種副腫瘤綜合征的主要特征為FT4、FT3持續降低，TSH升高且不能被高劑量的左旋甲狀腺素（LT-4）抑制，對LT-4的替代治療反應不佳，但手術切除原發腫瘤后，TSH恢復正常[9]。Baqui等（2003年）的研究解釋了D3的細胞外定位可能與這一副腫瘤綜合征的發生有關。

三、DIO3基因參與腫瘤發生的機制

1. DIO3基因通過絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）和音猬因子（SHH）/GLI信號通路在腫瘤中發揮作用

MAPK信號通路由4個不同的級聯共享，包括細胞外信號相關激酶（ERK1/2）、Jun氨基末端激酶（JNK1/2/3）、p38-MAPK和細胞外信號調節激酶5（ERK5），該通路異常可引發包括癌癥在內的多種疾病。SHH是一種形態發生素，經典SHH信號通路是SHH與細胞膜上的受體蛋白Patched1（Ptch1）結合后觸發另一個膜受體蛋白Smoothened（Smo）釋放活化轉錄因子GLI鋅指家族（GLI1、GLI2、GLI3），繼而GLI識別并結合到DNA上的GLI結合位點而刺激靶基因轉錄，是細胞分化和增殖的關鍵通路之一，其異常活化可促進腫瘤發生、發展[10]。

Romitti等[6]的研究表明，在PTC中DIO3基因表達上調是MAPK途徑和SHH/GLI1途徑異常活化的結果。應用MAPK級聯抑制劑U0126（ERK途徑）和SB203580（p38途徑）降低DIO3 mRNA水平;而且在BRAFV600E基因突變的PTC中，DIO3 mRNA水平和D3活性顯著升高，而BRAFV600E基因突變會誘導MAPK通路持續性激活，提示MAPK激活能上調DIO3 mRNA水平并增加D3酶活性。分別阻斷MAPK和SHH途徑均顯著下調GLI1和DIO3基因的表達，說明除MAPK 途徑外，SHH/GLI1信號通路也參與PTC中DIO3的上調，且MAPK可能通過調節SHH途徑的信號轉導，進而調節DIO3的表達[8]。有關BCC的研究也顯示， GLI2蛋白和GLI2突變體與DIO3啟動子結合后，能直接誘導DIO3轉錄，增加D3的表達量，而SHH也可以使D2表達減少，說明SHH信號通路參與BCC的發生、發展[5]。D2和D3在BCC中共同表達，使局部細胞內活性甲狀腺激素減少，影響細胞周期蛋白D1介導的進入G1-S期的細胞比例，從而在細胞周期進程和細胞凋亡中起關鍵作用[11]。另一項研究亦表明，D3活性是BCC細胞增殖和生存的關鍵。D3缺乏或T3處理會誘導BCC細胞凋亡并減弱SHH信號，其具體機制是T3通過PKA依賴性機制損害GLI2蛋白穩定性并減弱SHH信號來誘導BCC細胞凋亡[12]。因此，D3通過減弱T3的促分化和促凋亡作用以促進BCC細胞的增殖和存活。

2. DIO3基因通過Wnt/β-連環素（β-Catenin）信號通路在腫瘤中發揮作用

β-Catenin是細胞間連接和經典Wnt信號轉導途徑的重要組成部分，其進入細胞核并與轉錄因子T細胞因子（TCF）/淋巴增強因子結合而介導Wnt靶基因的激活，在維持腫瘤干細胞活性中起關鍵作用。

Kwon等（2001年）的干細胞研究顯示Notch對活性β-Catenin具有負性調控作用。而D3能抑制Notch活性，使Wnt/β-Catenin信號作用增強[13]。D3在各種CRC細胞系中表達上調，其機制可能是D3作為β-Catenin/TCF復合物的直接轉錄靶標，活化的β-Catenin能下調D2和上調D3表達。因此，在CRC中，D3與Wnt/β-Catenin通路之間可能形成一個正反饋環路調節T3在局部組織中的濃度。而T3通過負向調節有絲分裂信號如β-Catenin和正向調節分化標志物如E-鈣黏蛋白，發揮促進細胞分化和抑制細胞分裂的作用[4]。因此，Wnt/β-Catenin通路的異常活化可導致DIO3基因表達上調，進而影響T3抑制腫瘤發生的作用。

3. DIO3基因通過Smad和MAPK依賴性轉化生長因子-β（TGF-β）通路在腫瘤中發揮作用

與腫瘤發生、發展密切相關的TGF-β信號通路也參與了DIO3基因的轉錄調節[14]。有研究者發現，TGF-β1在血管瘤細胞、胎兒上皮和人類骨骼肌細胞中誘導內源性D3表達[6， 15]。TGF-β通過Smad依賴性途徑刺激DIO3基因的轉錄，但該作用僅在表達內源D3活性的細胞中出現，表明Smad對于D3誘導是必要但不充分的。TGF-β對D3的作用需要MAPK，并且與佛波醇酯和幾種通過受體酪氨酸激酶進行信號轉導的促細胞分裂劑協同作用才能完成[15]。因此，TGF-β通過Smad和MAPK依賴性途徑的協同作用誘導DIO3基因表達。

4. DIO3基因甲基化狀態與腫瘤發病機制的關系

DNA甲基化是一種表觀遺傳過程。機體患腫瘤時，DNA甲基化的紊亂表現為2種形式，即某些基因CpG島發生高甲基化，尤其是DNA啟動子區域的CpG島，以及發生全局性5-甲基胞嘧啶丟失。Martin-Subero等[16]通過一項基于微陣列的DNA甲基化研究發現DIO3 CpG位點在B淋巴細胞、T淋巴細胞和髓系惡性腫瘤中被高度甲基化，這可能在多種血液腫瘤的發展中起重要作用。周原等[17]綜述了包括多個增殖相關基因如GAS6、CDT1在內的基因高甲基化會促進腫瘤的惡性行為。因此推測，DIO3基因CpG的高甲基化也可能參與腫瘤的發病機制，可能影響腫瘤患者的預后。鋸齒狀腺癌（SAC）是一種特殊類型CRC，具有獨特的表觀遺傳調控模式，預后比傳統CRC差。有研究顯示，SAC中DIO3 CpG的甲基化程度顯著高于傳統的CRC，并且證實qPCR高度甲基化導致mRNA表達水平降低，但免疫組織化學檢查結果顯示SAC癌細胞胞質中D3顆粒染色強度高于CRC，提示可能是具有不同調節和穩定性的替代基因轉錄本翻譯的結果，或者可能存在一種負反饋機制，即D3在胞質中的累積可能促進甲基化驅動的DIO3基因沉默，但這種推測尚未得到證實，仍需要進一步研究[1]。因此，DIO3的高甲基化狀態可能對腫瘤的發生、發展有一定的影響，但更具體的機制尚未清楚。

5. 其 他

在胰島瘤細胞中，胰高血糖素樣肽-1通過cAMP-PKA-D3途徑上調DIO3基因表達，進而調節胰腺β細胞內T3濃度和β細胞功能[18]。Di Girolamo等（2016年）的研究顯示，在BCC中，miR21通過抑制頭狀轉錄因子3表達而誘導DIO3的表達，減少腫瘤微環境中的甲狀腺激素而促進腫瘤增殖，提示miRNA參與DIO3的致癌過程。缺血、缺氧通過誘導促進Hsp40介導D3向核易位，促進甲狀腺激素受體附近的甲狀腺激素失活。這種通過適應性調節減少甲狀腺激素信號轉導的機制，從長期來看，可能會刺激局部細胞增殖，從而導致腫瘤的發生。

四、結 語

DIO3基因不僅對正常機體發育起作用，而且與多種良惡性腫瘤的發生及發展密切相關。DIO3基因參與的腫瘤調控機制錯綜復雜，不同調節通路之間往往存在交互作用。但通過調節DIO3基因的表達而改變局部活性甲狀腺激素濃度，繼而影響細胞的分化和增殖是許多腫瘤發生、發展的共同機制。關于DIO3基因在腫瘤中的具體調節通路方面仍有許多亟待解決的問題。矯正DIO3基因的異常表達或增加活性甲狀腺激素濃度可能成為某些腫瘤治療的新途徑，但需要更多的研究提供支持。

參 考 文 獻

[1] Conesa-Zamora P， García-Solano J， Turpin Mdel C， Sebastián-León P， Torres-Moreno D， Estrada E， Tuomisto A， Wilce J， M?kinen MJ， Pérez-Guillermo M， Conesa A. Methylome profiling reveals functions and genes which are differentially methylated in serrated compared to conventional colorectal carcinoma. Clin Epigenetics， 2015， 17（7）：101.

[2] Hernández A， Lyon GJ， Schneider MJ， St Germain DL. Isolation and characterization of the mouse gene for the type 3 iodothyronine deiodinase. Endocrinology， 1999，140（1）：124-130.

[3] Ciavardelli D， Bellomo M， Crescimanno C， Vella V. Type 3 deiodinase： role in cancer growth， stemness， and metabolism. Front Endocrinol （Lausanne）， 2014，17（5）：215.

[4] Dentice M， Luongo C， Ambrosio R， Sibilio A， Casillo A， Iaccarino A， Troncone G， Fenzi G， Larsen PR， Salvatore D. β-Catenin regulates deiodinase levels and thyroid hormone signaling in colon cancer cells. Gastroenterology， 2012，143（4）：1037-1047.

[5] Dentice M， Luongo C， Huang S， Ambrosio R， Elefante A， Mirebeau-Prunier D， Zavacki AM， Fenzi G， Grachtchouk M， Hutchin M， Dlugosz AA， Bianco AC， Missero C， Larsen PR， Salvatore D. Sonic hedgehog-induced type 3 deiodinase blocks thyroid hormone action enhancing proliferation of normal and malignant keratinocytes. Proc Natl Acad Sci U S A， 2007，104（36）：14466-14471.

[6] Romitti M， Wajner SM， Zennig N， Goemann IM， Bueno AL， Meyer EL， Maia AL. Increased type 3 deiodinase expression in papillary thyroid carcinoma. Thyroid， 2012， 22（9）：897-904.

[7] Lan X， Xing J， Gao H， Li S， Quan L， Jiang Y， Ding S， Xue Y. Decreased expression of selenoproteins as a poor prognosticator of gastric cancer in humans. Biol Trace Elem Re， 2017，178（1）：22-28.

[8] Romitti M， Wajner SM， Ceolin L， Ferreira CV， Ribeiro RV， Rohenkohl HC， Weber Sde S， Lopez PL， Fuziwara CS， Kimura ET， Maia AL. MAPK and SHH pathways modulate type 3 deiodinase expression in papillary thyroid carcinoma. Endocr Relat Cancer， 2016，23（3）：135-146.

[9] Huang SA， Fish SA， Dorfman DM， Salvatore D， Kozakewich HP， Mandel SJ， Larsen PR. A 21-year-old woman with cons-umptive hypothyroidism due to a vascular tumor expressing type 3 iodothyronine deiodinase. J Clin Endocrinol Metab， 2002，87（10）：445744-445761.

[10] Fattahi S， Pilehchian Langroudi M， Akhavan-Niaki H. Hedgehog signaling pathway： epigenetic regulation and role in disease and cancer development. J Cell Physiol， 2018，233（8）：5726-5735.

[11] Miro C， Ambrosio R， De Stefano MA， Di Girolamo D， Di Cicco E， Cicatiello AG， Mancino G， Porcelli T， Raia M， Del Vecchio L， Salvatore D， Dentice M. The concerted action of type 2 and type 3 deiodinases regulates the cell cycle and survival of basal cell carcinoma cells. Thyroid， 2017，27（4）：567-576.

[12] Luongo C， Ambrosio R， Salzano S， Dlugosz AA， Missero C， Dentice M. The sonic hedgehog-induced type 3 deiodinase facilitates tumorigenesis of basal cell carcinoma by reducing Gli2 inactivation. Endocrinology， 2014，155（6）：2077-2088.

[13] Catalano V， Dentice M， Ambrosio R， Luongo C， Carollo R， Benfante A， Todaro M， Stassi G， Salvatore D. Activated thyroid hormone promotes differentiation and chemotherapeutic sensitization of colorectal cancer stem cells by regulating wnt and bmp4 signaling. Cancer Res， 2016，76（5）：1237-1244.

[14] 黃慶，鄒旻紅，鄧偉雄，羅時敏，焦興元，曹杰. ?TGF-β誘導肝癌細胞向腫瘤干細胞分化的研究. 新醫學，2017，48（7）：449-454.

[15] Huang SA， Mulcahey MA， Crescenzi A， Chung M， Kim BW， Barnes C， Kuijt W， Turano H， Harney J， Larsen PR. Transforming growth factor-beta promotes inactivation of extracellular thyroid hormones via transcriptional stimulation of type 3 iodothyronine deiodinase. Mol Endocrino， 2005，19（12）：3126-3136.

[16] Martin-Subero JI， Ammerpohl O， Bibikova M， Wickham-Garcia E， Agirre X， Alvarez S， Brüggemann M， Bug S， Calasanz MJ， Deckert M， Dreyling M， Du MQ， Dürig J， Dyer MJ， Fan JB， Gesk S， Hansmann ML， Harder L， Hartmann S， Klapper W， Küppers R， Montesinos-Rongen M， Nagel I， Pott C， Richter J， Román-Gómez J， Seifert M， Stein H， Suela J， Trümper L， Vater I， Prosper F， Haferlach C， Cruz Cigudosa J， Siebert R. A comprehensive microarray-based DNA methylation study of 367 hematological neoplasms. PLoS One， 2009，4（9）：e6986.

[17] 周原，陸才德. DNA甲基化作為診斷標記物在胰腺癌診斷中的研究進展. 新醫學，2016，47（6）：349-353.

[18] Akiyama S， Ogiwara T， Aoki T， Tsunekawa K， Araki O， Murakami M. Glucagon-like peptide-1 stimulates type 3 iodothy-ronine deiodinase expression in a mouse insulinoma cell line. Life Sci， 2014，115（1-2）：22-28.

（收稿日期：2019-06-25）

（本文編輯：洪悅民）