驅動蛋白超家族作為肺癌潛在生物標志物和治療靶點的研究進展

楊 陽，馬宇星，梁藝穎，王譽熹

(1.四川大學華西口腔醫學院，成都 610041； 2.四川大學華西公共衛生學院，成都 610041；3.四川大學華西醫院呼吸與危重癥醫學科，成都 610041)

肺癌是全球發病率和病死率最高的惡性腫瘤之一，占癌癥總發病人數的11.6%、總死亡人數的18.4%[1]。肺癌可分為非小細胞肺癌和小細胞肺癌兩大類，非小細胞肺癌可進一步細分為幾種組織學亞型，其中鱗狀細胞癌和腺癌最多見。晚期非小細胞肺癌常采用含鉑化療和局部放療相結合的方法治療，但其患者5年生存率僅為5%～15%，且目前沒有得到顯著改善；而小細胞肺癌是侵襲性的神經內分泌惡性腫瘤，易迅速復發，患者5年生存率不到5%[2]。被批準用于小細胞肺癌的藥物只有依托泊苷和拓撲替康，雖然初始反應有60%～80%，但由于癌癥干細胞樣亞群導致多重耐藥性[3]，藥效往往非常短暫且極易復發。目前臨床上肺癌診斷的金標準是病理穿刺檢查，但穿刺活組織檢查為有創性操作，患者接受程度較低；影像學檢查及糖類抗原19-9、血清癌胚抗原等肺癌相關抗原檢測的敏感性與特異性相對較弱，只能作為輔助診斷或篩查指標。而驅動蛋白在肺癌的發生發展中起重要作用，不僅在腫瘤細胞染色體的運動及異常分裂、侵襲和轉移中發揮重要作用，還能影響胞內增殖凋亡信號通路，是非常有潛力的肺癌生物治療靶點。此外，驅動蛋白還能作為肺癌的診斷和預后標志物，為治療方案的擬定提供腫瘤分期和預后信息。現就驅動蛋白超家族(kinesin superfamily proteins，KIFs)作為肺癌潛在生物標志物和治療靶點的研究進展進行綜述。

1 驅動蛋白概述

驅動蛋白于1985年首次被發現，是從烏賊神經軸突和視葉中分離出的一類分子馬達，其能夠利用腺苷三磷酸酶水解所釋放的能量驅動自身及所攜帶的物質分子沿微管細絲正極做定向運動，進行胞內物質(如信息分子、囊泡、細胞器、染色體、蛋白質復合體)和信使RNA的運輸，并調節信號通路，從而發揮生物學效應[4]，對細胞的功能和形態至關重要。

目前KIFs有45個成員，被分為14個亞家族，命名為kinesin1～kinesin14，其中38種表達于神經組織[5]。驅動蛋白分子由兩條重鏈和兩條輕鏈組成，包括馬達結構域、PH結構域和FHA結構域，其中馬達結構域具有腺苷三磷酸結合位點及微管結合位點，并在KIFs中高度一致[6]。根據馬達結構域在重鏈上的位置不同，可分為在C端的C-kinesin、N端的N-kinesin以及中間的M-kinesin，大多數的驅動蛋白屬于N-kinesin。通常，N-kinesin和C-kinesin分別驅動微管正末端和負末端定向運動，而M-kinesin負責解聚微管[7]。PH結構域參與貨物的運輸，且能夠決定結合貨物的特異性，但FHA結構域的功能仍然未知。驅動蛋白不能單獨發揮作用，了解驅動蛋白的關鍵是研究其與貨物的連接機制，通過將貨物與驅動蛋白進行特定配對，可以對其相互作用進行微調[8]。

近年來，驅動蛋白的作用已從內在細胞過程擴展到病毒的發病機制，包括單純皰疹病毒和痘苗病毒[9]。此外，驅動蛋白活性與神經元健康及功能聯系密切，特別是神經元依賴于驅動蛋白進行長距離轉運以及突觸小泡前體和神經遞質受體(如谷氨酸)的正確定位[10]。驅動蛋白與一些神經發育或退行性疾病(如肌萎縮側索硬化和遺傳性痙攣性截癱)相關。然而目前有許多KIFs成員的功能尚未闡釋清楚，未來深入研究驅動蛋白與貨物的結合運輸機制以及信號系統的調節作用，可能能更好地理解驅動蛋白在疾病發生、發展中的功能。

2 驅動蛋白在肺癌中的作用

近年來研究表明，驅動蛋白表達水平的變化與肺癌的發生發展有直接關聯，驅動蛋白異常可以通過染色體過度凝集、紡錘體形成異常、細胞分裂缺陷、形成后期橋或非整倍體及有絲分裂阻滯，改變細胞內遺傳物質的分布，使細胞周期失控，最終漸進性地導致腫瘤發生[11]。不同驅動蛋白亞家族成員作用機制稍有不同(見表1)。

表1 驅動蛋白亞家族在肺癌中的作用

KIF：驅動蛋白家族；RET:轉染重排；STAT3:信號轉導及轉錄激活因子3；SRC：類固醇受體共激活因子；EGFR：上皮生長因子受體；FGFR：成纖維細胞生長因子受體；TGF-β：轉化生長因子-β；BRCA2：乳腺癌易感基因2；RAD51：DNA修復相關蛋白51基因；TPX2：Xklp2靶蛋白基因；FoxM1：叉頭盒蛋白M1基因；K-Ras:一種原癌基因；*乳腺癌轉移性肺癌，未提及病理類型；-：未報道

2.1kinesin1 KIF5B基因位于第10號染色體 p11.22區，表達產物KIF5B蛋白為kinesin1的一員，由9 634個氨基酸組成，在胞內運輸、有絲分裂、細胞形成等方面起重要作用[6]。轉染重排(rearranged during transfection，RET)基因重排是肺癌發生的驅動因素，最常見的重排為KIF5B-RET(72%)，被認為是導致肺癌的主要基因融合類型，大多數KIF5B-RET重排患者從不吸煙(63%)，多為肺腺癌(98%)及晚期患者(91%)[12]。Dacic等[13]認為，RET-KIF5B融合可能是放射性肺腺癌的一種遺傳機制。Qian等[14]認為，KIF5B-RET融合激酶通過多水平活化信號轉導及轉錄激活因子3促進肺癌細胞生長。而Das和Cagan[15]證明，KIF5B-RET的驅動蛋白和激酶結構域共同作用建立了微管和囊泡依賴性的RET-類固酶受體共激活因子-上皮生長因子受體-成纖維細胞生長因子受體信號轉導中樞。KIF5B除對肺癌的發生起重要驅動功能外，對腫瘤肺轉移也有重要轉運作用。Wang等[16]發現，磷脂酶D2產生的磷脂酸能與KIF5B結合，促進膜型基質金屬蛋白酶1表面轉運，從而促進小鼠乳腺癌細胞的肺轉移。Drilon等[17]進行的Ⅱ期臨床試驗證明，RET抑制劑卡博替尼能在RET重排的肺癌患者中產生快速和持久反應，但需要減少劑量。這可能與抑制血管內皮細胞生長因子受體2和其他非RET激酶而引起的目標外毒性有關[18]。單獨抑制RET的藥物在KIF5B-RET轉化細胞中表現不佳，但將RET抑制劑索拉非尼與靶向上皮生長因子受體、微管或成纖維細胞生長因子受體的藥物相結合，在果蠅和人細胞系KIF5B-RET模型中均具有強效[15]。

2.2kinesin2 KIF3C能夠與KIF3A蛋白結合，是kinesin2的重要組成部分[19]。據報道，KIF3C是一種損傷特異性的激酶，它通過調節和組織生長錐中的微管細胞骨架來促進軸突的生長和再生[20]。驅動蛋白是Smad2磷酸化和轉運所必需的物質，而轉化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)/Smads信號在乳腺腫瘤轉移過程中起重要作用。Wang等[21]進行體外實驗，發現TGF-β1誘導的磷酸化Smad2水平在乳腺癌細胞系中被KIF3C抑制劑作用后顯著降低，乳腺癌的肺淋巴結轉移被抑制，證明KIF3C在Smad2磷酸化和(或)轉運中起作用，且可以通過抑制KIF3C來控制Smad2磷酸化，從而抑制乳腺癌細胞中的TGF-β信號轉導，進而抑制乳腺癌的肺轉移。

2.3kineisin3 KIF14于1994年被發現，是kinesin3的家族成員[22]。KIF14定位于HeLa細胞的中心紡錘體，對于胞質分裂的最后階段至關重要，KIF14與香櫞激酶的蛋白質調節劑相互作用，在胞質分裂中的中間體有中心組織作用；敲除KIF14會導致中期平板染色體錯位，延遲有絲分裂、雙核細胞出現，從而導致多倍體和細胞凋亡[23]。癌癥的進展始于基因組的改變，其次反映在基因表達的改變上，有研究發現，KIF14是包括肺癌在內的多種癌癥的候選癌基因[24]。在肺癌中發現了含有KIF14的1q32的最小增益區域，該區域的增益與癌前病變至惡性病變的進展以及鱗狀細胞肺癌的轉移相關[25]。已有研究發現22例原發性肺腫瘤中有10例KIF14信使RNA表達增加3～34倍，在這個非常小的初步隊列中，KIF14水平升高的患者顯示出生存時間縮短的趨勢[24]。Corson等[26]首次通過大規模研究得出，KIF14信使RNA的表達是肺癌無病生存預后的獨立指標。高水平的KIF14可能通過刺激過早的胞質分裂和(或)逃避紡錘體檢查點而促進不受控制的增殖和癌細胞的非整倍體[27]。

2.4kinesin4 KIF4A大多在間期與核基質相關，而其中一小部分位于細胞質，能夠調節染色體的凝聚和分離，在后期紡錘體運動和胞質分裂中起重要作用[28]。通過基因芯片技術發現，KIF4A基因在肺癌臨床標本和細胞系中過表達；臨床病理證據表明，KIF4A陽性的非小細胞肺癌患者的腫瘤特異性生存期較KIF4A陰性患者短；多因素分析證實，KIF4A基因在手術切除標本中的過表達可作為預后不良患者輔助治療的參考指標[29]。非小細胞肺癌患者通常使用以鉑為基礎的化療藥物(如順鉑)，該藥物通過DNA雙鏈斷裂等機制發揮抗癌作用，KIF4A對DNA雙鏈斷裂修復能力的增強有重要作用，可能與先天或獲得性耐藥有關；試驗發現通過干擾小RNA去除KIF4A后，順鉑誘導的人非小細胞肺癌細胞周期阻滯于S期和G2/M期，細胞毒作用顯著增強；而KIF4A抑制劑能夠抑制順鉑誘導的人非小細胞肺癌患者的乳腺癌易感基因2和DNA修復相關蛋白51基因的病灶形成能力，并限制順鉑誘導的多聚ADP核糖聚合酶1活性的進一步增強；研究證實，KIF4A中的色激肽是一種新的順鉑敏感性調節劑，它通過多種機制在人非小細胞肺癌細胞中顯著增強這種敏感性[30]。這些研究結果表明，KIF4A分子能夠為抗癌藥物的開發以及臨床預后生物標志物的確定提供依據。

2.5kinesin5 KIF11是kinesin5家族的一員，在紡錘體中交叉連接反平行的微管[31]。KIF11能夠控制微管的正確排列，防止微管的降解，被人類Xklp2靶蛋白基因編碼的蛋白調控，在肺癌的發生發展中起重要作用[32]。在96%的非小細胞肺癌患者腫瘤組織中KIF11高表達，其中鱗狀細胞癌中基因的過表達顯著高于腺癌，與正常組織中的基因表達比較差異有統計學意義；免疫熒光研究表明，這種有絲分裂相關蛋白在細胞分裂過程中與紡錘體共定位，在單變量分析中，KIF11主要在肺腺癌中成為預后指標[33]。Kato等[34]發現，肺大細胞癌和鱗狀細胞癌中KIF11高水平表達的患者總體生存時間遠低于KIF11低水平表達者，認為KIF11的高表達是肺大細胞癌和鱗狀細胞癌患者的獨立預后因素。干擾小RNA敲除KIF11[34]，或使用異松果苷、SB-743921、ARRY-520和氯丙嗪抑制KIF11，對腫瘤生長有顯著抑制作用，均可導致非小細胞肺癌細胞株存活率顯著下降[35]。Lee等[36]發現，噴他脒和氯丙嗪在有絲分裂中的雙重作用可產生協同抗腫瘤作用。體外研究發現，白藜蘆醇能夠有效抑制A549細胞生長，通過分析基因和蛋白表達的變化發現KIF11下調，表明白藜蘆醇可能對細胞分裂G2/M期也有調節作用[37]。

2.6kinesin6

2.6.1KIF23 KIF23是胞質分裂的關鍵調節因子，KIF23功能障礙導致胞質分裂不完全，形成雙核或多核細胞，預示著腫瘤細胞的形成；而KIF23過表達可能導致染色體分離缺陷，從而導致染色體不穩定，形成非整倍體，與腫瘤發生密切相關[38]。KIF23在乳腺癌[39]、神經膠質細胞瘤[40]等多種腫瘤組織中表達上調，猜測KIF23可能在非小細胞肺癌的發展中起一定作用。V?lk等[41]發現，KIF23在非小細胞肺癌中表達上調，Kato等[42]的研究得到相同的結論，且通過多變量分析，肺腺癌KIF23高表達也被確定為一個獨立的預后因素。RNA干擾介導的KIF23的缺失抑制了肺癌細胞株體內的腫瘤形成和誘導細胞凋亡，表明KIF23可能是治療肺癌的一種新靶點[43]。以上研究一致表明KIF23在非小細胞肺癌的發生發展中起重要作用，且可作為生物標志物和藥物靶點指導非小細胞肺癌的診斷與治療，但關于KIF23在腫瘤發生中的具體機制目前尚無有關研究進行闡釋。

2.6.2KIF20A KIF20A又稱有絲分裂蛋白樣蛋白2，與高爾基體運動有關，在間期與結合鳥苷三磷酸的Rab6蛋白相互作用，是細胞分裂成功過程中細胞周期調控的關鍵[44]。KIF20A過表達與腫瘤細胞增殖、腫瘤進展及侵襲、臨床療效差、總生存率低相關，被認為是一種腫瘤相關抗原[45]。KIF20A在胰腺癌、胃癌、卵巢透明細胞癌等多種癌癥的發生發展過程中發揮重要作用，在肺癌中的作用目前研究較少。Zhao等[46]的研究首次分析了KIF20A在肺腺癌中的表達及功能，他們通過免疫組織化學分析發現，與正常肺組織相比，肺腺癌組織中的KIF20A水平普遍上調；此外，KIF20A的高表達與更短的總生存期顯著相關，多變量回歸分析顯示，KIF20A是肺腺癌的獨立預后因素，沉默KIF20A后，細胞增殖受到抑制，且細胞凋亡增加。因此，KIF20A可能是肺腺癌新的潛在標志物。放療可誘導多種腫瘤細胞轉移，放射敏感性降低是癌癥放療過程中遇到的主要障礙之一。以往研究表明，叉頭盒蛋白M1(forkhead box protein M1，FoxM1)可能是誘導腫瘤侵襲轉移的關鍵基因，FoxM1高表達與非小細胞肺癌患者預后不良顯著相關[47]。Xiu等[48]的數據表明，抑制FoxM1可提高肺癌細胞對放療的敏感性；與單獨放療相比，剔除FoxM1基因后遷移和侵襲顯著減少；研究還發現，KIF20A在肺癌放療后表達增加，且KIF20A過表達顯著增加了肺癌細胞的增殖、侵襲和遷移，提示KIF20A可能與放療抵抗有關；由于KIF20A是FoxM1的轉錄靶點之一，他們進一步研究了KIF20A與FoxM1的關系，結果表明KIF20A過表達解除了FoxM1對細胞增殖的抑制作用，從而減少了非小細胞肺癌細胞A549的凋亡，提示KIF20A在放療后FoxM1介導的肺癌細胞輻射抵抗中起重要作用。但如何通過KIF20A解決最終的放療抵抗問題仍需進一步研究。

2.7kinesin8

2.7.1KIF18A KIF18A主要位于細胞質和細胞核內，由898個氨基酸殘基組成，分子量為100 000，已被證明是微管正端定向解聚劑，在膜細胞器以及蛋白復合物的定位中扮演重要角色[49-50]。KIF18A與乳腺癌、肝癌等多種腫瘤的發生、發展和預后關系緊密。KIF18A在肺腺癌組織中的表達顯著高于正常組織，KIF18A高表達的患者總體生存期和無復發生存期明顯較差，KIF18A表達增加可作為乳腺癌的獨立預后因素；通過對腫瘤基因組圖譜肺腺癌深度測序數據的分析，在2.6%的肺腺癌病例中檢測到KIF18A突變，KIF18A基因的下調在體內外均明顯抑制細胞增殖，沉默KIF18A可誘導肺腺癌細胞凋亡[51]。上述研究表明，KIF18A能夠促進細胞增殖，抑制細胞凋亡，是肺腺癌患者有價值的預后預測因子和潛在的治療靶點。

2.7.2KIF18B 與KIF18A相同，KIF18B也限制了微管在有絲分裂過程中的生長。不同的是，KIF18B定位于正端依賴于與正端跟蹤蛋白EB1的結合，這使得KIF18B潛在的正端定向運動與正端積累之間的關系尚不清楚。KIF18B基因敲除可導致紡錘體微管組織缺陷和星形小管數量急劇增加，KIF18B敲除細胞在染色體排列上有缺陷，但在染色體分離上無缺陷[52]。目前關于KIF18B在腫瘤中的作用研究甚少，但有證據表明，KIF18B促進了宮頸癌等腫瘤的發展進程[53]。Itzel等[54]的研究表明，KIF18B基因在肺癌組織中的平均表達是正常組織的22倍，KIF18B過表達可促進細胞增殖，并且基于數據庫發現KIF18B與肺癌的預后有關。有關kinesin8家族蛋白的研究目前仍在數量和質量上較為缺乏，同其他蛋白一樣，在影響腫瘤的分子機制方面幾乎處于空白狀態。

2.8kinesin13

2.8.1KIF2A KIF2A在細胞分裂過程紡錘體的形成及細胞運動過程骨架的改變中具有重要作用，其因在乳腺癌、胃癌、彌漫性大B細胞淋巴瘤等多種人類癌癥中的致癌作用及預后價值而受到關注。Xie等[55]發現，與鄰近正常組織相比，KIF2A在肺腺癌組織中過表達。 Uchida等[56]在肺鱗癌臨床標本中證實了miR-451a的下調，并發現miR-451a的低表達與肺鱗癌患者的不良預后顯著相關，而miR-451a能夠直接調控KIF2A表達，多因素分析表明，KIF2A在肺腺癌組織中的高表達是影響肺腺癌患者生存的獨立危險因素；在體外，KIF2A基因敲除可明顯抑制上皮-間充質轉化和肺腺癌細胞的遷移，沉默KIF2A可抑制肺腺癌細胞增殖和誘導細胞凋亡。因此，KIF2A可作為肺腺癌的一個有價值的預后指標和有前景的治療靶點。此外，功能分析表明，KIF2A是肺鱗癌發病機制中的重要基因，其過表達參與肺鱗癌的發病過程，故KIF2A基因被定性為一種原癌基因[56]。

2.8.2KIF2C KIF2C可調節細胞中的微管運動，對有絲分裂后期染色體分離非常重要。Huang和Gao[57]發現，KIF2C在非小細胞肺癌與鄰近正常組織中存在差異表達，KIF2C信使RNA水平在非小細胞肺癌組織和細胞中上調；且多變量分析表明，KIF2C在肺腺癌中的過度表達是肺腺癌患者總體生存率較低的獨立危險因素；進行生存分析評估發現，KIF2C與非小細胞肺癌的預后密切相關，KIF2C可能成為非小細胞肺癌患者潛在的診斷和預后生物標志物。關于KIF2C在肺癌細胞中的調節機制，Zaganjor等[58]認為，由于KIF2C的解聚活性增加了微管的動態不穩定性，從而影響K-Ras(一種原癌基因)突變，上調細胞遷移和侵襲基質凝膠的能力，以增強腫瘤細胞的遷移和侵襲。

3 小 結

近年來，驅動蛋白作為潛在的腫瘤治療靶點已成為研究熱點。驅動蛋白在癌組織和正常組織中呈差異性表達，可以作為多種腫瘤的診斷標志物；驅動蛋白表達與腫瘤分期相關，可作為獨立的危險因素起到預測預后的作用。目前的報道較多地肯定了驅動蛋白在肺癌細胞的增殖、抗凋亡、異常分裂、侵襲轉移等過程中的重要作用，但仍存在臨床標本量不足、方法局限等問題，且關于驅動蛋白與上下游分子關系的研究較少，參與細胞增殖和凋亡的信號通路等具體分子調控機制仍不十分明確。因此，此后的研究應更多地著眼于驅動蛋白在肺癌發生發展以及侵襲轉移中的作用，為肺癌未來的靶向治療提供依據。