驅動蛋白家族在結直腸癌中作用的研究進展

孫世杰，呂嘉晨，佟金學

哈爾濱醫科大學附屬腫瘤醫院，哈爾濱150001

結直腸癌是一種高發病率和高病死率的消化系統惡性腫瘤，其發病率和病死率分別居全球惡性腫瘤的第三、四位［1-2］。目前，電子結腸鏡檢查是診斷結直腸癌最直觀、可靠的手段，不僅可直視下觀察結直腸黏膜的細微病變，還可通過組織活檢或細胞學檢查確定病變性質，但其作為一種有創的侵入性檢查，存在腸出血、腸穿孔等嚴重并發癥或患者不耐受情況。癌胚抗原（CEA）作為傳統腫瘤標志物的代表，其血清水平持續升高5～10 倍對結直腸癌診斷才有指導意義［3］。但在結直腸癌早期血清CEA 水平升高并不明顯。在治療方面，結直腸癌往往存在嚴重的原發性或繼發性耐藥現象。鑒于結直腸癌的診療局限性，學者們一直在積極探索新一代液體活檢技術［4］及其分子治療靶點［5-6］。經過國內外學者不斷探索，終于找到了一種蛋白質——驅動蛋白，有可能為結直腸癌早期診斷和靶向治療帶來新的希望。驅動蛋白是一種重要的細胞內運輸“貨物”的分子馬達，迄今為止，共發現45 個驅動蛋白家族（KIFs）成員。大多數KIFs 成員對結直腸癌的發生、發展具有促進作用，個別KIFs 成員則具有促癌和抑癌雙重作用。本文結合文獻就KIFs 在結直腸癌中作用的研究進展作一綜述。

1 KIFs概述

1.1 KIFs 發現歷程 20 世紀80 年代，HIROKAWA等［7］采用冷凍技術、顯微成像技術和免疫細胞化學技術等研究發現，在微管結構域和膜結合的細胞器之間存在一些復雜的網絡交聯物，該網絡交聯物后來被證實為KIFs。FUNATSU 等［8］將KIFs 與動力蛋白、肌球蛋白進行對比發現，KIFs 由三磷酸腺苷（ATP）驅動，其底物的釋放需要經過多個酶促反應。但該研究并未對KIFs 實現生物運動的分子機制進行深入探索。直到本世紀初，學者們運用現代醫學技術發現了更多KIFs成員，并對KIFs成員進行了系統命名［9］。

1.2 KIFs 結構、分類和功能 KIFs 是一種重要的細胞內運輸“貨物”的分子馬達，主要功能是參與細胞有絲分裂過程中染色體聚集、紡錘體形成和細胞內物質運輸等。每個驅動蛋白由一個或多個頭部結構域（也稱運動域，約由300 個氨基酸殘基組成）連接到一個由多段α螺旋線圈組成的尾部。根據其運動域位置，KIFs 可籠統地分為39 個N 型驅動蛋白、3個M 型驅動蛋白和3 個C 型驅動蛋白，其中N、C 型驅動蛋白分別驅動微管正、負端運動，而M 型驅動蛋白負責解聚微管。目前使用較廣泛的是另一套細化的驅動蛋白命名原則，它定義了14個主要的驅動蛋白亞家族（Kinesin1～Kinesin14）［9］。

近年來，有學者采用生物信息學分析、組織或細胞學實驗方法等發現，許多KIFs 成員對肺癌、乳腺癌、結直腸癌等惡性腫瘤的發生、發展具有促進作用［10］。個別KIFs 成員則具有促癌和抑癌雙重作用。不僅如此，部分KIFs 成員在惡性腫瘤中的作用還會隨著病情進展而發生變化。因此，KIFs 成員在結直腸癌中的作用逐漸成為臨床研究的熱點。與結直腸癌發生、發展密切相關的KIFs 成員及其作用見表1。

表1 與結直腸癌發生、發展密切相關的KIFs成員、作用及其表達變化

2 KIFs在結直腸癌中的作用

2.1 KIF3C KIF3C 屬于Kinesin2 亞家族，該亞家族同時含有參與微管動力學調節和細胞內定向物質運輸的同二聚體和異二聚體分子馬達。KIF3C 具有可調節微管動力學的特殊L11 環狀結構，此結構存在于富含甘氨酸和絲氨酸的催化馬達結構域中，并且含有一個由25 個氨基酸殘基組成的插入序列［11］。SON等［12］對聚合酶鏈反應產物進行放射性同位素標記并用DNA 直接測序，分析了KIF3C 中的一個野生型G7 重復序列，然后對100 例份具有高微衛星不穩定基因的結直腸癌樣本和45 例份具有微衛星穩定基因的結直腸癌樣本進行處理和分析，結果在5%的結直腸癌樣本中發現KIF3C 移碼突變，而在匹配的正常結直腸組織中未見任何突變證據。該突變是核苷酸重復序列中一個堿基的缺失或復制，繼而導致氨基酸翻譯的移碼。因翻譯過早停止導致KIF3C不成熟，類似于典型的失活突變。KIF3C 的移碼突變所生成的不成熟產物不僅影響細胞的形態和代謝，還會影響其抑癌基因功能，甚至導致抑癌基因功能失活，間接促進了結直腸癌的發生。此外，KIF3C的移碼突變還有可能直接誘發結直腸癌的發生，但其確切機制尚在探索階段。

2.2 KIF14 KIF14 屬于Kinesin3 亞家族，其基因定位于人染色體1q32.1。KIF14 是一種N 型驅動蛋白，含有4個保守的功能結構域，主要參與有絲分裂過程中染色體聚集、排列和胞質分裂。目前，在結直腸癌中已檢測到1q32 的基因組增益。WANG 等［13］研究發現，KIF14 在結直腸癌組織中表達上調，并參與基因組擴增和轉錄激活，從而證實KIF14 能夠促進結直腸癌細胞增殖。miR-200c 是一種公認的腫瘤抑制因子，能夠在轉錄后水平調節KIF14表達，即miR-200c 表達下調可能導致KIF14 表達增加，這又將促進基因組擴增和轉錄激活，進而促進結直腸癌細胞增殖。KIF14 作為結直腸癌細胞增殖的標志物，未來爭取能夠研發出敏感性、特異性和穩定性俱佳的新一代腫瘤標志物。

2.3 KIF4A KIF4A 屬于Kinesin4 亞家族，其基因定位于人染色體Xq13.1。KIF4A 由1 232 個氨基酸組成，主要分布于細胞核，其功能是調節有絲分裂過程中染色體的聚集和分離。KIF4A功能異常可能與子代細胞非整倍體形成所導致的遺傳穩定性喪失有關，這可能間接促進腫瘤形成［14］。HOU 等［15］研究報道，KIF4A 可通過調節p21 啟動子加速細胞周期轉化，從而促進細胞增殖；通過Transwell 分析發現，KIF4A 能夠促進結直腸癌轉移；通過多因素Cox 回歸分析發現，KIF4A 是影響結直腸癌患者預后的獨立危險因素。MATSUMOTO 等［16］研究發現，在結直腸癌組織中KIF4A表達明顯升高，但其表達與Ki-67表達無明顯相關性；而敲除KIF4A基因后，結直腸癌細胞的增殖能力明顯降低。進一步證實KIF4A對結直腸癌細胞增殖具有促進作用。因此，KIF4A 能夠間接促進結直腸癌細胞增殖和遷移作用，并可作為判斷結直腸癌預后的獨立危險因素。

2.4 KIF11 KIF11 屬于Kinesin5 亞家族的正端定向運動成員，主要參與增殖細胞的中心體遷移、細胞周期轉化和紡錘體組裝等有絲分裂過程。KIF11 存在多個變構位點，其確切的運行機制仍不清楚。ZHANG 等［17］對KIF11 的結構和動力學進行預分析及結合位點映射，確定了以S1 為代表的變構位點，并采用Sitemap 程序分析了KIF11 的晶體結構，發現其S1 位點的預測參數為0.98，表明S1 位點是小分子藥物緊密結合的極佳位點；進一步研究發現，S1位點位于驅動蛋白頸部連接區域中活性位點的反側，由短α 螺旋和周圍β 折疊的殘基組成。為了驗證S1 的可信性及靶向調節KIF11 的能力，學者們通過基于結構的虛擬篩選工作流程，確定了以SRI35566 為代表的化合物，并通過稀釋試驗證實其為KIF11 抑制劑。這種KIF11 抑制劑能夠誘導結直腸癌細胞形成單極紡錘體，并抑制其細胞活性。IMAI 等［18］檢測了100 例份結直腸癌組織KIF11 表達，結果發現62 例份結直腸癌組織KIF11 陽性表達；采用RNA 干擾技術抑制結直腸癌細胞KIF11 表達發現，用于表征腫瘤干細胞的球狀集落數量減少。結果提示，在自然病程狀態下，KIF11 具有促進結直腸癌細胞增殖的作用；當KIF11 變構調節位點S1 與SRI35566 化 合 物 結 合 時，KIF11 的 功 能 被 抑制，導致結直腸癌細胞形成單極紡錘體，從而抑制結直腸癌細胞增殖。未來以KIF11變構調節位點S1為出發點，以SRI35566 為代表的小分子化合物為落腳點，進而探索結直腸癌潛在的分子治療靶點和抗腫瘤藥物。

2.5 KIF20B KIF20B 屬于Kinesin6 亞家族，是一種微管相關蛋白，其結構中含有一個高度保守的運動域，通過與微管結合并利用ATP 酶水解產生的機械力沿微管正端方向運動。在有絲分裂過程中，KIF20B 憑借其特異性磷酸化能力參與細胞分裂，進而促進結直腸癌細胞增殖。因此，KIF20B 可作為結直腸癌細胞有絲分裂的標志物［19］。LIN 等［20］研究發現，KIF20B 在結直腸癌組織中高表達，并且其高表達與結直腸癌遠處轉移密切相關，證實KIF20B在結直腸癌細胞的侵襲和遷移過程中具有一定作用。在未來的研究中，需要重點關注KIF20B是否具備成為診斷結直腸癌的腫瘤標志物。

2.6 KIF18A KIF18A 屬于Kinesin8 亞家族，其在有絲分裂早期染色體聚集，有絲分裂中期染色體正確排列和紡錘體準確構建中發揮重要作用。有研究報道，KIF18A在肺癌、乳腺癌、結直腸癌等惡性腫瘤的發生、發展過程中發揮一定作用［10］。NAGAHARA等［21］研究發現，結直腸癌組織KIF18A mRNA表達明顯高于癌旁正常組織；多因素分析表明，KIF18A 高表達是影響結直腸癌患者術后總生存期的獨立危險因素。結果提示KIF18A 與結直腸癌病情進展和患者預后有關。另外，通過特異性小干擾RNA 靶向敲除KIF18A 基因時，結直腸癌細胞的增殖、侵襲和遷移能力均明顯降低，進一步證實KIF18A在結直腸癌病情進展過程中發揮重要作用。未來要通過相關的基礎和臨床研究證實，KIF18A能夠作為結直腸癌的腫瘤標志物。

2.7 KIF26B KIF26B 屬于Kinesin11 亞家族，是一種只參與微管結合與調控，但不參與微管運動的非傳統驅動蛋白，并通過與非肌球蛋白重鏈Ⅱ相互作用參與N-鈣黏附素依賴的細胞黏附。STOLZE 等［22］研究發現，KIF26B 對應的上游基因中含有增強子變體——單核苷酸多態性rs12028528，這種增強子具有血管內皮細胞的特異性，并且可與包含KIF26B啟動子的基因組位點相互作用；單核苷酸多態性rs12028528 能夠通過上調KIF26B 表達，影響冠狀動脈疾病、糖尿病眼病和惡性腫瘤等血管形成依賴性疾病的發生、發展，從系統遺傳學角度證實KIF26B可能與血管形成依賴性疾病的遺傳易感性有關。WANG 等［23］觀察了結直腸癌組織及其配對的癌旁正常組織KIF26B mRNA 和蛋白表達，結果發現結直腸癌組織KIF26B mRNA 和蛋白表達均明顯升高，并且KIF26B表達上調與腫瘤直徑、T分期、N分期和組織分化程度等有關。此外，KIF26B 表達還被證實是影響結直腸癌患者總生存期的獨立危險因素。體外研究發現，敲除KIF26B基因能夠抑制結直腸癌細胞增殖。這些研究表明，KIF26B 表達與結直腸癌病情進展和患者預后密切相關。另外，關于KIF26B表達與血管形成依賴性疾病遺傳易感性有關的特性，在今后的研究中應引起重視，可采取多診療中心聯合長期觀察的方法，進一步確定KIF26B表達差異與結直腸癌遺傳易感性的關系。

2.8 KIF15 KIF15 屬于Kinesin12 亞家族，具有四聚體紡錘狀的馬達結構，當其運動時首先會被一個“ATP 類似物”的裝置捕獲，然后其頸部連接至催化核心完成后續運動過程［24］。KIF15 還具有維持紡錘體主軸雙極性的功能。SUN 等［25］從GEO 數據庫中下載了5個基因表達譜，篩選出352個與結直腸癌相關的差異表達基因，然后運用數據庫、蛋白質相互作用網絡的檢索工具確定了10個核心差異表達基因，再通過單因素和多因素Cox回歸分析，最終確定了5個對結直腸癌預后有預測價值的基因，KIF15 即為其一。根據這一風險評分系統，高風險患者生存率顯著低于低風險患者。最后，研究者在GSE17536、GSE33113 兩個獨立的GEO 隊列驗證了上述基因標志，并在TCGA數據庫中發現上述5個標志性基因均為差異表達基因。因此，結直腸癌細胞內KIF15極有可能通過破壞靶細胞紡錘體雙極性的形成而擾亂細胞有絲分裂周期，導致子代產物產生異質性，從而促進了結直腸癌的發生、發展。此外，KIF15高表達往往提示結直腸癌患者預期生存率較低。未來應進一步探索KIF15促進結直腸癌發生、發展的分子通路。

2.9 KIF2A KIF2A 屬于Kinesin13亞家族，是一種非運動性的M 型驅動蛋白，具有微管解聚酶活性，可參與有絲分裂過程中雙極紡錘體組裝。有研究報道，KIF2A 可能與部分惡性腫瘤的發生、發展及患者預后有關［26］。FAN 等［27］研究發現，KIF2A mRNA 和蛋白在結直腸癌組織中特異性表達；采用單因素和多因素Cox 回歸分析發現，KIF2A 過表達與結直腸癌TNM 分期和腫瘤細胞穩定性密切相關。由此認為，KIF2A 的微管解聚酶功能紊亂可導致細胞周期過早停止而形成不成熟產物，進而導致結直腸癌形成；而KIF2A過表達則可導致腫瘤細胞穩定性降低，從而易發生遷移，如此往復，陷入惡性循環。未來應進一步探索擾亂KIF2A 功能的始動因子，并深入研究其致病機制，有針對性地研制其抑制劑，從而靶向治療結直腸癌。

2.10 KIF2C KIF2C 亦屬于Kinesin13 亞家族，是Wnt/β-catenin 信號途徑的直接靶點［28］。與KIF2A一樣，KIF2C 也是將其ATP 轉化產生的能量耦合到微管末端實現解聚。KIF2C 通過調節微管動力學，參與紡錘體組裝以及姐妹染色體聚集、分離和糾錯等細胞分裂過程。KIF2C 缺失會引起細胞紡錘體組裝、染色體聚集和分離缺陷，導致染色體不穩定，最終引起腫瘤。有研究表明，KIF2C 過表達能夠促進結直腸癌細胞的侵襲、遷移能力［29］，這一現象可能與其重塑細胞骨架有關。GNJATIC 等［30］采用實時定量聚合酶鏈反應和免疫印跡測定方法檢測了結直腸癌組織和細胞中NY-CO-58/KIF2C 表達，結果發現結直腸癌細胞NY-CO-58/KIF2C 高表達，且其表達與Ki-67表達呈正相關關系，證實KIF2C表達上調能夠促進結直腸癌細胞的增殖能力。KIF2C 缺失會引起染色體傳代異常，進而導致遺傳性狀改變，從而誘導結直腸癌的發生、發展；KIF2C 過表達則會促進結直腸癌細胞的增殖能力，而在異常增殖過程中，重塑細胞骨架又會促進結直腸癌細胞的侵襲和遷移，導致患者預后不良。這一看似矛盾的結論，恰恰證實了KIF2C 在結直腸癌不同發展階段所起的作用不同。在今后的研究中，要善于分析KIF2C 在結直腸癌不同發展階段的表達差異并靈活運用這一特點，將有助于開發具有特色的腫瘤標志物和治療靶點。

綜上所述，KIFs 能夠參與結直腸癌的發生、發展，部分KIFs 成員調控的特殊變構位點和其在結直腸癌中穩定高表達，有望成為結直腸癌的新一代生物標志物和治療靶點。但目前KIFs 參與結直腸癌發生、發展的具體信號通路及上下游調控的分子機制仍有待闡明。