CPS1 基因與腫瘤關(guān)系的研究進展

黃天勁 周宇

氨甲酰磷酸合成酶1（CPS1）又稱肝細(xì)胞石蠟抗原1，為催化尿素循環(huán)限速酶之一。尿素循環(huán)的主要功能是清除體內(nèi)代謝產(chǎn)生的有毒物質(zhì)氨，CPS1 功能缺失或降低可引起尿素循環(huán)障礙，進而導(dǎo)致高氨血癥，嚴(yán)重者可導(dǎo)致神經(jīng)功能障礙甚至死亡。近年來研究表明，CPS1 基因在多種腫瘤組織中存在差異性表達(dá)，可通過多方面影響腫瘤的發(fā)生發(fā)展及患者的預(yù)后。

一、CPS1 基因的結(jié)構(gòu)和功能

CPS 存在于高等生物及大多數(shù)細(xì)菌中，細(xì)菌中的CPS 用于合成精氨酸和嘧啶，而在高等生物中，不同的CPS 用于合成精氨酸、嘧啶及尿素。CPS1 專指真核生物中合成尿素的CPS，是由一個約120 kDa 大亞基和一個約40 kDa 小亞基融合成的多肽。CPS1 基因位于染色體2q34 上，長度超過120 kb，包含38 個外顯子和37 個內(nèi)含子，主要在肝細(xì)胞和腸上皮細(xì)胞中表達(dá)。真核生物中合成嘧啶的CPS 與AST、二氫轉(zhuǎn)氨酶構(gòu)成243 kDa的復(fù)合酶（CAD）。CPS1 及CAD 均能催化氨甲酰磷酸的形成，后者為一種不穩(wěn)定的高能磷酸化合物，是尿素和嘧啶合成的前體代謝物。

二、CPS1 與腫瘤的關(guān)系

1. CPS1 與肝細(xì)胞癌（HCC）的關(guān)系

CPS1 在HCC 及膽管細(xì)胞癌中起重要作用。有研究發(fā)現(xiàn)，在人HCC 組織中CPS1 的表達(dá)明顯下調(diào)，且其下調(diào)可能與其啟動子區(qū)CpG 高甲基化相關(guān)，故認(rèn)為CPS1 基因啟動子區(qū)的高甲基化可作為HCC 潛在的生物標(biāo)志物。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)，在HCC 中CPS1 的高甲基化引起其表達(dá)下調(diào)，可能有利于CAD 作用于谷氨酰胺，啟動合成嘧啶途徑，從而促進腫瘤細(xì)胞分裂。因此，CPS1 在HCC 組織表達(dá)下調(diào)與其甲基化有關(guān)。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，CPS1 與HCC 患者某些臨床病理指標(biāo)及預(yù)后有關(guān)。Wang 等研究發(fā)現(xiàn)，相對于中、高分化HCC，低分化HCC 中CPS1 表達(dá)量明顯上調(diào)，說明CPS1 與HCC 的分化程度有關(guān)。也有研究發(fā)現(xiàn)，CPS1 在復(fù)發(fā)性HCC 和遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移癌組織中明顯下調(diào)，并且低表達(dá)的CPS1 與HCC 患者的短生存期有關(guān)。然而，在肝內(nèi)膽管癌中，CPS1 和CPS1-IT1 表達(dá)均上調(diào)，敲除CPS1 或CPS1-IT1 基因可抑制ICC-9810 細(xì)胞增殖并促進其凋亡，并且CPS1和CPS1-IT1 在癌組織中表達(dá)增高提示患者預(yù)后不良。由此可見，在HCC 的2 個病理類型中CPS1的作用相反。CPS1 在HCC 中的作用機制仍未十分清楚。Chen 等研究發(fā)現(xiàn)，肝細(xì)胞核因子3β（HNF3β）可通過結(jié)合CPS1 啟動子區(qū)域，促進肝細(xì)胞株中CPS1 轉(zhuǎn)錄表達(dá)。也有研究發(fā)現(xiàn)，阿司匹林可能通過激活A(yù)MPK 信號通路，進而下調(diào)其下游靶蛋白CPS1 的表達(dá)，誘導(dǎo)HCC cAMP-PKACREB/atf1 信號通路轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而減弱阿司匹林的抗腫瘤作用。Aflatxion B1（AFB1）是一種能導(dǎo)致HCC 的霉菌毒素，AFB1 能下調(diào)正常肝細(xì)胞CPS1的表達(dá)，進而抑制細(xì)胞增殖及誘導(dǎo)其凋亡，并且CPS1 與具有分化作用的Ⅱ型細(xì)胞骨架1、白蛋白可能具有一定相互作用，其相互作用強度相關(guān)性被AFB1 改變，這提示CPS1 可能在肝組織分化中發(fā)揮作用。

2. CPS1 與肺癌的關(guān)系

CPS1 在肺癌中也發(fā)揮重要作用。Wu 等通過生物信息分析發(fā)現(xiàn)，CPS1 在肺腺癌組織中的表達(dá)水平明顯上調(diào)，且CPS1 上調(diào)與CPS1 的低甲基化相關(guān)。進一步研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)治療藥物莫特沙芬釓能降低CPS1 的表達(dá)水平。肝激酶B1（LKB1）是肺腺癌的一種腫瘤抑制因子，CPS1 在LKB1 失活的肺腺癌細(xì)胞系中的表達(dá)比LKB1 完整的肺腺癌細(xì)胞系明顯上調(diào)。敲除CPS1 可抑制肺腫瘤細(xì)胞生長，降低與核酸生物合成途徑相關(guān)的代謝物水平，并且在敲低基礎(chǔ)上使用吉西他濱等化學(xué)治療藥物時具有相加效應(yīng)，這表明CPS1 可能成為肺癌較有前景的治療靶點。在人非小細(xì)胞肺癌中，LKB1可通過AMPK 通路抑制CPS1 的轉(zhuǎn)錄，降低嘧啶/嘌呤值，影響S 期進程，導(dǎo)致DNA 聚合酶活性下降和DNA 損傷，促進腫瘤細(xì)胞的凋亡，加入外源嘧啶可以逆轉(zhuǎn)DNA 損傷及細(xì)胞凋亡。另有研究發(fā)現(xiàn)，在表皮生長因子受體（EGFR）突變型非小細(xì)胞肺癌中，在抑制EGFR 的基礎(chǔ)上敲低CPS1能導(dǎo)致精氨酸水平和嘧啶衍生物水平降低，進而抑制細(xì)胞增殖，加入外源性嘧啶類化合物能夠在一定程度上解除這種抑制效果，這為開發(fā)合理的EGFR 抑制劑聯(lián)合療法治療EGFR 突變的非小細(xì)胞肺癌提供理論基礎(chǔ)。AFF（1AF4/FMR2家族成員1）是超伸長復(fù)合體的核心因子，神經(jīng)降壓素（NTS）是一種由13 個氨基酸組成的神經(jīng)肽。Yue 等在肺腺癌細(xì)胞中研究發(fā)現(xiàn)，AFF1 可以通過抑制NTS的表達(dá)進而抑制CPS1 的表達(dá)，IL-6 通路能夠拮抗NTS 對CPS1 的調(diào)節(jié)作用，說明CPS1 的上游調(diào)控因子可能為NTS、IL-6 等。

3. CPS1 與結(jié)直腸癌的關(guān)系

CPS1 與結(jié)直腸癌亦相關(guān)。通過大數(shù)據(jù)分析庫（如The Cancer Genome Atla 等數(shù)據(jù)庫）分析發(fā)現(xiàn)，CPS1 在結(jié)腸腺癌組織中表達(dá)增加，并認(rèn)為CPS1是結(jié)腸癌進展的重要基因之一。也有研究發(fā)現(xiàn)，CPS1 與結(jié)直腸癌放射、化學(xué)治療作用有關(guān)。Lee等研究發(fā)現(xiàn)，CPS1 蛋白在結(jié)腸癌細(xì)胞中的表達(dá)比非腫瘤性人結(jié)腸上皮原代細(xì)胞高，在接受新輔助同步放射、化學(xué)治療的直腸癌患者中，CPS1 的過度表達(dá)預(yù)示治療效果差。在一項關(guān)于紫草素抗腫瘤活性的研究中發(fā)現(xiàn)，紫草素處理后的結(jié)腸癌小鼠模型中CPS1 mRNA 表達(dá)增加，說明紫草素的抗腫瘤作用可能與CPS1 有關(guān)。在另一個研究中，二甲雙胍可增加HCT116 移植瘤和結(jié)直腸癌細(xì)胞株中AMPK 和p53 的表達(dá)，進而降低CPS1 的表達(dá)。此外，通過蛋白質(zhì)組學(xué)分析顯示，CPS1 在潰瘍性結(jié)腸炎（UC）進展者（UC 伴高度異型增生或癌）組織中表達(dá)上調(diào)，在UC 非進展者（無不典型增生）中表達(dá)正常，提示CPS1 可能與UC 相關(guān)的結(jié)腸癌相關(guān)。

4. CPS1 與其他腫瘤的關(guān)系

除了HCC、肺癌及結(jié)直腸癌之外，CPS1 在其他腫瘤組織中的情況也有少許研究。Wu 等通過Oncomine 和GEPIA 等公共數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，啟動子區(qū)低甲基化的CPS1 在多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（GBM）中表達(dá)上調(diào)，通過PI3K-Akt 信號通路促進GBM 的進展。Liu 等通過RNA 測序和CARD10 基因敲除的代謝質(zhì)譜分析表明，CPS1為CARD10 調(diào)控的下游基因，并且CARD10 可通過調(diào)控CPS1 促進膀胱癌生長，這可能成為膀胱癌的潛在治療靶點。

三、展 望

綜上所述，CPS1 是催化尿素循環(huán)的關(guān)鍵酶之一，主要參與清除機體代謝產(chǎn)生的有毒物質(zhì)氨。近年來，CPS1 被發(fā)現(xiàn)在多種惡性腫瘤中表達(dá)異常，且在大多數(shù)腫瘤中上調(diào)。同時CPS1 表達(dá)受多種活性因子如AFB1、LKB1 調(diào)控或與甲基化相關(guān)。此外，CPS1 與多種信號通路因子或信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路如AMPK、cAMP-PKA-CREB/atf1、PI3K-Akt 等 相互作用，共同影響腫瘤的發(fā)生發(fā)展及患者的預(yù)后。值得注意的是，CPS1 與CAD 催化合成的氨基甲酰磷酸是尿素循環(huán)和嘧啶合成的前體代謝物，因此，CPS1 的生物活性可間接影響嘧啶合成進而導(dǎo)致腫瘤發(fā)生發(fā)展。盡管CPS1 在腫瘤方面的研究已取得一定的進展，但仍有許多問題尚未完全清楚。因此，有必要對其進行更深入的研究，以期尋找腫瘤早期診治或進展評估的生物標(biāo)志物提供可能的實驗基礎(chǔ)及理論依據(jù)。