KIF11在惡性腫瘤發生、發展中的研究進展

萬明會,張鈞碩,蔣超孟,孔令非

1985年研究者發現了驅動蛋白超家族(kinesin family, KIF),目前已有650多個成員,它們普遍存在于鳥類和哺乳動物、海膽卵、烏賊神經組織、果蠅、爪蟾卵等真核生物中。人類基因組包含約45種不同的驅動蛋白[1-2],大多數驅動蛋白分子由一個盤繞的絲狀區域組成的“柄”連接著“頭部”和“尾部”,“頭部”為位于N端的催化運動結構域,“尾部”為位于C端的貨物結合結構域。驅動蛋白的驅動活動主要由運動結構域指定,根據運動區域序列將一個驅動蛋白歸入一個亞家族。運動結構域作為核苷酸門控開關,約350個氨基酸,由一個8股β折疊組成,兩側各有3個α螺旋,包含核苷酸結合位點和微管結合界面。KIF是細胞內運輸系統的主要組成部分,可以沿著微管通過水解ATP將細胞器、蛋白復合物、mRNA等運送到指定目的地,在細胞運動、染色體聚集與分離、紡錘體組裝、細胞分裂及細胞極性的發展和維持中發揮重要作用[3-5]。

KIF11屬于Kinesin5家族成員,是由4個α螺旋以反平行的方式相互纏繞形成的中心棒二聚體兩兩結合組裝而成的同源四聚體復合物[6]。其運動結構域位于初級序列的N端,負責多聚化的卷曲線圈和C端尾位于柄區,中間由一個靈活的頸部連接子相連。N端運動域可將ATP的自由能轉化為定向機械運動,其“開放”和“封閉”構象的變化,影響ATP酶循環和運動域的微管親和力。CDK1的保守磷酸化位點位于C端尾部的“BimC盒子”序列中,該位點的磷酸化對紡錘體的靶向、關聯和定位至關重要。KIF11各區域協同活動,與微管相互作用,將其交聯或介導其反平行滑動,促進紡錘裝配及有絲分裂[3,7]。研究表明,KIF11表達上調可通過多種信號通路導致中心體碎裂、染色體不穩定,從而使細胞分裂增殖旺盛,促進肺癌、胃癌、胰腺癌、結直腸癌、卵巢癌等惡性腫瘤的發生與發展。該文現就KIF11在惡性腫瘤發生、發展中的作用作一綜述,旨在為進一步研究KIF11提供線索和方向。

1 KIF11與中樞神經系統腫瘤

膠質瘤是最常見的顱內原發惡性腫瘤,發病率和病死率均較高。有研究者采用qPCR及Western blot技術檢測出KIF11在膠質瘤中的表達明顯高于正常組織,且受TP53突變狀態的調控:TP53對KIF11的表達具有抑制作用。直接細胞計數和MTT實驗顯示KIF11表達上調加速了膠質瘤的腫瘤細胞增殖速度,其過表達也促進CD133、KLF4、NANOG、OCT4、LIN28等腫瘤干細胞標志物及CDKI、CCNA2、CCNB1、CCNB2等細胞周期蛋白的表達,增加S期和G2/M期細胞的比例[8]。同時,Taglieri等[9]發現KIF11的抑制劑K858對人膠質母細胞瘤細胞有抑制生長、誘導凋亡、逆轉上皮-間充質轉化和抑制遷移的作用,使細胞周期停滯于G2期,并誘導細胞周期蛋白B積聚,最終導致細胞凋亡。這表明KIF11在膠質瘤細胞中促進腫瘤干細胞樣特性,并可能通過增加細胞周期相關基因表達調節細胞周期進程。另有一些研究通過免疫共沉淀等實驗分析發現,具有E3泛素連接酶活性的TRIM8可與KIF11直接相互作用,通過有絲分裂因子的泛素化參與有絲分裂,可能與膠質瘤形成和神經系統疾病相關[10]。Lim等[11]認為KIF11也可與胞質PFKM相互作用促進膠質母細胞瘤的侵襲。其過表達與高級別星形細胞腫瘤相關,可作為星形細胞腫瘤分級和預測預后的獨立診斷和預后因素[12]。

惡性周圍神經鞘瘤(malignant peripheral nerve sheath tumor, MPNST)包含高度重排的多倍體基因組,是一種具有高核分裂指數的侵襲性腫瘤。有研究表明KIF11在MPNST中過表達,使用低劑量的KIF11抑制劑ispinesib(1.6 nmol/L)24 h后能強烈降低MPNST細胞活力,其高劑量作用48 h后則會產生細胞毒性。在KIF15缺陷的背景下,聯合抑制KIF11和BRD4表現出協同抗腫瘤作用,或可成為MPNST的潛在治療靶點[13]。

2 KIF11與肺癌

肺癌是癌癥相關死亡的主要原因,其發病率居世界首位。有研究者通過免疫組化發現KIF11主要存在于肺癌癌細胞的胞質中[14],免疫熒光顯示其在細胞分裂過程中與紡錘體共定位[15]。KIF11表達對肺鱗狀細胞癌和肺腺癌的影響不同:其高表達與肺腺癌病理分期、T分期、N分期、M分期均相關,提示患者預后不良;而在肺鱗狀細胞癌中僅與病理分期和N分期有顯著相關性,且對患者的總生存期影響較小[16]。H2O2可通過氧化應激誘導肺腺癌A549細胞增殖抑制和死亡,KIF11在H2O2處理的A549細胞中表達下調,基因啟動子高甲基化,但在肺腺癌組織中表達上調,并隨著肺腺癌的進展表達水平增加[17]。使用二維凝膠電泳和MALDI-MS分析證明,KIF11抑制劑S-tritil-L-cysteine誘導肺癌A549細胞膜聯蛋白A2磷酸化,最終可導致肺癌細胞的死亡[18]。另有研究發現,抗KIF11的siRNA和高密度脂蛋白樣肽磷脂納米支架顆粒結合可誘導KIF11表達下調,并使肺癌細胞的生長受到明顯抑制[19]。也有學者認為KIF11過表達在二羥環氧苯并芘誘導肺癌的生物學過程中也發揮重要作用[16]。這表明KIF11可能通過多種通路在肺癌的發展中起關鍵作用,或成為肺癌預防和治療的潛在靶點。

3 KIF11與消化系統腫瘤

胃癌約占全球癌癥的6%,是第五大常見的惡性腫瘤,也是癌癥死亡的第三大原因。研究表明,KIF11在胃癌組織中的表達高于癌旁正常組織,而在球形小體形成的胃癌細胞中的表達是親代細胞的2倍以上。Imai等[20]通過免疫組化分析發現KIF11在腸黏蛋白表型胃癌中表達更頻繁,可能參與腸黏蛋白表型胃癌的表達。其基因敲除可抑制胃癌細胞的增殖和克隆形成能力[21],并可顯著增加熱療誘導的細胞凋亡[22]。此外,有學者發現KIF15基因敲除顯著增加胃癌細胞對KIF11抑制劑ispinesib的敏感性,而其過表達則表現出相反的作用。KIF15抑制劑KIF15-IN-1和ispinesib聯合使用,在體內外對胃癌均有協同抗腫瘤增殖作用[21];提示KIF11是潛在的治療靶點,可為胃癌的臨床治療提供新思路。

最近有學者研究發現KIF11和KIF14 mRNA在胰腺癌組織中的表達水平明顯高于正常組織,兩者間有較強的相關性,CEP55、ASPM和GAMT是主要的中樞基因,這五個基因的聯合表達與預后較差相關,或可成為胰腺癌獨立的預后指標[23]。

有研究者發現KIF11在結直腸癌組織中表達上調,并與晚期臨床分期和血管侵襲有關。其下調導致腫瘤生長停滯,并通過增強DNA損傷和細胞凋亡增加對抗腫瘤藥物奧沙利鉑的敏感性。異常激活的p53信號或可能失活的GSK3β信號是KIF11基因敲除介導的結腸癌細胞效應的原因[24]。Imai等[25]通過球狀集落形成實驗發現,與陰性對照組相比,KIF11 siRNA轉染組DLD-1結直腸癌細胞產生的球體數目和大小均顯著減少,表明KIF11在結直腸癌的腫瘤干細胞中起重要作用。另一些學者通過分析發現影響結直腸癌預后的不良因素有高KIF11蛋白、高KIF11蛋白+低KIF14蛋白、低KIF11 mRNA和低KIF14 mRNA。功能富集分析顯示:與細胞周期、DNA復制、DNA修復和重組等相關的基因集與結直腸癌組織中KIF11或KIF14的表達呈正相關。在TCGA隊列中,與基因不穩定性相關的一些指標也與KIF11、KIF14表達呈正相關,表明KIF11、KIF14有可能成為結直腸癌劃分風險類別的關鍵因素[26]。

4 KIF11與泌尿系統腫瘤

腎透明細胞癌(clear cell renal cell carcinoma, CCRCC)是常見的泌尿系統惡性腫瘤,約占腎臟腫瘤的90%。CCRCC組織中KIF11 mRNA表達水平明顯高于相應的癌旁正常組織,抑制KIF11表達可抑制CCRCC細胞增殖、遷移和上皮細胞-間充質轉化過程,進而使細胞凋亡增加。免疫組化分析發現,KIF11蛋白表達與核分級、TNM分期等臨床病理特征顯著相關,其高表達預示CCRCC患者預后不良[27]。

膀胱癌是全球第九大常見癌癥,病死率和復發率均較高,嚴重威脅著公眾健康[28]。有研究者通過RT-PCR、免疫組化和Western blot法檢測KIF11在膀胱癌細胞和正常膀胱細胞中的表達水平,發現KIF11在膀胱癌中的表達明顯上調[29]。也有學者指出KIF11在正常、癌旁、膀胱癌和復發性膀胱癌組織中的表達水平呈遞增趨勢[30],提示KIF11有望成為膀胱癌診斷及預測預后強有力的生物學標志物。

前列腺癌是異質性疾病,可以為惰性,也可為高度侵襲性[31]。大多數前列腺癌患者預后相對較好。然而,前列腺癌的骨轉移可迅速惡化并導致死亡。Wang等[32]通過對骨轉移的獨立危險因素進行單因素和多因素Logistic回歸分析發現,在前列腺癌中KIF11與VEGF表達呈正相關,與較高的T分期、前列腺特異性抗原水平和Gleason評分顯著相關。這表明KIF11可能是預測前列腺癌患者骨轉移的獨立指標。臨床應用中較高的Gleason評分和TNM分期是前列腺癌侵襲性的預測指標。另一研究發現,KIF11在血清PSA水平>10 ng/mL或GS>8分或>T3階段或轉移性前列腺癌樣本中表達更高[31],表明KIF11有可能作為前列腺癌的預后標志和重要的獨立侵襲性預測因子,為個性化治療決策提供參考。

5 KIF11與生殖系統腫瘤

卵巢癌在全球婦科癌癥相關死亡原因中位居第五位[33]。目前,影響卵巢癌發生和預后的分子機制尚不完全清楚。有研究指出KIF11在卵巢癌組織中表達上調,其基因敲除抑制卵巢癌SKOV3細胞的增殖及侵襲,增強凋亡蛋白Caspase-3/7的活性。此外,還上調SKOV3細胞E-cadherin的mRNA表達,下調N-cadherin和vimentin的mRNA表達[34]。也有學者通過質譜分析及免疫共沉淀、pull-down等實驗發現,KIF11和腫瘤壞死因子TRAF4與DR6相互作用,可能通過絲裂原活化蛋白激酶/ERK和PI3K/AKT通路增強卵巢癌細胞遷移能力,在卵巢惡性腫瘤中發揮顯著的致瘤作用[35]。此外,經Kaplan-Meier、Oncomine和基因表達譜交互分析顯示,KIF11過表達也提示上皮性卵巢癌患者預后不良[36]。

子宮頸癌是最常見的女性生殖道惡性腫瘤,占女性癌癥相關死亡的7.5%[37]。研究發現KIF11在子宮頸癌中表達水平升高,在基因調控網絡中,PRC1可與其結合,并被CDK1修飾,在子宮頸癌進展期間介導胞質分裂[38]。Yuan等[37]認為KIF11、E6以及CDK1之間的功能關聯,可能控制HPV陽性子宮頸鱗狀細胞癌(cervical squamous cell carcinoma, CESC)細胞周期進程,是參與HPV陽性CESC發病的關鍵分子。上述文獻報道從多方位角度更好地詮釋了子宮頸癌中有絲分裂的機制,并為臨床治療提供潛在的靶點。

6 小結

綜上所述,KIF11在神經膠質瘤、肺癌、胃癌、結直腸癌、卵巢癌、子宮頸癌等多種惡性腫瘤中高表達,提示患者預后不良,但其在介導腫瘤發生、發展及轉移侵襲過程中的具體分子機制尚不清楚。深入分析KIF11在腫瘤進展中發揮作用的分子機制,可為腫瘤的診斷及治療提供幫助。