胡曉紅,楊力芳,李 丹*

(1.湖南大學(xué)生物學(xué)院,中國(guó)湖南長(zhǎng)沙410082;2.中南大學(xué)腫瘤研究所,中國(guó)湖南長(zhǎng)沙410008)

美國(guó)癌癥學(xué)會(huì)在線發(fā)表的《2018年全球癌癥統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)》指出,我國(guó)癌癥發(fā)病率、死亡率均居全球第一[1]。顯然,癌癥已成為威脅我國(guó)國(guó)民生命健康的一大因素。腫瘤的發(fā)生發(fā)展是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,其中DNA損傷修復(fù)機(jī)制的缺陷與之密切相關(guān)。腫瘤抑制因子P53及其調(diào)控的DNA損傷修復(fù)蛋白,在多種生物學(xué)功能中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

生長(zhǎng)阻滯和DNA損傷基因45A(growth arrest and DNA damage-inducible 45A,GADD45A)是第1個(gè)被發(fā)現(xiàn)的經(jīng)由P53激活的應(yīng)激誘導(dǎo)基因,又名GADD45或DDIT1,位于人染色體1p31.1～31.2[2],共有3個(gè)轉(zhuǎn)錄本,大小分別為135 2 bp、125 0 bp和111 4 bp。其編碼的生長(zhǎng)阻滯與DNA損傷誘導(dǎo)蛋白GADD45α的相對(duì)分子質(zhì)量為18.4 kD,主要定位于細(xì)胞核,與 GADD45β、GADD45γ、GADD34、GADD153共同構(gòu)成GADD家族[3]。大量研究表明,GADD45A可以誘導(dǎo)DNA損傷修復(fù)[4～5]、細(xì)胞接觸抑制[6]、細(xì)胞周期阻滯[7]、細(xì)胞凋亡和衰老[8],抑制腫瘤轉(zhuǎn)移[9]、血管形成[10]和自噬[11]。GADD45A 不僅與基因組的穩(wěn)定性有關(guān),而且與腫瘤的發(fā)生發(fā)展關(guān)系密切,并在腫瘤治療中發(fā)揮著不同甚至相反的作用。

1 GADD45A在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用機(jī)制

文獻(xiàn)顯示,與正常組織相比,GADD45A在多種腫瘤(結(jié)直腸癌[5,12]、乳腺癌[13]、膀胱癌[14]、宮頸癌[15]等)中的表達(dá)水平均有不同程度的下調(diào)。相反,GADD45A表達(dá)高的食道癌病人的整體生存率明顯升高[16]。

研究表明,GADD45A響應(yīng)紫外線輻射信號(hào)從而調(diào)節(jié)核苷酸切除DNA修復(fù),是保護(hù)表皮免受紫外線誘導(dǎo)形成皮膚腫瘤的關(guān)鍵因素[4]。P53蛋白與DNA聚合酶β作用可激活GADD45A的轉(zhuǎn)錄,增強(qiáng)其與增殖細(xì)胞核抗原(proliferating cell nuclear antigen,PCNA)的相互作用,形成無(wú)嘧啶核酸內(nèi)切酶1/氧化還原因子1(apyrimidinic endonuclease 1/redox factor 1,APE1/Ref1)-GADD45α-PCNA蛋白復(fù)合物并定位于人結(jié)腸癌細(xì)胞的細(xì)胞核,從而促進(jìn)堿基切除修復(fù)[5]。在P53功能正常的情況下,GADD45α減少細(xì)胞周期蛋白cyclin B1的核水平,并通過(guò)改變亞細(xì)胞定位來(lái)抑制Cdc2激酶活性,誘導(dǎo)細(xì)胞周期G2/M阻滯和生長(zhǎng)抑制[7]。已有研究報(bào)道,GADD45A通過(guò)增強(qiáng)β連環(huán)素(βcatenin)與小窩蛋白1(caveolin-1)的相互作用,誘導(dǎo)β-catenin從胞核和胞質(zhì)易位至細(xì)胞膜而增強(qiáng)其穩(wěn)定性,以維持細(xì)胞間黏附/接觸抑制,抑制腫瘤的發(fā)生[6,17]。在Ras蛋白驅(qū)動(dòng)的乳腺癌中,GADD45A可以激活c-Jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)通路,促進(jìn)癌細(xì)胞的凋亡;同時(shí),其也可以激活P38,促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞的衰老[8]。在髓母細(xì)胞瘤細(xì)胞中過(guò)表達(dá)GADD45A,可上調(diào)P53的表達(dá),進(jìn)而經(jīng)基質(zhì)金屬蛋白酶-9(matrix metallopeptidase-9,MMP-9)抑制腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移[9]。過(guò)表達(dá)GADD45A可以破壞哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄活化因子3(signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)的聯(lián)系,抑制STAT3的磷酸化,并導(dǎo)致血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子α(vascular endothelial growth factor alpha,VEGFα)的表達(dá)下調(diào),進(jìn)而抑制宮頸癌細(xì)胞血管形成[10]。此外,GADD45A通過(guò)與Beclin1相互作用,破壞Beclin1-PIK3C3(phosphatidylinositol 3-kinase,catalytic subunit type 3)復(fù)合物,損壞自噬起始復(fù)合物的形成,進(jìn)而抑制食管癌細(xì)胞自噬[11]。GADD45A在上述惡性腫瘤中涉及的主要生物學(xué)功能如表1所示,發(fā)揮這些生物學(xué)功能所涉及的信號(hào)通路如圖1所示。

表1 GADD45A在腫瘤進(jìn)展中的作用Table 1 The role of GADD45A in tumor progression

圖1 GADD45A在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用機(jī)制NER:核苷酸切除修復(fù);BER:堿基切除修復(fù)。Fig.1 Mechanism of GADD45A in tumorigenesisNER:Nucleotide excision repair;BER:Base excision repair.

2 GADD45A在腫瘤化學(xué)治療中的作用

2.1 GADD45A與化療藥物

化療藥物主要通過(guò)影響腫瘤細(xì)胞的基因表達(dá)或者信號(hào)通路,使腫瘤細(xì)胞受到抑制或致死,以達(dá)到治療腫瘤的效果。研究表明,GADD45A可能是多種化療藥物的作用靶點(diǎn)之一。非甾體類抗炎藥(non-steroidal anti-inflammatory drugs,NSAIDs)能夠誘導(dǎo)黑色素瘤、卵巢癌、血癌細(xì)胞表達(dá)黑色素瘤分化相關(guān)基因-7/白細(xì)胞介素-24(melanoma differentiation associated gene-7/interleukin-24,MDA-7/IL-24),激活GADD45A及下游促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,M-APK)/JNK以促發(fā)凋亡,同時(shí)抑制Cdc2-cyclin B檢查點(diǎn)激酶以激發(fā)生長(zhǎng)阻滯[18～20]。5-氟尿嘧啶(5-fluorouracil,5-FU)治療可使結(jié)腸癌細(xì)胞S期阻滯,P53積累,同時(shí)上調(diào)GADD45A并通過(guò)FAS途徑誘導(dǎo)凋亡[21～22]。在人結(jié)腸癌細(xì)胞中,黃芩素誘導(dǎo)孕酮和GADD45A的上調(diào),促進(jìn)MAPK的激活,并在GADD45A和JNK/P38之間形成正反饋環(huán),從而引起腫瘤細(xì)胞明顯的凋亡反應(yīng)[12]。黃連素激活P53及其與線粒體Bax和Bim相互作用的下游靶標(biāo)GADD45α,誘導(dǎo)B細(xì)胞淋巴瘤細(xì)胞凋亡[23]。穿心蓮中分離出的14-脫氧-11,12-二脫氫穿心蓮內(nèi)酯(14-deoxy-11,12-didehydroandrographolide,14-DDA)可誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)液泡和自噬體的形成,激活GADD45A,并通過(guò)GADD45A/P38 MAPK/DDIT3通路誘導(dǎo)乳腺癌細(xì)胞發(fā)生自噬而死亡[24]。

在一些優(yōu)化的化療藥物中,GADD45A也顯示出其作為治療靶點(diǎn)的潛在可能性。順鉑類似物PN149可有效規(guī)避順鉑耐藥性,提高P53水平,上調(diào)GADD45A,誘導(dǎo)凋亡和細(xì)胞周期阻滯,提高腫瘤治療效果[25]。滔羅定(taurolidine,TRD)能夠降低腫瘤壞死因子相關(guān)凋亡誘導(dǎo)配體(tumor necrosis factor related apoptosis-inducing ligand,TRAIL)的毒性和劑量,上調(diào)GADD45A,觸發(fā)食道癌細(xì)胞凋亡[26]。具有抗癌作用的綠茶兒茶素與抗癌藥物(如他莫昔芬、COX-2抑制劑和維甲酸等)聯(lián)用,可以增加GADD45α的表達(dá),誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡[27]。拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱα抑制劑視黃酸B(retigeric acid B,RB)可激活 ATM(ataxia telangiectasia mutated)、ATR(ataxia telangiectasia and RAD3),并進(jìn)一步通過(guò)激活其下游P53的表達(dá)上調(diào)GADD45A,最終誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[28]。砷(As)作為一種用于急性早幼粒細(xì)胞白血病(acute promyelocytic leukemia,APL)和多發(fā)性骨髓瘤(multiple myeloma,MM)的有效化學(xué)治療劑,在肝癌中可通過(guò)觸發(fā)GADD45A活化JNKs/AP-1細(xì)胞死亡途徑,有效誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡,而對(duì)于正常肝細(xì)胞的毒害作用很小[29]。慶大霉素是常用的抗微生物劑,其可通過(guò)上調(diào)GADD45A抑制胃癌細(xì)胞增殖,誘發(fā)細(xì)胞凋亡[30]。

2.2 GADD45A與腫瘤細(xì)胞耐藥性

化學(xué)療法是治療癌癥的有效手段之一,但癌細(xì)胞可以同時(shí)對(duì)多種藥物產(chǎn)生抗藥性,甚至是對(duì)新的藥物都有耐藥性,這嚴(yán)重阻礙了化學(xué)療法的有效性[31]?，F(xiàn)有研究顯示,GADD45A基因同樣展現(xiàn)出了其在腫瘤耐藥性中的作用,有望為癌癥化療耐藥的預(yù)防提供新靶標(biāo)。

在肺鱗癌患者中,順鉑治療導(dǎo)致lncRNA SFTA1P呈現(xiàn)高表達(dá),并通過(guò)上調(diào)hnRNP U-GADD-45A軸來(lái)增強(qiáng)凋亡,進(jìn)而增高癌細(xì)胞的藥物敏感性[32]。Chk1抑制劑可通過(guò)抑制ATR/Chk1誘導(dǎo)GADD45A的表達(dá),從而有效地觸發(fā)高危髓母細(xì)胞瘤(c-Myc高表達(dá))的死亡,因此靶向ATR/Chk1可有效地增強(qiáng)順鉑的抗癌功效,并且在非癌性神經(jīng)元細(xì)胞中具有良好的耐受性[33]。在膽管癌細(xì)胞中敲除高表達(dá)的S100P基因可上調(diào)GADD45A,抑制細(xì)胞的增殖,促進(jìn)細(xì)胞周期阻滯,增加化療藥物敏感性[34]。在淋巴瘤細(xì)胞中沉默PKCη基因可誘導(dǎo)GADD45A表達(dá)升高,激活P38,進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞周期阻滯,使細(xì)胞對(duì)化療藥物敏感[35]。雌二醇通過(guò)激活長(zhǎng)期雌激素剝奪(long-term estrogen deprivation,LTED)乳腺癌細(xì)胞的AMP活化蛋白激酶(AMP activated protein kinase,AMPK),上調(diào)FOXO3的靶基因Bim、FasL和GADD45A,介導(dǎo)凋亡和G2/M期阻滯;相反,雌二醇抑制野生型乳腺癌細(xì)胞AMPK的激活,并阻止細(xì)胞的凋亡,最終提高雌激素依賴的乳腺癌細(xì)胞對(duì)雌二醇的敏感性[36]。分泌簇蛋白(secretory clusterin,sCLU)在肝癌組織中過(guò)表達(dá)導(dǎo)致總生存率差、耐藥性高,而過(guò)表達(dá)GADD45A可通過(guò)影響Akt激酶的磷酸化水平調(diào)控線粒體凋亡,克服細(xì)胞耐藥性[37]。盡管在多種癌癥中過(guò)表達(dá)GADD45A可以明顯提高細(xì)胞的藥物敏感性,但也有研究顯示GADD45A可以保護(hù)黑色素瘤細(xì)胞和膠質(zhì)瘤細(xì)胞免受化療藥物毒性[38～39],這體現(xiàn)了GADD45A功能的復(fù)雜性。

2.3 GADD45A與靶向表觀遺傳的小分子藥物

腫瘤細(xì)胞的致癌作用不僅與遺傳改變有關(guān),還涉及表觀遺傳修飾改變,例如DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA表達(dá),從而使其逃避化學(xué)療法和宿主免疫監(jiān)視。越來(lái)越多的證據(jù)表明,由表觀遺傳變化控制的基因表達(dá)對(duì)癌癥的發(fā)生和進(jìn)展也至關(guān)重要[40～41],因而可以使用小分子藥物靶向表觀遺傳酶和調(diào)節(jié)蛋白,使其成為腫瘤治療干預(yù)的良好靶標(biāo)[42～44]。

研究表明,GADD45α是一種參與維持基因組穩(wěn)定性、DNA修復(fù)和抑制細(xì)胞生長(zhǎng)的核蛋白[45～46],通過(guò)促進(jìn)DNA修復(fù)來(lái)緩解表觀遺傳基因沉默,從而使整體DNA脫甲基[47]。葡萄糖剝奪可以上調(diào)DNA甲基化沉默的GADD45A的表達(dá),為癌癥治療提供了新的策略[48]。DNA甲基化酶(DNA methylase,DNMT)抑制劑地西他濱處理細(xì)胞能夠激活GADD45A的表達(dá),誘導(dǎo)基因組DNA脫甲基[49～50],而PRIMA-1(P53 reactivation and induction of massive apoptosis)通過(guò)抑制DNMT及上調(diào)GADD45A的表達(dá),誘導(dǎo)P53突變型癌細(xì)胞發(fā)生整體DNA的脫甲基[51],最終誘導(dǎo)癌細(xì)胞對(duì)抗腫瘤藥物的敏化作用[49～51]。相關(guān)研究報(bào)道,地西他濱聯(lián)合相應(yīng)小分子抑制劑能夠調(diào)控細(xì)胞周期相關(guān)基因GADD45A和CDKIN1A的表達(dá),上調(diào)MEK/ERK、JAK-STAT和NF-κB,增加脫甲基效率,抑制霍奇金淋巴瘤細(xì)胞生長(zhǎng),提高地西他濱的治療效果[52]。

此外,GADD45A也被證明在一些靶向組蛋白修飾酶的小分子藥物的作用通路中發(fā)揮作用。組蛋白去乙酰化酶抑制劑(histone deacetylase inhibitor,HDACi)PCI-24781處理骨腫瘤細(xì)胞使乙?；M蛋白積累,誘導(dǎo)GADD45A表達(dá),激發(fā)凋亡,逆轉(zhuǎn)細(xì)胞耐藥性,使其對(duì)化療藥物更加敏感[53～54]。曲古菌素(trichostatin A,TSA)是一種特異的組蛋白去乙?；割愋廷窈廷蛞种苿?通過(guò)ATM介導(dǎo)的通路誘導(dǎo)GADD45A表達(dá),導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞凋亡[55～56]。小分子藥物L(fēng)BH589則通過(guò)組蛋白(H3K9和H4K8)的乙?；险{(diào)GADD45A,誘導(dǎo)細(xì)胞周期停滯和凋亡[57]。我們課題組也發(fā)現(xiàn),新型組蛋白去乙?；敢种苿㏄XD101能夠顯著抑制膠質(zhì)瘤細(xì)胞的增殖、轉(zhuǎn)移,促進(jìn)凋亡,而進(jìn)一步的機(jī)制研究顯示GADD45A是其發(fā)揮抑瘤作用的重要靶標(biāo)(數(shù)據(jù)尚未發(fā)表)。

3 GADD45A在腫瘤放射治療中的作用

電離輻射(ionizing radiation,IR)治療也是癌癥患者常用的治療方法之一[58],不僅有助于局部控制目標(biāo)病灶,而且還可以控制遠(yuǎn)端的轉(zhuǎn)移灶[59]。IR治療的臨床功效歸因于其誘導(dǎo)DNA損傷導(dǎo)致直接的腫瘤細(xì)胞死亡[60]。無(wú)論放射敏感還是放射抵抗的腫瘤,探究使腫瘤細(xì)胞對(duì)IR敏感的分子和機(jī)制可以為癌癥治療提供新的分子靶標(biāo)。

眾所周知,正常細(xì)胞通過(guò)葡萄糖氧化提供能量,而癌細(xì)胞則通過(guò)瓦博格效應(yīng)(Warburg effect)改變自身的遺傳和表觀狀態(tài),從而促進(jìn)癌細(xì)胞的生長(zhǎng)和侵襲[61]。研究發(fā)現(xiàn),用糖酵解抑制劑2-脫氧-D-葡萄糖(2-deoxy-D-glucose,2-DG)預(yù)處理癌細(xì)胞,經(jīng)IR處理后可激活GADD45A的表達(dá),誘發(fā)細(xì)胞死亡[62]。在人舌鱗狀細(xì)胞癌中,IR可以誘導(dǎo)癌細(xì)胞表達(dá)GADD45A,增加癌細(xì)胞對(duì)IR的敏感性[63]。對(duì)于髓母細(xì)胞瘤,IR處理可以激發(fā)腫瘤細(xì)胞GADD45A的表達(dá),促進(jìn)細(xì)胞周期的阻滯,還可以下調(diào)MMP-9,抑制腫瘤轉(zhuǎn)移,使髓母細(xì)胞瘤細(xì)胞對(duì)放射治療敏感[9]。在宮頸癌細(xì)胞中,GADD45A通過(guò)抑制內(nèi)皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS),進(jìn)一步抑制NO調(diào)節(jié)APE1的胞質(zhì)定位,從而增強(qiáng)宮頸癌細(xì)胞的放射敏感性;相反,GADD45A表達(dá)的降低顯著促進(jìn)放射抵抗的發(fā)展[15]。對(duì)于一些具有放射抵抗的癌癥,例如胰腺癌,放射增敏劑DPS(darinaparsin)結(jié)合放射線治療能激發(fā)GADD45A表達(dá),同時(shí)保護(hù)正常腸隱窩上皮細(xì)胞,誘導(dǎo)癌細(xì)胞在G1/S和G2/M發(fā)生細(xì)胞周期阻滯[64]。膠毒素(gliotoxin)結(jié)合放射治療可抑制GADD45A-P38-NF-κB介導(dǎo)的生存途徑,激發(fā)肝癌細(xì)胞凋亡,從而提高放療效果[65]。此外,腫瘤周圍微環(huán)境中的癌癥相關(guān)成纖維細(xì)胞及癌細(xì)胞之間的串?dāng)_可降低GADD45α水平,進(jìn)而抵抗放射治療[66]。

4 總結(jié)與展望

綜上所述,作為一個(gè)細(xì)胞生長(zhǎng)阻滯和DNA損傷調(diào)節(jié)基因,GADD45A參與了調(diào)控細(xì)胞周期、細(xì)胞凋亡、DNA損傷修復(fù)、自噬、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等多種生物學(xué)過(guò)程,在維持基因組穩(wěn)定性和抑制腫瘤發(fā)生發(fā)展的過(guò)程中發(fā)揮重要的作用。正如表2和圖2所示,GADD45A在癌癥治療中具有兩面性,其作為抑癌基因還是促癌基因發(fā)揮作用,可能與腫瘤類型、涉及的信號(hào)通路以及其所處的腫瘤微環(huán)境密不可分。目前的研究對(duì)GADD45A的了解還比較有限,因此,未來(lái)亟需從基礎(chǔ)研究與臨床轉(zhuǎn)化的角度,尋找GADD45A上、下游新的調(diào)控分子,篩選和鑒定其新的互作蛋白質(zhì)或RNA分子,挖掘其與腫瘤微環(huán)境(如外泌體、腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞、免疫細(xì)胞等)的聯(lián)系,以及其在表觀遺傳修飾(甲基化、組蛋白修飾等)中扮演的角色?？偟膩?lái)講,深入研究GADD45A在重要生理與病理發(fā)生中的機(jī)制,可為腫瘤臨床治療提供新靶標(biāo)及相關(guān)治療策略,在抗腫瘤中具有重要價(jià)值。

圖2 GADD45A在腫瘤治療中的作用機(jī)制Fig.2 The roles of GADD45A in tumor therapy

表2 GADD45A在腫瘤治療中的作用Table 2 The roles of GADD45A in tumor therapy