MTA1在肺癌中的表达及作用机制研究进展

Study on the Expression and Mechanism of MTA1 in Lung Cancer

摘要: 肿瘤转移相关基因1 (MTA1)是MTA (metastasis-associated gene)家族中最早被发现的基因，它与肿瘤的侵袭、转移等有关。MTA1在多种肿瘤组织中高水平表达，例如乳腺癌、结直肠癌、胃癌等，并且它被证实与这些肿瘤的预后不良密切相关。近年来的研究发现，MTA1在肺癌中也呈高表达状态，并且参与肺癌发生发展过程中多种信号通路的调节。因此，本文对MTA1在肺癌发生发展中的作用及调控机制的研究进展进行阐述。

Abstract: Tumor metastasis-associated gene 1 (MTA1) is the earliest gene in the MTA family, which is related to tumor invasion, metastasis, etc. MTA1 is highly expressed in a variety of tumor tissues, such as breast cancer, colorectal cancer, gastric cancer etc., and it has been proved to be closely related to the poor prognosis of these tumors. Recent studies have found that MTA1 is also highly expressed in lung cancer and participates in the regulation of a variety of signal pathways in the occurrence and development of lung cancer. Therefore, in this paper, we investigated the role and regulatory mechanism of MTA1 in the development and progression of lung cancer.

1. 引言

转移相关基因(metastasis-associated gene, MTA)是一个与肿瘤进展相关的基因家族，而MTA1是MTA基因家族中的一员。1994年Toh等 [1] 应用差异cDNA杂交技术，首次从13762NF大鼠乳腺癌转移组织中筛选出一个与肿瘤转移相关的基因，之后又在人类高转移乳腺癌细胞株中发现了与之对应的同源基因。MTA1基因编码的蛋白质广泛低水平表达于正常组织中，在肿瘤组织中则高表达，与肿瘤细胞的增殖、侵袭、转移、血管生成等密切相关。对于MTA1在肿瘤发生中作用机制，在乳腺癌、结直肠癌等方面已有不少相关研究，但是在肺癌方面相关研究相对较少。肺癌是目前发病率第一位的恶性肿瘤，尽管肺癌免疫分子靶向治疗有了较大的发展，但肺癌的预后仍然较差。因此，研究MTA1在肺癌中的表达及作用机制具有重要的临床意义。本文对近年来MTA1在肺癌中表达及作用机制研究进展作一综述。

2. MTA1基因及其产物概述

MTA1基因位于人类染色体14q32，该基因全长为51 kb，通过选择性剪接产生了20个转录本，长度从416 bp到2.9 kb不等。编码的蛋白质有715个氨基酸，包含BAH (溴邻同源域)、SANT (SWI, ADA2, N-COR, TFIIIB-B)、ELM2、ZnF (GATA样锌指域)、NLS (核定位信号)、SRC同源结合结构域(富含脯氨酸区域) [2]。ELM2-SANT域是MTA1的最具特征性的区域之一，招募组蛋白去乙酰酶1 (Histone deacetylases 1, HDAC1)并磷酸肌醇存在的情况下激活该酶。除了MTA1之外，还有两种自然发生的替代剪接变体：MTA1-ZG29p和MTA1s。ZG29p是MTA1的N端截短变体，在胰腺的酶原颗粒中有特殊的表达 [3]。而MTA1s是MTA1的C端截短变体，含有雌激素受体(Estrogen receptor, ER)结合基序“Leu-Arg-Ile-Leu-Leu”(LAILL)，并在细胞质中阻断ER [4]。

MTA1的亚细胞定位提示该蛋白是一个在胞核及胞浆中穿梭并呈周期性分布的蛋白质。在细胞核中，MTA1以MTA1K532甲基化依赖的方式与染色质动态相互作用，而细胞质MTA1与微管骨架结合 [5]。生理情况下，MTA1在大脑、肝脏、心肌等组织中广泛分布，通过染色质结构调控，mRNA调控，细胞骨架相关调控这三大基础功能 [6]，在昼夜节律、衰老、睾丸发育、免疫调节、炎症进展、造血及分化、DNA损伤修复等生理病理过程中发挥重要作用 [7]。而在肿瘤组织中，MTA1蛋白作为转录共抑制因子之一，它与组蛋白去乙酰化酶共同参与核小体重塑及组蛋白去乙酰化复合物NuRD (Nucleosome Remodeling and Histone Deacetylation)的形成 [8]，在组蛋白去乙酰化过程中发挥重要作用，抑制靶基因的转录。

3. MTA1分子在肺癌的表达

肺癌的组织学类型分为小细胞癌(Small cell lung cancer, SCLC)与非小细胞癌(non-small cell lung cancer, NSCLC)，其中NSCLC占所有原发性肺癌的75%~80%。目前肺癌发生确切机制尚不清楚，研究认为MTA1可能是在肺癌发生发展多级调节通路中的一个重要分子。

3.1. MTA1在NSCLC中的表达及预后情况

免疫组化已经证实MTA1在NSCLC中表达阳性率高达71.7% [9]，并且腺癌高于鳞状细胞癌 [10]。钟海等人利用meta分析研究了中国人肺癌与预后关系，提示MTA1高表达是肺癌患者预后的危险因素 [11]。李浩检测了MTA1蛋白在NSCLC癌组织、癌旁组织以及发生转移淋巴结中的表达水平，发现MTA1蛋白在癌组织中的表达明显高于癌旁组织，发生淋巴结转移组的MTA1蛋白表达阳性率为78.57%，显著高于无淋巴结转移组的44.44% [12]。Sasaki等人则进一步在mRNA水平检测了NSCLC患者的MTA1表达情况，实验结果表明4期肺癌MTA1的mRNA水平显著高于1期，并且有淋巴结转移组MTA1的mRNA水平显著高于无淋巴结转移组 [13]。除此之外，MTA1高表达还与肿瘤分化程度、分期、肿瘤大小等相关 [14]。近年来，提出肺腺癌气道播散(spread through air spaces, STAS)与NSCLC的术后复发相关，Yang Yang等人的研究认为MTA1的高表达和STAS阳性状态应被认为是肺腺癌的协同预后因素 [15]。

3.2. MTA1在SCLC中表达

自从Sasaki在2002年报道MTA1在SCLC中高表达以后，2014年薛等人在SCLC细胞系NCI-H466中，通过PCR及western blot检测到MTA1高表达，且较NSCLC细胞系NCI-A549及NCI-H1650表达水平显著增高。在对40例SCLC组织和10例正常肺组织的组织芯片进行免疫组化染色，显示SCLC中的MTA1表达率高达88.9%，但表达与病人性别、年龄、肿瘤TNM分期无显著差异 [16] [17]。陈一天等人的研究显示MTA1蛋白表达不仅与SCLC的转移和预后密切相关，且与EP方案化疗疗效相关，MTA1表达可能是SCLC多发耐药(Multiple drug resistance, MDR)形成的一个重要分子机制 [18]。

4. MTA1在肺癌发生、发展中的作用机制

4.1. MTA1对肺癌侵袭、转移的影响

MTA1通过降低细胞粘附，改变细胞骨架和极性，促进细胞迁移和侵袭。Ke Ma等人利用多种NSCLC细胞系，研究了MTA1在上皮间质转化(Epithelial-mesenchymal transition, EMT)和NSCLC细胞转移中的作用。MTA1和p-AKT之间存在正反馈环路，并在NSCLC细胞中被结构性激活。MTA1过表达可以通过激活胞质而非胞核AKT/GSK3β/β-catenin信号通路，增加N钙黏蛋白(N-cadherin)、波形蛋白(Vimtin)水平，降低E钙黏蛋白(E-cadherin)、紧密连接蛋白(Claudin-1、ZO-1)水平 [19]。众所周知，E-cadherin对于维持细胞间连接是必不可少的，E-cadherin蛋白表达缺失表现为肿瘤生长迅速、早期转移、预后不良等。MTA1最近也被报道与抑癌基因PTEN乙酰化相关，并间接激活AKT [20]，参与AKT/GSK3β/β-catenin信号通路调节。Ke Ma利用TRITC Phalloidin染色检测了MTA1过表达和沉默对细胞骨架结构的影响，与对照组相比，在MTA1上调后，细胞从相对圆形变为不规则形状，出现延长的“脚” [19]，进一步证实MTA1对肿瘤细胞侵袭、转移的影响。SB Pakalaen等人发现MTA1作为TGF-β1信号转导的靶点和必要的修饰物，一旦被诱导，MTA1与c-Jun和PolII形成共激活复合物，并被招募到FosB启动子中，导致诱导FosB表达，反过来通过与MTA1和组蛋白去乙酰酶2 (Histone deacetylases 2, HDAC2)一起招募到其染色质上来抑制E-cadherin的转录，从而参与肿瘤细胞的EMT [21]。

上皮黏附分子(Epithelial adhesion molecules, EpCAM)作为一种跨膜糖蛋白，除了在细胞间粘附方面的作用外，体外和体内研究表明EpCAM在细胞信号传导、增殖、分化、器官形成和维持中起着重要作用。Ning Zhou等人的研究证明了SCLC中MTA1上调了EpCAM的表达，从而促进肺癌侵袭、转移。他还提出一些关于阐明Ep CAM调节的下游信号传导分子如E-cadherin和Wnt/β-catenin的报道，可能有助于解释MTA1和EpCAM对肿瘤侵袭和迁移的影响 [22]。

除了上述机制之外，MTA1还通过调节基质金属蛋白酶-9 (Matrix metalloproteinase-9, MMP-9)蛋白的活性，参与肿瘤细胞的迁移和侵袭过程 [23]。MMP-9是一种内肽酶，通过降解周围的基底膜和细胞外基质屏障促进肿瘤细胞的侵袭和转移，使肿瘤细胞易于迁移和扩散。Chunhong Yang等人的实验表明MTA1蛋白募集HDAC-2到MMP-9的启动子区域，对组蛋白的去乙酰基作用，抑制MMP-9的转录。这种抑制作用可部分被HDACs抑制剂所拮抗，因为MTA1蛋白还可以募集转录抑制因子Mi2到MMP-9的启动子区域，以不依赖组蛋白去乙酰基的方式重塑染色质结构 [24]。

4.2. MTA1对肿瘤血管生成的影响

NSCLC是一种血管生成依赖的肿瘤，血管生成在肿瘤的进展和血管转移中起着核心作用。研究已显示MTA1蛋白在早期NSCLC组织中过表达，并且与CD34确定的肿瘤内血管密度及所测量的血管生成活性显著相关 [25]，提示MTA1蛋白可能通过诱导肿瘤血管生成来促进NSCLC的发展。Shuhai Li等人在NSCLC 95D细胞中，通过RNA干扰(RNA interference, RNAi)下调MTA1蛋白可以显著减少条件培养液诱导的人脐静脉内皮细胞血管形成 [26]，间接证实了MTA1蛋白可能的血管生成潜能。

邓万生等人用免疫组化的方法检测了130例NSCLC中缺氧诱导因子-1α (Hypoxia inducible factor-1a, HIF-1α)及MTA1的表达情况，阳性率均高于癌旁组织 [27]。在低氧条件下，MTA1蛋白的表达被强烈诱导，并将缺氧诱导因子-1α (HIF-1α)去乙酰化，导致HIF-1α蛋白的转录活性和稳定性增强，进而增加血管内皮生长因子的表达，促进肿瘤血管生成 [28]。除了HIF-1α，Tao等人将短干扰RNA (Small interfering RNA, si-RNA)转染人H1299 NSCLC细胞系，使MTA1沉默后，环氧合酶-2 (Cyclooxygenase-2, COX-2)、血管生成素1/2 (angiopoietin, Ang1/2)、血管内皮生长因子(Vascular endothelial growth factor, VEGF)的表达水平也随之降低 [29]。值得注意的是，低氧适应是HIF-1α上调的特征，是肿瘤获得抗血管生成治疗抵抗的重要机制。通过减少血管生成和HIF-1α的表达，抑制MTA1的治疗方法可能克服抗血管生成治疗的耐药性。

4.3. 肺癌中MTA1参与的信号传导通路

4.3.1. MTA1的上游调控基因

MicroRNAs (miRNAs)是一类小的非编码RNA，在动植物中参与转录后基因表达调控，成熟的miRNA是由19~25 bp组成的单链RNA，在许多文献中已经描述了miRNA与肿瘤有关的许多功能。最近一些研究发现，miRNA家族多个成员负向调控MTA1进而影响肺癌进展。其中，作为家族成员之一的miR-30c，直接结合在MTA1的3ʹ-非翻译区域(3ʹ-UTR)，进而下调MTA1表达，miR-30c的单核苷酸多态性可能是导致miR-30c表达下调的机制 [30]。其中，来源于6号染色体的miR-30c-2和人乳头瘤病毒(Human papillomavirus, HPV)高危亚型16/18共同参与了肺癌的发病机制，并与MTA1相关 [31]。有研究已经显示非吸烟女性HPV16/18阳性患者肺癌发生的几率比非吸烟男性患者显著升高 [32]。Yi-Liang Wu等人通过对319例NSCLC进行RT-PCR分析，发现HPV16E6癌蛋白的表达与miR30c-2的表达呈负相关，与MTA1表达呈正相关，并证实miR-30c-2被E6抑制并通过增加MTA-1表达促进肿瘤复发和耐药性 [31]。

除了miR-30c，miR-183下调MTA1，抑制人NSCLC细胞的增殖、EMT、迁移和侵袭。Cheng-Liang Yang等人发现miR-183模拟组和siRNA-MTA1组G0/G1期细胞比例明显增加，S期细胞比例降低，这提示诱导细胞周期阻滞是一种重要的抗增殖机制，最终抑制NSCLC细胞生长 [33]。另一项研究表明，miR-183的上调可以增加细胞周期蛋白D1 (cyclinD1)的表达和核定位，然而，p21和p27的下调和核定位导致NSCLC细胞G1的进展 [34]。

Hong Zhang等人进行了生物信息学和生物功能分析，确定miR-125a-3p是MTA1基因的另一个上游调控因子 [35]。miR-125a家族成员包括miR-125a-3p和miR-125a-5p，它们分别来自前miR-125a的3'和5'端，有直接证据表明miR-125a-3p的表达与NSCLC的病理分期或淋巴结转移呈负相关 [36]。在肺癌细胞中，miR-125a-3p被认为降低了RhoA蛋白的表达，RhoA蛋白是细胞骨架中肌动蛋白的调节因子，因此抑制了细胞的迁移 [37]。

然而，与miRNA家族其他成员相反，在肺癌中，分子水平的双荧光素酶实验证实miR-543的过表达通过上调MTA1，促进了Ki-67的表达和肿瘤血管生成，进而促进肿瘤进展 [38]。

4.3.2. MTA1的下游调控分子和相互作用分子

在肿瘤组织中，MTA1与组蛋白去乙酰化酶(Histone deacetylase, HDAC)结合后可转移至目标基因的启动子区域，去除组蛋白的乙酰基并改变染色体的状态，进而抑制目的基因的转录过程。研究比较明确的有MTA1募集的HDAC1到抑癌基因p53启动子区域，实现其对组蛋白的去乙酰基作用，导致生长停滞。MTA1募集HDAC-2及Mi2到MMP的启动子区域，HDAC-2导致组蛋白的去乙酰化，抑制MMP-9的转录，Mi2到MMP-9的启动子区域，是以不依赖组蛋白去乙酰基的方式重塑染色质结构 [39]。

异粘蛋白(mataderin, MTDH)是肿瘤研究中的热点分子，在正常组织中表达很低，与肿瘤的增殖、进展等相关。杨淑慧等人的研究发现肺癌组织中MTA1和MTDH表达上调，且两者的表达呈正相关。其细胞学实验证实MTA1通过HIF-1α-MTDH通路正向调控MTDH在肺癌细胞系中的表达 [40]。MTA1可通过HDAC1去乙酰化HIF-1α从而增强HIF-1α的稳定性和活性，而MTDH的表达受HIF-1α的调控，MTDH介导了HIF-1α引起的肿瘤对缺氧的适应性改变 [41]。

TCGA数据库发现肺癌中与MTA1表达呈正相关的基因约12,000个。其中，干细胞转录因子2 (Stem cell transcription factor 2, SOX2)与MTA1呈中等相关性。SOX2在NSCLC、SCLC中呈现普遍高表达，既往研究表明过表达MTA1和SOX2后肿瘤细胞表现为高侵袭性及高转移性生长方式。薛等人的研究也进一步证实了MTA1与SOX2呈正相关，并提示MTA1可能通过EMT方式调控SOX2 [17]。SOX2作为HMG DNA结合域转录因子家族中的成员对胚胎干细胞全能性的发育起着重要作用，与肿瘤的发生发展有关。因此，MTA1在SCLC中作为关键调控因子可能涉及肿瘤干细胞调控，并且在SCLC的增殖、凋亡方面具有显著影响。

还有研究显示miR-125b也是肺癌细胞中MTA1的功能靶点。Yiyi则通过细胞生物学分析，证明抑制miR-125b促进了NSCLC细胞的迁移和侵袭，并发现miR-125b在转录水平上受MTA1调节 [42]。

5. 总结

本文综述了MTA1基因的临床和生物学意义，重点关注其与肺癌发生和进展的相关性及其调控机制。MTA1在肺癌侵袭转移中受上游TGF-β1信号通路调控，在下游通过AKT/GSK3β/β-catenin通路，抑制E-cadherin表达，促进肺癌EMT发生。此外，MTA1还可以上调肺癌中的EpCAM49、MMP-9、SOX2促进肺癌转移。在血管生成方面，HIF-1α被MTA1去乙酰化和稳定，导致血管生成。在MTA1多级调节通路中，MTA1受到上游miRNA家族，并在下游作用于P53、c-Myc、HIF-1α、SOX2、miR-125b等分子，共同促进肺癌的发生和进展。许多研究已揭示MTA1基因及其编码蛋白的表达与肺癌的临床相关性，随着研究工作的不断深入，将一步揭示MAT1的分子作用机制，并有可能作为潜在的分子靶点应用于临床。

基金项目

陕西省人民医院领军人才项目(2021LJ-12)；陕西省重点研发计划项目(2019SF-089)。

参考文献

NOTES

^*通讯作者。