金属硫蛋白在大肠癌中的研究进展

赵轩 李国东 综述 刘明 审校

大肠癌(Colorectal cancer)是世界上第二大致死性恶性肿瘤，大肠癌的发病率在男性和女性之间并无明显差异，男性发病率排在所有癌症中的第2位，女性发病率排在所有癌症中的第3位[1]。平均每年约180万新发大肠癌患者，约有90万患者因为大肠癌失去生命[2]。大肠癌患者整体5年生存率约为50%，但是在IV期大肠癌患者中5年生存率仅为10%左右[3]。因此早期预防、早期诊断及早期治疗在大肠癌患者的诊疗过程中极为重要。针对已经确诊的大肠癌患者，分子诊断可以帮助指导制定后续的治疗方案，从而延长患者的生存期。金属硫蛋白(Metallothionein，MTs)是一种小蛋白，由61～68个氨基酸构成。近来相关研究表明，MTs与大肠癌的发生发展相关，并发挥着重要作用。

1 MTs概述

MTs由位于人类第16号染色体上的16个基因编码，编码MTs的基因在不断的复制过程中产生了变异，根据其编码蛋白的氨基酸序列和空间结构的变化分为四个主要亚型(MT1、MT2、MT3、MT4)。在MT1中MT1A、MT1B、MT1E、MT1F、MT1G、MT1H、MT1M、MT1X是已知的能编码蛋白的活性基因，MT1C、MT1D、MT1I、MT1J、MT1L是无法编码蛋白的假基因[4]。MTs的功能与其结构有关，作为一种小分子含镉的蛋白，因其富含半胱氨酸基团共约20～21个，可与各种重金属相互作用从而调控细胞的金属稳态。通过这一特性MTs可以与铜锌结合，参与细胞增殖过程的调控。MTs还可以结合镉、汞等重金属，从而降低重金属毒性的组织细胞损伤效应[5]。MTs可以作为抗氧化剂来保护细胞免受由诱变剂、抗肿瘤药和辐射产生的自由基和氧化应激的影响[6]，还可以参与肿瘤的发生发展，调控肿瘤细胞对化学药物的敏感程度[7-9]。近年来学者们发现不同的MTs亚型在大肠癌中发挥着不同作用，从早期对MTs整体在大肠癌中发病机制的研究转为对其各亚型的研究。

2 MTs在大肠癌中的作用

2.1 MTs对大肠癌增殖的作用

MTs的表达水平与大肠腺瘤的绒毛状特征和大肠癌的Dukes分期呈正相关，MTs的过表达常出现在晚期大肠癌中[10]。在对大肠癌细胞系HT-29与MTs的研究中，使用酶联免疫吸附实验的方法对HT-29细胞系的增殖周期过程中的MTs表达情况进行了研究，MTs的表达水平在细胞的G1/S阶段达到峰值，为此期间细胞的脱氧核苷酸的合成做准备。进一步的实验结果发现，细胞增殖与锌含量关系密切。这一过程可能是通过MTs结合转运锌离子和为锌指转录因子提供原料有关。提示MTs在细胞增殖中扮演重要的角色[11]。

2.2 MTs对大肠癌凋亡的作用

MTs可以调控肿瘤细胞凋亡的能力已被证实[12]。MTs可以作为转录因子和肿瘤抑制因子的锌供体，从而实现调控肿瘤细胞凋亡的能力。p53作为抑癌基因，可以对细胞周期进程产生抑制的作用，还可以参与DNA损伤过程从而启动细胞的凋亡程序。MTs可以把p53蛋白的结合锌分离，从而改变p53蛋白的形态，使其功能丧失[13]。MTs还可以和NF-κB相互作用产生抗凋亡作用。在MT2A的相关研究中表明，使用人大肠癌细胞系Colo 205在裸鼠中进行实验，在使用siRNA沉默MT2A的实验组与野生型Colo 205相比，实验组对肿瘤细胞的增殖抑制更加明显；进一步研究其作用机制时发现MT2A和Fas相关死亡域(FADD)存在相互作用，并且这种相互作用可以通过NF-κB途径参与大肠癌细胞的增殖和抑制大肠癌细胞的凋亡[14]。然而MT1F在大肠癌中却发挥着促进肿瘤细胞凋亡的作用，MT1F在体外实验中被证实可以抑制细胞的增殖能力和集落形成的能力，可以促进肿瘤细胞凋亡，从而发挥其抑癌的作用。MT1F在大肠癌细胞中的表达被杂合性缺失(LOH)所阻断，且MT1F mRNA的表达和启动子甲基化在部分低分化的大肠癌细胞系中明显低于高分化的大肠癌细胞系。这可能与大肠癌的微卫星不稳定(MSI)有关[15]。

2.3 MTs对大肠癌分化的作用

MTs参与多种细胞的分化过程，并且与肿瘤细胞分级呈正相关。在大肠的正常粘膜向癌症的转化过程中，MT1X和MT2A的低表达被认为是这一过程的标志之一。在高微卫星不稳定性大肠癌组织与微卫星稳定或低微卫星不稳定性大肠癌组织相比，可以更频繁地检测到MT1X T20(MT1X基因的3，UTRUTR，T20单核苷酸重复)的不稳定性，检测的灵敏度为97.3%，特异性为100%。这一发现可使MT1X T20作为一种敏感和特异的微卫星不稳定检测标记应用于大肠癌中家族性或散发性缺陷错配修复(DMMR)的鉴别[16]。在对MT1G在大肠癌的研究中发现过表达MT1G可以增强大肠癌细胞的异型性，MT1G主要通过Notch信号通路和不稳定的锌螯合和再分布产生对大肠癌细胞分化的控制作用。通过cDNA微阵对大肠癌组织进行mRNA表达谱分析验证MT1G的作用，发现参与细胞分化调节基因的表达情况被改变，其中最主要的就是Notch信号通路，Notch信号通路的抑制可激活Atoh1来刺激杯状细胞在肠道的分化。不稳定的锌离子被认为是参与传递细胞分化的第二信使，MTs能调节不稳定锌离子的浓度，调节锌离子向不同的细胞器转运并能调控细胞质中锌离子变化反应[17]。

2.4 MTs对大肠癌转移的作用

肿瘤细胞的侵袭转移能力是决定肿瘤细胞恶性程度的重要因素之一。MTs的过表达已被证明是多种肿瘤产生转移性行为的重要因素。研究表明，大肠癌中MTs和Ki-67表达呈正相关。在原发性大肠癌中，MTs的表达与淋巴转移显著相关，但在大肠癌肝转移癌灶中，转移癌的发生与MTs的表达量无明显关联。在对34例大肠癌肝转移患者的组织标本进行免疫组化的研究中，发现其中肝转移癌的MTs均为阴性，原发灶中7例为阳性[18]。在其他类似的研究中得到了一致的结果，研究人员通过RT-PCR和免疫组化方法对93例大肠癌患者进行研究。结果显示在正常大肠组织MTs的表达阳性率为32.3%，大肠癌原发灶MTs的表达阳性率为58.1%，淋巴转移灶MTs的表达阳性率为81.1%。相比于正常组织，MTs在肿瘤组织中表达阳性率更高，且在淋巴结转移灶中阳性率高于原发灶[19]。

2.5 MTs在大肠癌化疗和放疗中的作用

MTs能改变部分化疗药物在肿瘤中的敏感程度，其中包括奥沙利铂、顺二氨二氯铂、苯丁酸氮芥和美法仑等[20-21]。因此MTs可以作为肿瘤化学耐药性的预测靶点之一，可以通过评估MTs的表达情况选择化疗药物。奥沙利铂是一种在大肠癌治疗中常用的化学治疗药物，研究者通过建立耐奥沙利铂的大肠癌细胞系进行研究，发现MT2A在耐奥沙利铂的大肠癌细胞系中的转录和表达水平高于未产生耐药的大肠癌细胞系。敲除MT2A在耐奥沙利铂的大肠癌细胞系中的表达可以提高肿瘤细胞对奥沙利铂的敏感性，而过表达则相对的提高了肿瘤细胞的耐药性。同时在研究中发现过表达BARD1在一定程度上可以增强敲除MT2A的大肠癌细胞系对奥沙利铂的耐药性[21]。然而在MT1G过表达的大肠癌患者人群中，应用化疗药物奥沙利铂和5-氟尿嘧啶具有更高的敏感性，这可能是与p53的激活和NF-κB途径的抑制有关。由于在大肠癌的发生发展中MT1G的表达被抑制，组蛋白去乙酰化酶抑制剂(HDACI)可以诱导MT1G的表达，并且HDACI与奥沙利铂和5-氟尿嘧啶这两种化疗药存在协同作用，应用HDACI再次激活MT1G的表达可能为大肠癌的治疗提供新的理念[22]。SPINK1(丝氨酸肽酶抑制剂，Kazal 1型)能促使多种MTs亚型的下调，SPINK1常在大肠癌细胞中过表达，且SPINK1有促进大肠癌发展的作用。敲除SPINK1在大肠癌细胞中的表达可以明显降低结肠腺癌WiDR细胞的增殖、侵袭和软琼脂集落的形成，并提升大肠癌细胞对阿霉素的敏感程度。这一发现可能会为SPINK1阳性的大肠癌患者提供一种新的治疗方案[23]。尽管部分亚型的MTs能增强肿瘤细胞的耐药性，但许多研究表明MTs可以清除自由基并减弱氧化应激反应，从而减弱抗癌药物的心脏毒性副作用[24]。因此MTs在肿瘤耐药和抵抗化学药物心脏毒性方面仍有进一步研究的价值。在一组对放疗后大肠癌中MTs的mRNA和MTs的表达情况的研究中，选用组织学恶性为G2级的大肠腺癌患者进行放射治疗，虽然放射治疗后并没有降低大肠癌的组织学恶性程度，但是放疗后与放疗前相比大肠癌组织中的MT1F、MT1X和MT2A的mRNA转录量有所升高，其中MT2A mRNA的表达情况差异最大。尽管这三种MTs的mRNA表达量升高但是其编码蛋白的表达量没有明显改变，出现的这种差异情况仍需进一步的探究[25]。

3 小结与展望

MTs作为一个具有多种亚型的蛋白家族，现有的研究还只是对其中的部分亚型在大肠癌的部分作用机制进行了阐述。但由于MTs有着众多的亚型，且各种亚型之间在大肠癌中扮演着不同的角色。因此对MTs在大肠癌的作用及其机制的进一步探索，应致力于其各种亚型对大肠癌的作用机制，从而做到高效的、特异性的为大肠癌的治疗提供新的思路和靶点。