KDM3A基因在乳腺癌中的研究进展

张天瑞，姚娟

(1.新疆医科大学，乌鲁木齐 830000； 2.新疆医科大学第一附属医院影像中心，乌鲁木齐 830000)

乳腺癌是影响全球女性健康的最常见恶性肿瘤，也是与女性癌症相关死亡的第二常见原因[1]。乳腺癌高度的异质性使其复发率高、治疗难度系数大且预后不良。虽然近年来乳腺癌患者的总体生存率和预后有所改善，但转移仍是乳腺癌患者死亡的首要原因[2]。通常具有高度转移潜力的癌细胞在局部侵袭之后，迁移到继发靶器官部位形成转移龛。而区域淋巴结是乳腺癌早期转移的首发部位，故腋窝淋巴结转移是乳腺癌患者最重要的预后因素之一[3]。乳腺癌细胞通过激活各种信号通路，获得运动和侵袭表型，从而启动侵袭和转移[4]。选择性雌激素受体调节剂他莫昔芬在雌激素受体阳性乳腺癌治疗中已成功应用。但直接靶向雌激素受体通常会产生治疗抵抗，因此开发针对雌激素受体关键协同调节因子的治疗可能能为耐药型乳腺癌的治疗提供新思路。目前，光热疗法作为一种新型的乳腺癌治疗方式，在生物医学领域受到广泛关注，但其潜在生物学机制及调控因素仍不明确[5]。因此，深入探究乳腺癌发生发展的分子机制显得极为迫切。

赖氨酸去甲基化酶(lysine demethylase,KDM)3A是一种含Jumonji C结构域的KDM，参与了缺氧诱导的MCF-7乳腺癌细胞的侵袭。KDM3A会耗竭肿瘤抑制细胞的诱导侵袭，而不影响低氧条件下MCF-7细胞的存活或增殖。研究表明，KDM3A在过表达时，即使氧气充足也能增强MCF-7细胞的侵袭性[6]。现就KDM3A基因在乳腺癌中的研究进展予以综述。

1 KDM3A

1.1KDM3A的概述 KDM3A位于进化保守的酪氨酸1114位点，又称JMJD1A(Jumonji domain-containing 1A)、JHDM2A(Jumonji C domain-containing histone demethylase 2A)，是含Jumonji C结构域的组蛋白去甲基化酶家族成员，通过促进组蛋白H3第9位赖氨酸二甲基化(lysine 9 of histone H3 dimethylation，H3K9me2)或组蛋白H3第9位赖氨酸单甲基化(monomethylation of lysine 9 of histone H3，H3K9me1)赖氨酸第9位点的组蛋白去甲基化来促进基因表达[7]。KDM3亚家族主要由4个蛋白组成(KDM3A～D)。这4种蛋白质的C端均含有催化的Jumonji C结构域，但KDM3C是否具有去甲基化酶活性仍存在争议。与KDM4B相似，KDM3A是一种在内质网信号转导中起关键作用的内质网共调节蛋白。此外，KDM3蛋白含有用于DNA结合的锌指结构域和与核受体相互作用的LXXLL结构域[8]。在KDM3蛋白中，尤其是KDM3A在多种癌症中过表达，这种特质使其成为潜在的癌症治疗靶点。研究表明，在低氧条件下，含有Jumonji C结构域的KDM3A消耗会抑制细胞的侵袭性，但不会影响MCF-7细胞的存活或增殖，而当KDM3A过表达时，即使在常氧条件下也会增强MCF-7细胞的侵袭能力[9]。KDM3A参与多种肿瘤的发生发展，包括化疗耐药性、表观遗传调控、增殖和转移，故在临床有较高的研究价值[10-11]。

1.2KDM3A在多种癌症中的作用 研究发现，许多癌症的发生、发展及转归与KDM3A表达失调有关[11]。KDM3A可以抑制胃癌细胞的增殖和胃转移瘤的生长，即KDM3A通过协同激活Ets-1和降低胃癌细胞Runt相关转录因子3(Runt-related transcription factor 3，RUNX3)启动子上的H3K9me1/H3K9me2水平上调RUNX3。KDM3A在体内抑制胃癌细胞的生长，部分依赖于RUNX3。此外，KDM3A在胃癌中低表达，且低表达的KDM3A与胃癌患者的侵袭性表型和不良预后相关[12]。在去势抵抗性前列腺癌中，KDM3A蛋白的稳定性由泛素连接酶STUB1控制，其通过降解KDM3A抑制雄激素受体活性和前列腺癌细胞生长。此外，KDM3A乙酰化在调节去势抵抗性前列腺癌中的KDM3A稳定性和雄激素受体活性方面至关重要[13]。KDM3A在结肠癌中过表达，其表达水平与增殖细胞核抗原呈正相关[14]。而敲低JMJD1A可减少增殖基因(如c-Myc、cyclin D1和增殖细胞核抗原)的表达，抑制结肠癌细胞的增殖，阻断细胞周期，降低转移瘤的发生率。同时，也可通过沉默KDM3A基因降低基质金属蛋白酶9的表达水平和活性，抑制结肠癌细胞迁移、侵袭和肺转移[14]。但Li等[15]发现，KDM3A在结直肠癌组织和正常结直肠组织中的表达差异无统计学意义，而在结直肠癌转移病灶中的表达较原发灶显著增加。

肺腺癌中叉头框转录因子P3的表达受活化的Toll样受体4调控，其通过诱导抑制性细胞因子分泌来增强调节性T细胞的免疫抑制功能。研究发现，KDM3A可上调调节性T细胞的表达，从而促进肺癌细胞逃避免疫系统[16]。与乳腺癌类似，肺癌中的KDM3A也被BRG1招募到增殖和转移相关基因启动子中[17]。BRG1是细胞周期蛋白B1和潜在转化生长因子-β结合蛋白2表达的关键因素，它们的上调与肺癌的生长相关。当BRG1表达终止时，KDM3A对这些启动子的招募会减少，证实KDM3A与BRG1相互作用并调控这些基因的甲基化状态[17]。在肝癌中，KDM3A的水平高于正常组织，敲除KDM3A可抑制磷脂酰肌醇-3-激酶催化亚单位α转基因小鼠肝脏肿瘤的形成[18]。此外，在磷脂酰肌醇-3-激酶激活的人类恶性前体病变中还观察到KDM3A和c-Jun氨基端激酶的共同表达。值得注意的是，KDM3A在CD44阳性肝细胞中高表达，它控制着CD44阳性细胞的数量和肿瘤启动潜能。人膀胱癌细胞系和组织中，KDM3A的表达水平明显高于正常膀胱组织[19]。KDM3A过表达会激活同源异形盒基因 A1(homeobox genes A1，HOXA1)转录，随后激活细胞周期素D1转录，通过G1/S期转变促进细胞增殖和存活。KDM3A蛋白与HOXA1的启动子结合，脱乙基使H3K9me2水平升高，但不增加组蛋白H3第9位赖氨酸三甲基化水平。KDM3A的水平在癌症的不同阶段和级别中相对相似，这种一致性表明KDM3A的过度表达始于早期阶段，且在整个癌症进展过程中仍然水平很高，提示KDM3A是癌症发展的重要因素，尤其在低氧条件下。

也有研究表明，KDM3A与参与糖代谢基因的主要转录因子缺氧诱导因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α)协同作用[20]。神经母细胞瘤是最常见的源自前体神经母细胞的儿童颅外肿瘤，已发现KDM3A在神经母细胞瘤中表达上调[21]。在神经母细胞瘤中，MYCN癌基因被扩增和过度表达，在1/4的神经母细胞瘤患者中观察到N-myc的过度表达，N-myc通过上调KDM3A的表达间接调节其他基因的表达[21]。与胰岛细胞和腺泡细胞等邻近非肿瘤组织相比，KDM3A在胰腺肿瘤细胞系和组织中过表达[22]。由于KDM3A可上调DCLK1，与启动子结合，从而去除H3K9me1，故DCLK1是胰腺肿瘤干细胞的标志物。可见，开发新的肿瘤标志物和药物靶点是精确诊断和治疗的关键，因此研究KDM3A基因在肿瘤中的具体作用机制显得尤为重要。

2 KDM3A基因与乳腺癌

2.1KDM3A与乳腺癌细胞侵袭、凋亡相关 研究表明，基质金属蛋白酶9可以调控乳腺癌细胞系MCF-7和MDA-MB-231的侵袭和转移[23]。乳腺癌发生骨转移时，S100钙结合蛋白A4蛋白通过表面受体(晚期糖基化终末产物受体)直接刺激破骨细胞的形成。Notch信号通路参与调节乳腺癌的许多关键过程，其中最重要的为上皮-间充质转化[24]。KDM3A可直接结合到这些促侵袭基因的启动子上，并通过清除H3K9me2来激活它们的转录，且在侵袭性较强的乳腺癌细胞系MDA-MB-231中S100钙结合蛋白A4的表达受到KDM3A的表观调控，但在Hs578T细胞系中未发现这种调控。在80%的三阴性乳腺癌中，p53抑癌基因发生突变，p53蛋白是一种转录因子，通过调控其下游靶基因，从而控制细胞的一些功能，包括细胞周期阻滞、细胞凋亡和细胞老化[25]。一些突变的p53蛋白可获得促癌功能，促进肿瘤细胞生长、侵袭及产生化疗耐药性，增加基因组的不稳定，并改变多种蛋白质组和代谢途径[26]。同时，KDM3A还可以通过对非组蛋白p53去甲基化抑制其转录活性，从而诱导乳腺癌细胞产生促侵袭表型。此外，已发现表达突变型p53的乳腺癌细胞具有干细胞样转录特征，其细胞凋亡反应明显受损，侵袭性、迁移和转移能力增加。采用化疗治疗的p53抑癌基因野生型乳腺癌患者可以在适当的时候增加激素治疗，通过消除衰老细胞改善其较差的生存期[27]。此外，p53信号通路还参与调控长链非编码RNA MEG3抑制乳腺癌细胞生长和诱导其凋亡[28]。因此，抑癌基因p53在乳腺癌的表观遗传调控中扮演非常重要的角色，且与肿瘤的高异质性有关。

2.2KDM3A与乳腺癌光热疗法 临床中，根据孕激素受体、雌激素受体和人表皮生长因子受体2 (human epidermal growth factor receptor 2，HER2)的表达水平，可将乳腺癌分为5个亚型，这有利于个体化治疗方案的选择和预测预后。通常激素受体阳性对内分泌治疗反应良好，而HER2过表达则对HER2拮抗剂敏感，雌激素受体、孕激素受体、HER2均阴性表达提示预后不良[29]。虽然学者们对乳腺癌生物学特征的认识逐渐提高，但由于疾病的异质性、治疗靶点的分类、治疗的耐药性、残留性疾病以及靶向治疗后复发等问题，乳腺癌的治疗仍面临严峻挑战[30]。因此，亟须探索更有效的抗癌方式。光热疗法作为一种新兴的治疗方式，通过将吸收的光转化为热来消除恶性组织[31]。目前，大量的光热材料已被开发并引入乳腺癌的治疗中，二维纳米片因其独特的超薄纳米结构和光子热转换特性，在癌症诊断和治疗领域引起了广泛关注[32]。这些纳米片可以通过典型的实体瘤的高通透性和滞留效应[33]在肿瘤部位聚集，从而极大地减少对正常组织器官的副作用，故光热疗法对乳腺癌具有较高的治疗潜力。NOXA和PUMA是属于Bcl-2家族的BH3-only蛋白，主要介导p53依赖的凋亡[34]。KDM3A可清除p53-k372me1的甲基群，通过下调NOXA和PUMA的表达来抑制p53的抗癌功能，从而导致乳腺癌患者对光热治疗产生抵抗[35]。因此，下调KDM3A的表达可使乳腺癌患者对光热疗法产生敏感。

2.3KDM3A在乳腺癌中的表观遗传调控 表观遗传学和表观基因组学研究表明，乳腺癌的细胞类型具有高度异质性，除了干细胞样表型和间充质表型外，还具有许多表观遗传状态，其中耐药性与其表观遗传状态发生改变有关[36]。迄今为止，表观遗传学过程(如DNA甲基化、组蛋白修饰)已被报道涉及乳腺癌病理生理学、诊断和治疗的各个方面[37-38]。众所周知，组蛋白异常甲基化与恶性肿瘤关系密切。研究表明，组蛋白修饰模式可用于预测肿瘤的细胞表型和复发风险[39]。在乳腺癌中，DNA的异常甲基化广泛影响肿瘤转化转移过程。在肿瘤发生过程中，早期的DNA甲基化改组会影响细胞分化，DNA与同源盒蛋白和转录信号转导的基因结合，从而刺激乳腺癌干细胞的促肿瘤特性[40-41]。原代细胞从寿命延长，逐渐丧失凋亡功能，乃至最终获得致瘤能力，被认为是肿瘤细胞转化的不同阶段。H3K9me1和H3K9me2的去甲基化酶KDM3A/JMJD1A在肿瘤转化过程中逐渐增加，其缺失会影响转化细胞系的生长。MYC是一种众所周知的乳腺癌致癌基因，也是其他许多癌症的致癌基因。KDM3A/JMJD1A通过下调MYC和PAX3基因上的H3K9me2调控乳腺癌的发生。

2.4KDM3A在耐药型乳腺癌中的作用机制 雌激素受体是一种配体激活的转录因子，其活性是通过与多种蛋白复合物的相互作用来调节。已知选择性雌激素受体调节剂他莫昔芬，通过抑制乳腺癌细胞中雌激素受体信号通路治疗雌激素受体阳性乳腺癌。雌激素受体信号通路在乳腺正常上皮细胞稳态的维持及转录过程中起着至关重要的作用，目前仍是乳腺癌治疗干预的主要靶点。但是研究发现，通过他莫昔芬长期治疗的雌激素受体阳性乳腺癌容易产生耐药性[42-44]。因此，越来越多的学者开始探索他莫昔芬耐药的分子机制。研究证明，干扰素诱导蛋白27 (IFI27/ISG12)作为一种新的雌激素受体α相关蛋白，其转录受干扰素和雌二醇共同调控，IFI27/ISG12过表达与雌激素受体阳性乳腺癌患者总生存率降低相关，且可抑制他莫昔芬诱导的乳腺癌细胞凋亡[42]。非受体酪氨酸激酶激活的CDC42相关酪氨酸激酶1与雌激素受体/KDM3A复合物相互作用，通过酪氨酸磷酸化修饰KDM3A以调节HOXA1位点的转录，促进他莫昔芬耐药乳腺癌的生长[43]。在许多对内分泌治疗耐药的乳腺癌中，他莫昔芬结合的雌激素受体与雌激素激活的雌激素受体的转录因子结合位点不同，从而产生了一种可替代的雌激素受体转录组，即FOXA1在内分泌抵抗型乳腺癌过表达，并调控雌激素受体染色质的相互作用，从而加快了疾病的进展[44]。研究发现采用三苯氧胺治疗乳腺癌时，KDM3A通过磷酸化可促进雌激素受体与癌基因HOXA1启动子结合，表明KDM3A参与调节耐药型乳腺癌细胞中雌激素受体的招募[45]。Yang等[46]证明，雌激素和低氧介导的信号通路之间相互交叉是内分泌治疗耐药的另一种机制，HIF-1α的表达与雌激素受体拮抗剂他莫昔芬的耐药有关，过度激活的HIF-1α在内分泌治疗耐药乳腺癌中弥补了雌激素受体信号的缺失。而KDM3A的表达受HIF-1α调节，这表明KDM3A可能是雌激素和缺氧途径之间的关键调节因子，抑制这种酶对低氧诱导的内分泌抵抗型乳腺癌可能有效[47-48]。

3 小 结

目前，表观遗传调控已成为乳腺癌发生和转移的关键步骤，H3K9me1和H3K9me2的去甲基化酶KDM3A/JMJD1A在乳腺癌细胞中水平显著升高，并与乳腺癌的发生发展及转化密切相关。KDM3A基因可协助临床判断乳腺癌的预后，制订合理有效的治疗方案，且在优化光热治疗与内分泌治疗中显示出了巨大的潜力，是应用前景广泛的乳腺癌治疗靶点。目前，有关KDM3A与乳腺癌预后转化的具体分子机制研究较少，未来还需进一步研究。随着蛋白组学和表观遗传学的不断进展，KDM3A与乳腺癌的关系将会更加明确，这对乳腺癌患者的防治与诊疗具有重要意义。