CPS1 基因与肿瘤关系的研究进展

黄天劲 周宇

氨甲酰磷酸合成酶1（CPS1）又称肝细胞石蜡抗原1，为催化尿素循环限速酶之一。尿素循环的主要功能是清除体内代谢产生的有毒物质氨，CPS1 功能缺失或降低可引起尿素循环障碍，进而导致高氨血症，严重者可导致神经功能障碍甚至死亡。近年来研究表明，CPS1 基因在多种肿瘤组织中存在差异性表达，可通过多方面影响肿瘤的发生发展及患者的预后。

一、CPS1 基因的结构和功能

CPS 存在于高等生物及大多数细菌中，细菌中的CPS 用于合成精氨酸和嘧啶，而在高等生物中，不同的CPS 用于合成精氨酸、嘧啶及尿素。CPS1 专指真核生物中合成尿素的CPS，是由一个约120 kDa 大亚基和一个约40 kDa 小亚基融合成的多肽。CPS1 基因位于染色体2q34 上，长度超过120 kb，包含38 个外显子和37 个内含子，主要在肝细胞和肠上皮细胞中表达。真核生物中合成嘧啶的CPS 与AST、二氢转氨酶构成243 kDa的复合酶（CAD）。CPS1 及CAD 均能催化氨甲酰磷酸的形成，后者为一种不稳定的高能磷酸化合物，是尿素和嘧啶合成的前体代谢物。

二、CPS1 与肿瘤的关系

1. CPS1 与肝细胞癌（HCC）的关系

CPS1 在HCC 及胆管细胞癌中起重要作用。有研究发现，在人HCC 组织中CPS1 的表达明显下调，且其下调可能与其启动子区CpG 高甲基化相关，故认为CPS1 基因启动子区的高甲基化可作为HCC 潜在的生物标志物。此外，也有研究发现，在HCC 中CPS1 的高甲基化引起其表达下调，可能有利于CAD 作用于谷氨酰胺，启动合成嘧啶途径，从而促进肿瘤细胞分裂。因此，CPS1 在HCC 组织表达下调与其甲基化有关。进一步的研究发现，CPS1 与HCC 患者某些临床病理指标及预后有关。Wang 等研究发现，相对于中、高分化HCC，低分化HCC 中CPS1 表达量明显上调，说明CPS1 与HCC 的分化程度有关。也有研究发现，CPS1 在复发性HCC 和远处转移癌组织中明显下调，并且低表达的CPS1 与HCC 患者的短生存期有关。然而，在肝内胆管癌中，CPS1 和CPS1-IT1 表达均上调，敲除CPS1 或CPS1-IT1 基因可抑制ICC-9810 细胞增殖并促进其凋亡，并且CPS1和CPS1-IT1 在癌组织中表达增高提示患者预后不良。由此可见，在HCC 的2 个病理类型中CPS1的作用相反。CPS1 在HCC 中的作用机制仍未十分清楚。Chen 等研究发现，肝细胞核因子3β（HNF3β）可通过结合CPS1 启动子区域，促进肝细胞株中CPS1 转录表达。也有研究发现，阿司匹林可能通过激活AMPK 信号通路，进而下调其下游靶蛋白CPS1 的表达，诱导HCC cAMP-PKACREB/atf1 信号通路转导，从而减弱阿司匹林的抗肿瘤作用。Aflatxion B1（AFB1）是一种能导致HCC 的霉菌毒素，AFB1 能下调正常肝细胞CPS1的表达，进而抑制细胞增殖及诱导其凋亡，并且CPS1 与具有分化作用的Ⅱ型细胞骨架1、白蛋白可能具有一定相互作用，其相互作用强度相关性被AFB1 改变，这提示CPS1 可能在肝组织分化中发挥作用。

2. CPS1 与肺癌的关系

CPS1 在肺癌中也发挥重要作用。Wu 等通过生物信息分析发现，CPS1 在肺腺癌组织中的表达水平明显上调，且CPS1 上调与CPS1 的低甲基化相关。进一步研究发现，化学治疗药物莫特沙芬钆能降低CPS1 的表达水平。肝激酶B1（LKB1）是肺腺癌的一种肿瘤抑制因子，CPS1 在LKB1 失活的肺腺癌细胞系中的表达比LKB1 完整的肺腺癌细胞系明显上调。敲除CPS1 可抑制肺肿瘤细胞生长，降低与核酸生物合成途径相关的代谢物水平，并且在敲低基础上使用吉西他滨等化学治疗药物时具有相加效应，这表明CPS1 可能成为肺癌较有前景的治疗靶点。在人非小细胞肺癌中，LKB1可通过AMPK 通路抑制CPS1 的转录，降低嘧啶/嘌呤值，影响S 期进程，导致DNA 聚合酶活性下降和DNA 损伤，促进肿瘤细胞的凋亡，加入外源嘧啶可以逆转DNA 损伤及细胞凋亡。另有研究发现，在表皮生长因子受体（EGFR）突变型非小细胞肺癌中，在抑制EGFR 的基础上敲低CPS1能导致精氨酸水平和嘧啶衍生物水平降低，进而抑制细胞增殖，加入外源性嘧啶类化合物能够在一定程度上解除这种抑制效果，这为开发合理的EGFR 抑制剂联合疗法治疗EGFR 突变的非小细胞肺癌提供理论基础。AFF（1AF4/FMR2家族成员1）是超伸长复合体的核心因子，神经降压素（NTS）是一种由13 个氨基酸组成的神经肽。Yue 等在肺腺癌细胞中研究发现，AFF1 可以通过抑制NTS的表达进而抑制CPS1 的表达，IL-6 通路能够拮抗NTS 对CPS1 的调节作用，说明CPS1 的上游调控因子可能为NTS、IL-6 等。

3. CPS1 与结直肠癌的关系

CPS1 与结直肠癌亦相关。通过大数据分析库（如The Cancer Genome Atla 等数据库）分析发现，CPS1 在结肠腺癌组织中表达增加，并认为CPS1是结肠癌进展的重要基因之一。也有研究发现，CPS1 与结直肠癌放射、化学治疗作用有关。Lee等研究发现，CPS1 蛋白在结肠癌细胞中的表达比非肿瘤性人结肠上皮原代细胞高，在接受新辅助同步放射、化学治疗的直肠癌患者中，CPS1 的过度表达预示治疗效果差。在一项关于紫草素抗肿瘤活性的研究中发现，紫草素处理后的结肠癌小鼠模型中CPS1 mRNA 表达增加，说明紫草素的抗肿瘤作用可能与CPS1 有关。在另一个研究中，二甲双胍可增加HCT116 移植瘤和结直肠癌细胞株中AMPK 和p53 的表达，进而降低CPS1 的表达。此外，通过蛋白质组学分析显示，CPS1 在溃疡性结肠炎（UC）进展者（UC 伴高度异型增生或癌）组织中表达上调，在UC 非进展者（无不典型增生）中表达正常，提示CPS1 可能与UC 相关的结肠癌相关。

4. CPS1 与其他肿瘤的关系

除了HCC、肺癌及结直肠癌之外，CPS1 在其他肿瘤组织中的情况也有少许研究。Wu 等通过Oncomine 和GEPIA 等公共数据库的转录组数据分析发现，启动子区低甲基化的CPS1 在多形性胶质母细胞瘤（GBM）中表达上调，通过PI3K-Akt 信号通路促进GBM 的进展。Liu 等通过RNA 测序和CARD10 基因敲除的代谢质谱分析表明，CPS1为CARD10 调控的下游基因，并且CARD10 可通过调控CPS1 促进膀胱癌生长，这可能成为膀胱癌的潜在治疗靶点。

三、展 望

综上所述，CPS1 是催化尿素循环的关键酶之一，主要参与清除机体代谢产生的有毒物质氨。近年来，CPS1 被发现在多种恶性肿瘤中表达异常，且在大多数肿瘤中上调。同时CPS1 表达受多种活性因子如AFB1、LKB1 调控或与甲基化相关。此外，CPS1 与多种信号通路因子或信号转导通路如AMPK、cAMP-PKA-CREB/atf1、PI3K-Akt 等 相互作用，共同影响肿瘤的发生发展及患者的预后。值得注意的是，CPS1 与CAD 催化合成的氨基甲酰磷酸是尿素循环和嘧啶合成的前体代谢物，因此，CPS1 的生物活性可间接影响嘧啶合成进而导致肿瘤发生发展。尽管CPS1 在肿瘤方面的研究已取得一定的进展，但仍有许多问题尚未完全清楚。因此，有必要对其进行更深入的研究，以期寻找肿瘤早期诊治或进展评估的生物标志物提供可能的实验基础及理论依据。