浅析FOXD3调控结直肠癌细胞与5-FU敏感性的机制
摘要：5-氟尿嘧啶（5-FU）是尿嘧啶5′位氢被氟取代的衍生物，属于抗代谢类肿瘤药物。目前，结直肠癌的一线治疗方式是以5-氟尿嘧啶为基础的化疗。Forkhead Box (FOX)蛋白家族是一类广泛存在于动植物细胞中的转录因子。其FOXD3在结直肠癌中是一个经常发生的、受甲基化调控的抑癌基因，FOXD3可以 通过增强DRAP1在细胞凋亡的作用从而增强肿瘤细胞对5-FU的敏感性并发挥抗癌作用。
关键词：FOXD3；结直肠癌；5-氟尿嘧啶；耐药机制；DRAP1
结直肠癌是人类最常见的消化道肿瘤之一。根据世界卫生组织的全球癌症统计报告，2018年全球有1810万新发癌症病例，其中新发病例中排名前三的是肺癌、乳腺癌和结直肠癌；2018年全球有960万癌症死亡病例，其中死亡病例中排名前三的是肺癌、结直肠癌和胃癌。在我国，2000 年至 2015 年结直 肠癌在男性和女性的发病率均是上升的，并且，男性结直肠癌的死亡率上升； 预计 2015 年我国结直肠癌的发病人数和死亡人数 37.6 万例和 19.1 万例，均位于恶性肿瘤第五位[1]。近些年来结肠镜检查等早期筛查手段得到重视，靶向治疗、手术治疗以及新辅助化疗的综合肿瘤治疗手段水平明显提高。然而，全球结直肠癌的发病率和死亡率仍呈总体上升趋势，情况仍旧不容乐观[2]。因此，如何降低结直肠癌的发病率和死亡率仍是亟待解决的问题。
目前，结直肠癌的一线治疗方式是以5-氟尿嘧啶（5-FU）为基础的化疗。5-FU是尿嘧啶5′位氢被氟取代的衍生物，属于抗代谢类肿瘤药物，主要为S期特异性药物，但对其他各期细胞也有一定作用，通过抑制胸苷酸合成酶的催化活性，阻断了尿嘧啶核酸转变为胸腺嘧啶核酸，影响DNA的合成及修复功能，从而发挥细胞毒作用，来达到抗肿瘤的效果[3]。随着联合化疗和新药的产生，对于肿瘤的治疗水平已经有了长足的进步。然而，原发性或获得性的肿瘤耐药性仍是影响化疗疗效的重要因素。肿瘤耐药与细胞自身的遗传特性改变、传递药物的功能受损以及表观遗传有着密切的关系。结直肠癌的表型演变经历了腺瘤—腺癌两个阶段，其发生和发展是一系列遗传学和表观遗传学事件积累的过程，这个过程涉及到多种原癌基因的激活及抑癌基因的沉默 [4]。表观遗传改变是指在不涉及DNA序列改变的情况下，基因功能发生了可遗传的变化，表观遗传学机制为没有家族史或仅有微弱家族史的结直肠癌患者提供了解释，其分子机制主要包括：DNA 甲基化( DNA methylation)、组蛋白修饰( histone modification)、染色质重塑( chromatin remodeling) 以及microRNAs介导的基因沉默等 [5-6]。一些抑癌基因如促凋亡基因、细胞周期调控基因、DNA修复相关基因等启动子的过度甲基化可导致相关基因的转录失活、基因表达沉默，继而抑制该基因的生物学功能，最终诱导化疗药物的耐药[7]。
Forkhead Box (FOX)蛋白家族是一类广泛存在于动植物细胞中的转录因子，其特征是具有一个高度保守的DNA结构结合区域，由约100个氨基酸构成3个N-末端的alpha;-螺旋，3个beta;-螺旋以及C端区两个翼状的环，能够与DNA结合从而调控基因的表达，称为FOX结构域或翼状螺旋结构域，根据DNA 结合区的同源性，已在不同种属中证实了至少40个Fox 家族成员，这些FOX基因通过转录因子控制其他基因的活动，其功能涉及细胞凋亡的调节和细胞周期的调控、胚胎发育、糖类和脂类代谢、生物老化、免疫调节等多种生物学过程，其突变和表达异常与发育畸形、代谢性疾病以及肿瘤发生有关。其中，FOX家族基因表达的失调与肿瘤的发生发展是研究的热点。FOXE, FOXA，FOXC，FOXM，FOXP和FOXO等多个家族成员被证实在特定肿瘤中具有癌基因或抑癌基因的作用 [8-12]。
FOXD3 (forkhead box D3)，是FOX转录因子家族的重要成员之一，位于人类染色体1p31。FoxD3最初在小鼠胚胎干细胞（embryonic stem cell, ESC）的晚期胚囊内细胞团(inner cell mass, ICM)发现，随后在胚外组织和胚胎发育后期神经嵴细胞中也可以检测到FOXD3的表达，作为一种重要的转录调节因子，FOXD3有许多的生物功能，比如维持脊椎动物胚胎发育和胚胎干细胞多能性，调控神经嵴细胞系的形成、迁移和分化，此外，FOXD3与其他转录因子相互作用，在肿瘤的发生发展中起着重要的调节作用 [13-15]。据报道，FOXD3在多种肿瘤中扮演着抑癌基因的角色，包括慢性淋巴细胞白血病、黑色素瘤、胃癌、神经母细胞瘤、乳腺癌、肝癌和肺癌等 [16-18]。以上研究最终表明了FOXD3甲基化在结直肠肿瘤中是一个经常发生的、肿瘤特异的分子事件，FOXD3可以通过促进细胞凋亡从而发挥抗癌作用[19]。蛋白质组学分析发现FOXD3与DRAP1存在着相互作用，而通过实验发现FOXD3与DRAP1呈正相关，因此，我们认为FOXD3可能是通过DRAP1发挥促凋亡作用。在5-FU作用下，DRAP1可能通过调控p53增加凋亡作用。关于DRAP1的报道目前少见，尤其在结直肠癌中的报道鲜见，DRAP是从酵母到人类都普遍存在的转录阻遏物，位于染色体11q13.1，有研究通过全基因组关联研究和META分析，发现11q13位点的突变与结直肠的发生和发展有关，单核苷酸多态性阵列分析表明11q与腺瘤和结直肠癌的发生相关，因此，位于染色体11q13.1的DRAP1 可能与结直肠癌密切相关[20,21]。有研究表明DRAP1与缺氧的关系密切，诱导DRAP1的表达可以引起细胞缺氧从而抑制转录[22]，而缺氧微环境与结直肠癌的发生及发展密切相关，慢性缺氧能够影响结直肠癌对5-FU的化疗敏感性[23-25]。
通过上述研究，我们将明确 DRAP1 是 FOXD3 直接转录激活靶点；阐明 FOXD3 对 DRAP1 的直接转录调控作用增强了结直肠细胞对 5-FU 的敏感 性，并揭示该过程的关键分子机制。最终为结直肠癌患者提供一种甲基化肿瘤标志物以预测化疗敏感性和评估预后。
[1] Chen W, Zheng R, Baade PD, Zhang S, Zeng H, Bray F, Jemal A, Yu XQ, He J. Cancer statistics in China,2015.CA Cancer J Clin. 2016;66(2):115-132.
