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编号:10216521
p16基因在肿瘤中的研究进展
http://www.100md.com 《医学文选》 1999年第4期
     作者:任占平

    单位:广西柳州市人民医院(545001)

    关键词:

    医学文选9904109

    近年来,细胞周期调控最具突破性的进展是调控细胞周期分子机制的确立,其涉及细胞周期蛋白(cyclin)、细胞周期蛋白依赖性激酶(cyclin dependent kinases,CDKs),核心机制是CDK表达及活性 的调控,CDK由细胞周期蛋白激活,而被一组称为CDK抑制蛋白即CKIs所抑制,p16作为CKIs中的一个关键因子,其抑癌作用和频繁的变异已在多种肿瘤中得到了证实并显示出其在细胞周期调控和肿瘤发生中引人注目的作用。

    1 p16基因的发现及结构

    1992年,Beach等[1]已注意到在黑色素瘤中有CDKs和相应周期蛋白相结合的蛋白,经分析了100个黑色素瘤细胞系,发现1/2的肿瘤在第9号染色体短臂的21区域有一个等位基因丢失(allelicloss)和另一个存留等位基因(retained allele)突变,常伴有相邻区域的杂合性丢失(LOH),其推测在该区域内含黑色素瘤易感基因。1993年,Serrano等[2]在对CDK相结合蛋白质的研究中,用酵母双杂交蛋白相关性筛选法研究与CDK4作用的蛋白,在SV40T抗原转化细胞中发现并分离了特异性的CDK4的抑制蛋白(CDK4I)-p16蛋白并克隆了p16的cDNA。1994年,美国学者Kamb等[3]在染色体9p21鉴定、克隆出该区第一个重要抑癌基因,其cDNA序列与Serrano分离出p16蛋白的cDNA完全一致,故命名为p16基因。p16基因定位于9p21,全长8.5kb,由2个内含子和3个外显子组成,其中由307bp组成的外显子2编码一个由16KD的蛋白即p16蛋白为一个含有148个氨基酸开放阅读框架的单链多肽,p16蛋白具有4个钩回状重叠结构的空间构型,该结构为p16蛋白的活性所必需。Serrano等利用分子比较法筛选,发现在p16蛋白的氨基末端有一个(MX3ADWLATAX4RVEEVX2LL)序列与cyclin box具同源性,p16蛋白除与CDK4有高度亲合性外,还能抑制与CDK4结构相似的另一个激酶-CDK6,在细胞周期调控中发挥着重要的作用。
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    2 p16基因的作用、功能

    研究表明,肿瘤抑制基因的主要功能是在细胞增殖周期的某个环节上对细胞分裂和生长进行适当控制,使细胞按正常程序性周期分裂、生长、死亡,以防止调控失调而致细胞异常增殖。已知真核细胞的分裂必须通过G1/S转换开始DNA合成,通过G2/M转换开始有丝分裂,在这二个转换节点上,CDK起重要的作用,而p16作为一种CDK抑制因子并与Rb之间的相互调节作用,在G1/S期调控中起关键作用。

    在正常细胞周期中,CDK4与cyclinD1形成复合物,此复合物中的cyclinD1又可与Rb结合。已知未磷酸化的Rb蛋白可结合到转录因子E2F-DNA复合物上,在启动子上阻断mRNA的转录,同时又可活化转录因子ATF2,促进细胞分裂抑制因子的转录。磷酸化的Rb蛋白无此活性。CDK4则催化Rb磷酸化失活,使得Rp/E2F复合体中的转录因子E2F释放出来,从而启动细胞进入S期的基因转录,细胞从G1期进入S期,这种CDK4/cyclind复合物介导的Rb的细胞周期依赖性磷酸化作用受到CDK4抑制因子p16的负性调节,p16与cyclinD竞争与CDK4结合,从而特异性抑制CDK4的活性,使之不能解除Rb基因对转录因子E2F的抑制,阻止细胞从G1期进入S期,达到抑制细胞增殖,阻止细胞生长的作用。值得提出的是,p16本身的转录水平又受到Rb转录因子复合体活性的调节,当Rb失活时,其复合体释放的E2F除本身可抑制CDK4的活性外,还可促进p16基因转录水平的提高,增加的p16蛋白又能与CDK4结合,导致CDK4/cyclinD复合物的失活,从而减少Rb磷酸化灭活作用,这一机制提示p16与Rb之间有一个CDKs、cyclinD及转录因子等介导的细胞周期负反馈调节环路。Rb与p16之间的关系呈明显的负相关性,p16基因如果发生突变、缺失,势必产生无活性的p16蛋白或p16蛋白产物缺乏,解除对CDK4、cyclinD复合物的抑制,从而抑制Rb蛋白的功能,G1关卡出现异常,细胞获得无限增殖的能力[4,5]
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    3 p16基因与肿瘤的关系

    p16基因在人类多种原发性肿瘤和细胞系中发生变异,主要的形式有纯合性缺失、杂合性缺失、点突变、插入、甲基化等[6]。p16基因纯合性缺失见于多种肿瘤,不同类型的肿瘤其纯合缺失百分率各有不同,其中以食管癌最高,Igaki等证实92.3%(12/13)食管癌细胞系中有p16基因纯合缺失;其次为间皮瘤61.9%(39/63)、胶质瘤40.9%(102/249)、胰腺癌40.5%(15/37),最低为头颈部肿瘤3.8%(3/77)。Shapiro等[7]在27例非小细胞肺癌中18例未检测到p16基因,而5例小细胞肺癌中4例有丰富的p16蛋白,提示p16基因缺失有显著的组织学类型特异性。肺癌中,p16基因及其产物的改变主要与非小细胞癌的形成、发展有关。

    在基因突变分析方面,Mori等[8]证实27例食道癌中14例有p16基因突变且均导致编码的氨基酸序列的改变。Hayashi等在64例非小细胞肺癌中除检出5例有p16基因纯合缺失外,29.6%(16/64)存在p16基因突变。有关突变的热点分析:40例非小细胞肺癌中,p16基因纯合缺失2例,14例材料中的19个点突变(包括13个错义突变和6个同义突变)和一个移码突变,突变的热点为121位密码子中380位碱基的转换与颠倒。一些研究发现,在肿瘤细胞系中p16基因的突变、缺失高于原发性肿瘤,认为肿瘤细胞中p16在体外细胞中的高频率突变或缺失可能是人为因素引起的继发性改变。Kamb等则解释为原发性肿瘤组织中多少不等的正常间质干扰了p16缺失的检测。但Scoot E等[9]在27个胰腺肿瘤细胞研究对比中经细胞系培养的肿瘤与原肿瘤的DNA遗传学序列基本相同,认为肿瘤细胞中p16改变并非为人为因素所致。
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    一些研究中发现,在DNA测序证明是野生型p16基因的材料中,50%未能检测到p16蛋白,认为虽然不能排除突变发生在p16基因的启动子区域导致p16基因灭活的可能,但肯定还有p16基因突变以外的失活机制使其功能产物丧失。在对肺肿瘤细胞系研究中发现,含有野生型Rb基因表达及无p16基因突变但p16基因功能产物丧失,进一步观察到这些病例p16基因外显子1中,GC富含区域100%存在DNA过甲基化,采用去甲基化因子5-氮脱氧胞嘧啶核苷处理后,可介导p16蛋白表达增强[6,8]。Merlo等对此观察研究后认为,这种p16蛋白失活机制与p16基因5’端粒CpG岛的甲基化作用有关。这种基因组中某些与p16基因相关的特殊DNA序列发生甲基化或过甲基化可导致p16基因转录静止。武玉东等[10]对52例膀胱移行细胞癌p16基因的研究中发现,11例(21.2%)为p16基因5’CpG岛的甲基化,且p16基因缺失多见于早期、高分化的肿瘤,而5’CpG岛的甲基化多见于晚期、低分化的肿瘤。提示p16基因的缺失和甲基化可能分别是膀胱肿瘤发展过程中的早、晚期事件。因而,p16基因的缺失、突变、甲基化等均可导致p16蛋白的失活,从而涉及了肿瘤的发生、发展过程。
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    大量资料表明,p16基因与肿瘤临床病理学特征存在密切的关系。吕有勇等[11]用Southern、Northern杂交和PCR技术分析了85例胃癌标本,p16基因的缺失率为23.1%,且都高于低分化、有淋巴结转移的进展期胃癌,提示p16基因异常是胃癌发生的晚期事件,可能与胃癌细胞的分化、转移有关。石永玉等[12]分析48例非小细胞性肺癌中发现p16蛋白表达缺失率为52.1%(25/48),其中2例有基因突变,p16蛋白表达缺失与癌分化程度及淋巴结转移有关。此外,p16基因的异常与其它基因异常有着互补或相辅相成的关系。孟昭刚等[13]研究66例乳腺癌,证实p16与Rb表达之间存在显著的负相关,即表达正常野生型Rb蛋白的细胞常有p16表达的缺失,而p16表达水平正常的细胞又常有Rb基因表达水平的下降。说明CDK4I-Rb通路的高频失活可能是肿瘤形成的重要事件。Igaki检测13株食管鳞癌细胞系,发现5株出现cyclinD1基因扩增合并p16基因缺失,7株有p16基因缺失而无cyclinD1基因扩增。表明cyclinD1基因扩增过表达或p16基因缺失均可使细胞异常生长,导致癌变。Wang等[14]检测19例黑色素瘤,CDK4蛋白阳性率为58%,p16阳性率为16%。而良性皮肤痣中,CDK4均为阴性,p16阳性达61%。在部分黑色素瘤细胞中发现CDK4与p16蛋白表达之间存在相反关系。Shinozawa等[15]在20例正常子宫内膜和41例子宫内膜癌中检测到CDK4核阳性的肿瘤细胞p16阴性,反之亦然。提示这两种蛋白阳性表达之间存在相反关系。目前,有关肿瘤中p16与cyclinD、CDK4及临床病理特征的相关关系的研究仍在进一步探索中。
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    4 p16基因的应用前景

    随着人们对细胞周期调控机制研究的不断深入,p16基因在肿瘤发生、发展过程中的作用已逐渐被阐明。鉴于p16基因本身的一些特点,其有着广阔的临床应用前景。首先,p16基因长度仅为p53基因的四分之一,便于重组和导入,作为基因诊断治疗较易操作;其次,p16直接抑制CDK4的活性,是目前为止发现的唯一一个直接作用于细胞周期的抑癌基因,具有专一性、直接性。根据p16基因作用机理,应用人工合成野生型p16基因替代患者体内变异的p16基因或通过增加患者体内p16蛋白,加强对CDK4的竞争结合,达到阻止癌细胞增殖的目的,甚至可用其表达蛋白制作抗肿瘤疫苗,从基因、免疫等方面用于肿瘤治疗。在实验室中导入外源性p16基因可抑制肿瘤细胞的恶性增殖和促进细胞分化已有成功的报道[16],而将p16基因改变与肿瘤临床病理学特征结合,可广泛检测p16用于判断病人预后。

    综上所述,p16基因的研究为人们了解肿瘤的发生、发展机制,有效地指导恶性肿瘤的预防、诊治和预测预后提供新的思路。但在p16基因与肿瘤的关系研究中仍有许多问题需要解决,p16基因是否是染色体9p21区域唯一的肿瘤抑制基因?p16基因高表达水平的改变对肿瘤的临床分期、预后估计及指导治疗等方面的意义以及其与cyclinD1、CDK4之间的关系等方面仍值得人们进一步去探索。
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    参考文献

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    3 Kamb A,Gruis NA,Weaver-Feldhaus,et al.A cell cycle regulator potentially involved in genesis of many tumor types.Science,1994,264:436~440

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    10 武玉东,吴 海,马腾骧,等.膀胱移行细胞癌中p16基因的改变.中华病理学杂志,1999,28(1):39~41

    11 吕有勇,高崇峰,崔建涛,等.胃癌中的MTS1/p16基因缺失及表达异常的研究.中华肿瘤杂志,1996,18(3):189~191

    12 石永玉,魏海明,孟 江,等.非小细胞肺癌中抑癌基因p16/MTS1的基因突变和表达缺失.肿瘤,1999,19(1):27~29

    13 孟昭刚,赵 彤,陈艺华.人乳腺癌p16、Rb基因表达及相关性的研究.中华肿瘤杂志,1999,21(1):75

    14 Wang YL,Uhara H,Yamazaki Y,et al.Immunohistochemical detection of CDK4 and p16Ink4 proteins in cutaneous malignant melanoma.British Journal of Dermatology,1996,134:269~275

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    16 孙 梅,吕有勇.外源性p16基因表达可抑制人胃癌细胞的恶性增殖.中华肿瘤杂志,1997,19(6):410~413, 百拇医药