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编号:10220875
抑癌基因P16的研究进展
http://www.100md.com 《河北医科大学学报》 2000年第3期
     作者:翟瑜 苏力

    单位:(河北省人民医院临床医学研究中心 石家庄 050051)

    关键词:癌基因蛋白质类;代谢;细胞周期蛋白类;分析;癌;代谢

    河北医科大学学报000340

    中图号 R730.23▲

    目前对人类肿瘤的研究已进入分子生物学领域,癌基因、抑癌基因是其中的研究热点。由于抑癌基因的作用一般是在等位基因同时丢失或失活后方能显示,故其发现和克隆都很困难。至今所发现的12种抑癌基因中,P16基因以其独特的结构和抑癌功能为人们所重视。

    1 P16基因的发现和命名

    早在1992年,美国学者Beach等注意到在黑色素瘤患者体内有与细胞周期蛋白依赖性激酶(cyclin dependent kinase, CDK)和相应周期蛋白结合的蛋白,同时在第9号染色体存在1个黑色素瘤的易感基因,后又发现在其它一些人类恶性肿瘤(如淋巴细胞白血病[1]、神经胶质瘤[2]、间皮瘤[3]等)都有第9号染色体短臂(9P)等位基因的缺失。1993年,Serrano等首先克隆出了此基因的cDNA,编码相对分子质量为16 ku的蛋白质,故被命名为P16基因。1994年,美国学者Kamb[4]和圣地亚哥学者Noborl[5]通过对P16基因的深入研究,认为P16是1种多肿瘤抑制基因(multiple tumor suppressor, MTS1),在抑癌方面的重要性甚至超过P53和Rb基因,P16基因的缺失与突变与多种肿瘤的发生有关,故引起了学术界的广泛兴趣。近年的文献对P16基因赋予了不同的名称,如细胞周期蛋白依赖激酶4抑制子(cyclin-dependent kinase 4-inhibitor CDK4I ; inhibitor of cdk4 INK4),MTS1等[6]
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    2 P16蛋白的结构和生物学功能

    P16基因位于人类第9号染色体短臂2区1带区域(9P21),全长8.5 kb,包含2个内含子和3个长度分别为126 bp、307 bp和11 bp的外显子[7]。氨基酸序列分析表明,成熟的P16蛋白为15.84 ku的单链多肽,含有148个氨基酸残基,并具有1个由4个回钩状重叠组成的空间构型[8]。P16蛋白N端与细胞周期蛋白(cyclin)p-box的N端部分同源[7]。实验证明,P16蛋白的回钩状重叠是与目标分子相互作用的物质基础,在回钩状重叠之外的缺失对P16基因突变体蛋白产物的功能无明显影响[8]。同时,回钩状重叠与CDK的相互作用可以抑制Cyclin D的活性。这些都表明回钩状重叠结构对P16的抑癌功能起着举足轻重的作用。

    早期的研究表明,在多种人类肿瘤细胞(约50 %)中可找到P16基因的变异。体外实验亦表明,将含有P16cDNA的载体转染癌细胞,可有效抑制癌细胞克隆的形成,相反,P16的缺乏则使癌细胞无限性生长,提示P16与肿瘤抑制相关。 Nicholas等发现,恶性皮肤黑色素瘤与家族性P16突变或缺失相关,取自18个家族的恶性黑色素瘤细胞中75 %具有P16基因的变形。Scott等将人类胰腺肿瘤细胞植入27只实验小鼠体内,其新生肿瘤的遗传学特性表明,P16基因纯合缺失的有13只,另14只显示P16基因突变,进一步确定了P16基因的肿瘤抑制作用。
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    3 P16蛋白抑癌功能的相关因子及作用机理

    3.1 细胞周期蛋白:目前已发现8个成员,分别命名为Cyclin A、B、C、D、E、F、G和H,它们可与细胞周期蛋白依赖性激酶(cyclin dependent kinase,CDK)形成复合体,在不同的细胞周期中发挥作用。如Cyclin A与CDC2(CDK1)结合后主要作用于S期及G2向M期转换过程中;Cyclin B也与CDC2结合,调节细胞由G2向M期转换;Cyclin D主要作用于G1期。Cyclin A、B、D均可与CDK2、4、5、6形成复合体,调节G1期细胞功能,使细胞由G1期进入S期,启动DNA合成,开始细胞增殖(表1)。Cyclin D的过度表达可造成细胞增殖失控,故可视其为1种癌基因[6]

    表1 细胞周期蛋白与主要相关激酶和作用的细胞周期 细胞周期蛋白
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    主要相关激酶

    作用细胞周期

    A

    CDC2 (CDK1)

    S ,G2-M

    CDK2、4、5、6

    G1-S

    B

    CDC2 (CDK1)

    G2-M

    CDK2、4、5、6

, 百拇医药     G1-S

    D

    CDK2、4、5、6

    G1-S

    E

    CDK2、4、6

    G1-S

    CDC2:酵母细胞中发现的与CDK1构型相同的细胞周期蛋白依赖性激酶3.2 CDK的组成:目前已发现7个成员,分别命名为CDK1、2、3、4、5、6、7,其中以CDK2最为重要。已经知道,Rb基因是1种抑癌基因,它决定视网膜母细胞瘤(retinoblastoma,Rb)的发生与否。CDK可对Rb基因进行磷酸化,解除Rb基因对DNA合成所必需的某些酶的表达抑制作用,促进细胞进入周期循环。CDK同时具有与Cyclin和CDI结合的活性,与前者结合会促进细胞增殖,而与后者结合后抑制细胞周期,阻碍细胞分裂生长。
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    3.3 细胞周期蛋白依赖性抑制因子(cyclin dependent inhibitor,CDI):CDI是1类小分子蛋白质,通过抑制CDK活性对细胞周期起负性调节作用,其成员包括P21、P20、P27、P28、P15、P18和P16[6]。目前认为CDI是1类肿瘤抑制因子,如P15基因亦位于9P21,编码137个氨基酸,在细胞中被转化生长因子β正调节,与CDK4和CDK6特异性结合,阻滞细胞周期;P18位于染色体1P32,与P15和P16有高度的同源序列,和CDK6有密切的相互作用[9]

    3.4 P16的作用机制: P16是CDI的1种,直接作用于CDK/Cyclin D复合体,与其中的CDK4和CDK6竞争性结合,造成CDK4/Cyclin D和CDK6/Cyclin D复合体的解离,导致细胞周期阻滞,从而抑制细胞的生长和分化。当P16因突变或缺失而不能正常表达时,一方面不能竞争结合CDK4、CDK6,难以阻止细胞分裂,另一方面,增加CDK4、CDK6与Cyclin D的结合机会,刺激细胞分裂,造成细胞增殖的失控,向癌变方向发展。所以P16通过控制CDK4、CDK6,发挥对肿瘤的直接控制作用,在细胞周期的许多环节处起到1个“闸”的作用。
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    3.5 P16与Rb的相互关系: 近来的研究表明,P16蛋白在调节Rb蛋白产物(Rb product,PRb)的回环结构中起一定作用。通常情况下,以去磷酸化活性形式存在的PRb可抑制DNA合成,从而负调控细胞生长,防止肿瘤发生。P16通过与CDK4或CDK6结合,阻碍Cyclin D与后者形成复合物,造成CDK4/Cyclin D或CDK6/Cyclin D激酶失活,即可导致PRb不被磷酸化,保持活性状态,使细胞周期停滞于G1/S期,细胞增殖受到抑制。另一方面,失活或磷酸化的Rb基因可释放与PRb结合的转录因子(transcription factor,TF),游离TF可激活P16基因转录,造成P16 mRNA高表达[10,11],从而限制Rb基因的过度失活。故而,P16与Rb的相互调节是保证细胞周期正常由G1期进入S期的关键因素之一,两者之间环节的破坏将直接导致细胞异常增殖。

    4 人类肿瘤中P16基因的变异

    人类肿瘤中P16基因的变异形式多样,包括纯合缺失、杂合缺失、基因内碱基缺失、点突变(表2)和甲基化。Charles等的研究表明,P16的第436和373密码子是最易发生突变的区域,同时亦多见碱基缺失和无义突变。
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    表2 主要恶性肿瘤中P16基因变异[12~15] 肿瘤

    P16 缺失(%)

    点突变(%)

    白血病

    20

    罕见

    膀胱癌

    罕见

    39

    皮肤癌

    79

    3
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    胰腺癌

    40

    40

    早期的研究表明,对体外培养的胸部肿瘤细胞系,P16基因纯合缺失的理论概率为40 %~60 %,但实际上却未观察到纯合缺失或点突变。前列腺癌、结肠癌细胞系中也未发现P16的纯合缺失[16],这说明存在其他阻抑P16基因功能的机制。James等[16]学者报道5'-胞苷磷酸鸟苷(cytidyl phosphate guanosine,CPG)片段的甲基化是P16阻抑的重要方式,这一现象频繁地发生于胸部肿瘤(33 %)、前列腺癌(60 %)、结肠癌(90 %)、肾癌(23 %),以及非小细胞肺癌、神经胶质瘤和头颈部肿瘤中[17]。5'-CPG片段是P16的启动子区域,与基因的转录丢失有关[18],它的甲基化使转录受到抑制,例如人类肾细胞癌中异常的甲基化使P16表达缺失,而经过具有去甲基作用的试剂(5-脱氧-aza-胞嘧啶)处理后,细胞系的有关基因可被再度激活。各种肿瘤中5'-CPG片段甲基化的发生频率并不相同,如鼻咽癌为22 %[19],非何杰金淋巴瘤为15 %~20 %[20],而粘液性淋巴瘤可高达67 %[20]。进一步的研究表明,P16基因纯合缺失的肿瘤细胞系(如胸部肿瘤、肾癌)和P16基因完整的肿瘤(如结肠癌、前列腺癌)均可发生5'-CPG片段的甲基化作用。5 P16基因治疗
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    作为1种新型的抑癌基因,P16同样可应用于恶性肿瘤的基因治疗,并且具有以下优点: 与其它已发现的抑癌基因相比,P16可特异性阻抑CDK4,与恶性肿瘤的联系更加广泛,抑癌机理更明确,对肿瘤的抑制作用更直接;P16基因相对分子质量小,仅为P53的1/4,易于基因治疗的操作;P16可与其他抑癌基因,如Rb、P53协调作用,使抑癌作用更为显著。

    综上所述,P16基因自从其被发现以来,就被学术界所重视。因其独特的抑癌机理,故在肿瘤的研究领域以及基因治疗方面都将发挥其越来越重要的作用,具有广阔的前景。■

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    收稿日期;1998-09-02, 百拇医药