DPC4/smad4基因和癌症关系的研究进展

DPC4/smad4基因和癌症关系的研究进展

李颖1汪步海2刘丽琴2

李颖1汪步海2刘丽琴2

（1扬州大学医学院研究生江苏扬州225001）

（2扬州苏北人民医院江苏扬州225001）

【摘要】DPC4/smad4基因在过去的几年里关于其结构功能已有了许多的研究。而对于其与肿瘤的关系也值得进一步探讨，目前多数研究认为，DPC4在癌症的发生发展和转移扩散中起到了重要的作用，主要有DPC4与其他致癌因子、抑癌因子的协同作用导致癌症的发生，DPC4失活及表达异常引起某些信号传导通路异常导致肿瘤细胞失去抑制和导致肿瘤侵袭转移能力增强等。

【关键词】Smad4protein/Smad4蛋白/DPC4基因；pancreaticcancer/胰腺癌；gastriccancer/胃癌；colorectalcancer/结直肠癌

【中图分类号】R73-3【文献标识码】A【文章编号】2095-1752（2015）08-0030-03

DPC4/smad4geneandtheresearchprogressofcancerLiying.YangzhouUniversitySchoolofMedicine,JiangsuProvince,Yangzhou,225001,China;WangBuhai,LiuLiqin.SubeiPeople'sHospitalofYangzhou,JiangsuProvince,Yangzhou,225001,China

【Abstract】DPC4/smad4geneinthepastfewyearshasalotofresearchaboutitsstructure.Andforitsrelationshipwithtumoralsoworthyoffurtherdiscussion,atpresentmostresearchthinks,DPC4incancerdevelopmentandmetastasisofdiffusionplayedanimportantrole,mainlyDPC4andothercarcinogenicfactor,thesynergyofsuppressorfactorsleadtotheoccurrenceofcancer,thedeactivationandabnormalexpressionofDPC4causedcertainsignalingpathways,asaresultoftumorcelllossofinhibitionandabnormaltumorinvasionandmetastasisabilityenhancement,etc.

【Keywords】Smad4protein/Smad4protein/DPC4gene;Pancreaticcancerandpancreaticcancer;Gastriccancer/gastriccancer

1.DPC4/smad4基因

DPC4是一种肿瘤抑制基因，HahnSA等[1]于1996年研究发现91%的胰腺癌第18条染色体长臂有杂合性缺失,其中有30%的胰腺癌在18q21.1上有纯合性缺失，这一纯合性缺失的基因即被称为DPC4基因。其定位于18号染色体长臂的18q21.1位置，DPC4基因序列包含11个外显子和10个内含子，由2680个碱基组成,编码552个氨基酸组成的蛋白质，即为Smad4蛋白[2]。

Smad4蛋白是Smads蛋白家族成员之一，其三级结构为一个β夹心,一端是三个大环和一个β螺旋,另一端是三个α螺旋[3]。Smads蛋白家族共有8个成员，分成三类：受体调节类Smad1～3、Smad5和Smad8;协同类Smad4;拮抗类Smad6和Smad7。其中Smad2～7这六种Smads蛋白参与了转化生长因子β(TGF-β)的信号传导过程[3～5]。Smad4由N末端MH1、C末端MH2结构域及中间富含脯氨酸的高变连接区组成，而Smad4区别于其余Smads的特征是MH2结构域缺乏SSXS片段,此片段能被同源的受体激酶磷酸化[6]。

目前大多数研究认为,Smad4蛋白是TGF-β信号传导通路的中心分子。TGF-β信号传导首先是靶细胞膜上形成丝/苏氨酸蛋白激酶受体I和II,TGF-β使II型受体激活磷酸化后结合I型受体，使I型受体的激酶活化，活化后的I型受体磷酸化激活细胞内信号传导Smads蛋白,其中受体调节类能被I型受体磷酸化而激活,是受体的直接底物,拮抗类能竞争性与受体结合,但无磷酸化位点,进而抑制TGF-β信号通路。Smad4不能与受体结合也无磷酸化位点,但Smad4能与磷酸化后的受体调节类Smads蛋白形成活性二聚体异源复合物进入细胞核内聚集,在核内Smad4与DNA上特异的短序列SBE结合并充当转录激活子,将TGF-β的信号传递到细胞内[4，6]。此外TGF-β受体能激活SAPK/JNK信号传导通路的活性,被DPC4和SAPK/JNK连锁反应介导的TGF-β信号在细胞核内整合,共同激活基因表达和抑制细胞周期，起到抑制肿瘤发生发展的作用[7]。

2.DPC4/smad4基因与癌症

2.1基因变异

由于DPC4基因的产物Smad4在信号传导通路中的中心作用，DPC4基因的突变、丢失和表达下调均会导致信号传导通路的中断。DPC4的变异主要有：1、染色体片段的丢失,杂合性缺失或纯合性丢失;②基因突变,如无义突变、错义突变、移码突变等;DPC4基因其外显子1、2、3、4、8、11易发生缺失和突变,最常出现的突变位点是外显子8和11[10]。③基因表达水平异常,即表达水平下降或缺乏,一旦基因丢失或异常，信号传导通路就不能正常进行。

2.2基因与癌症

2.2.1胰腺癌胰腺癌的发病率及死亡率逐年升高且发现迟进展快,目前尚无有效的诊治手段,DPC4是一种与胰腺癌密切相关的肿瘤抑制基因,虽然其在其他癌症中也多有发现突变，但研究表明在胰腺癌中DPC4基因的突变率明显高于其他癌症，有DPC4表达者预后好生存期延长,DPC4突变缺失者预后差生存期缩短[10]。在接受了根治性手术的胰腺癌患者中，最新的DPC4基因突变率数据在韩国为81.6%[28]，在日本为60.4%[29]，OshimaM等[29]通过对106例接受根治性手术的可切除胰腺癌患者进行免疫组化和临床表现（主要为存活率和疾病进展类型）分析得出结论：DPC4基因的表达与肿瘤的大小、淋巴管侵犯和淋巴结转移密切相关。大多数SMAD4突变位于突变热点区域即外显子8和11,突变集群在MH2域的SMAD4基因变化胰腺癌患者的预后评估较差[11]。

近年来的研究表明，DPC4基因的表达与否与局部晚期胰腺癌进展的类型有关[25-27]。CHCrane等检测了41例局部晚期胰腺癌患者的基因，随访结果15例局部进展，14例远处转移，8例类型不确定，4例无转移。在至随访结束前类型未确定者被定为无转移。15例局部进展中有7例（73.3%）DPC4基因检测阳性，14例远处转移中有10例（71.4%）DPC4基因检测阴性（p=0.016，具有统计学意义）,据此得出结论：DPC4基因的表达与胰腺癌疾病进展的模式有关。DPC4基因完整者通常为局部进展，DPC4基因缺失者常表现为远处转移[27]。而局部孤立进展导致的死亡是常见的，美国JohnHopkins大学的一组快速尸检数据证实了这一结论，即30%的病人死于无转移的局部肿瘤的并发症，同时疾病转移的范围和DPC4基因缺失相关，只有22%的局部肿瘤患者存在DPC4基因缺失，而在有大于100个转移灶的患者中这一数据为78%[26]。这些研究证实了DPC4基因与转移类型的相关性，对于其在胰腺癌的转移过程中所起的作用还待进一步研究探讨。

此外，DPC4基因可以协同另外一些抑癌基因或是与癌基因相互拮抗，通过不同的信号传导通路，在肿瘤的发生发展中起作用。例如抑癌基因Pten与smad4基因共同缺陷在体外培养情况下，原本较低的胰腺肿瘤发生率会出现明显的上升，主要是因为基因突变和缺失引起腺细胞、胰岛细胞的增殖和分化转移，同时激活了Notch1信号系统，促进了肿瘤的发生。Smad4/Pten突变的胰腺肿瘤还表现出了高水平的磷酸化蛋白激酶B（pAKT）和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR），大约50%和85%的胰腺癌样本检查显示pAKT增加和mTOR增加[12]，而mTOR相关的信号通路调控异常与多种肿瘤的发生密切相关。

DPC4的下游作用靶向基因也在近些年有所研究，DPC4的下游靶位基因可能为p21waf1、组织型纤溶酶原激活物(tPA)、尿激酶型纤溶酶原激活物(uPA)、内源性纤溶酶原激活物抑制剂1型(PAI-1)、血管内皮生长因子(VEGF)、血小板凝集素-1(TSP-1)等[8]，通过不同的信号传导通路影响下游靶基因的表达并产生生物学效应。Smad4的过度表达会抑制启动子的活性、mRNA表达和VEGF的分泌[9]，miRNA被证实在胰腺癌的发展过程中起着调控因子的作用，在人胰腺癌临床样本检测到miR-421[13]和miR-483-3p[14]的异常上调强烈抑制了smad4/DPC4的表达，他们的表达具有负相关性。在体外，miR-421和miR-483-3p的表达显著降低了癌细胞株内smad4蛋白质的水平，且促进了癌细胞增殖和集落形成。

2.2.2大肠癌由于在18号染色体长臂存在多个抑癌基因，结直肠癌的DPC4基因突变率整体来看并不高。但研究显示在体外将突变的DPC4基因导入到动物模型构建了复合杂合子后，细胞出现了异型性且基质细胞广泛增殖，粘膜下浸润和体内转移，发展成为肿瘤的几率大大增加，预示了DPC4的突变在结直肠癌的致癌过程中起着重要作用[15]。

除了继续对DPC4如何影响肿瘤的发生发展进行探讨，近几年DPC4在大肠癌中的研究主要着重于大肠癌转移和预后的评估和预测。在体外，Smad4水平增加的sw480癌细胞株在培养时细胞迁移明显减少[16]，Smad4基因是通过下调β连环蛋白（β-catenin）的表达和改变其细胞核与细胞质之间等离子膜的位置来直接抑制大肠癌细胞的Wnt/β-catenin信号传导通路活动，从而达到抑制癌细胞株增殖的效果，FreemanTJ等[17]通过研究发现，smad4水平与β-cateninmRNA水平存在负相关：在体外Smad4缺失细胞株中β-cateninmRNA水平和Wnt信号增加，反之，Smad4在细胞株中的表达减少了Wnt信号表达和降低了β-cateninmRNA水平。同时，Smad4水平上调增加了E钙粘素相关蛋白表达，减少了β-catenin/Tcf信号传导通路的一些靶基因例如claudin-1和mmp7等的转录活性。在体外培养的smad4缺失和smad4转基因的结肠癌细胞株(MC38和SW620)中，评估TGF-β/smad4信号转导通路在肿瘤细胞的迁移，入侵，增殖，致瘤性和转移中的作用，结果显示了TGF-β/smad4信号转导抑制了小鼠结肠癌的转移和发展，smad4的缺失可能导致了TGF-β从肿瘤抑制到肿瘤促进的功能性转变[18]，表明dpc4基因在大肠癌癌细胞的迁移入侵增殖中起到了一定的作用。

包括DPC4在内的分子独立预后预测因素能帮助更精确的预测患者的预后或转移情况，RothAD等在大肠癌II/III期PETACC3辅助化疗研究临床试验中选取了1404名患者的肿瘤组织，对这些样本进行了BRAF和KRAS突变的检测，同时也针对微卫星不稳定性(MSI)、染色体18q杂合子缺失和SMAD4表达情况进行了分析。结果表明MSI增高和SMAD4局部表达缺失是无复发生存期和总体生存期改善的独立预测因素，虽然未对他们之间是否具有协同作用进行分析，但MSI增高和SMAD4缺失标志着无复发生存期和总体生存期的恶化是得到证实的，危险比分别为1.47和1.58，具有统计学显著意义[19]。肝脏是最常见的大肠癌的转移部位之一，且在预后中起到决定性的作用。已有证据表明smad4基因的丢失与大肠癌的肝转移之间存在着明显的关系而不论其转移发生时间，从而使之可以成为肝转移的预测标记[20]。

2.2.3胃癌在胃癌中，smad4水平在胃癌组织中显著低于癌旁正常组织，且在低分化组织中更加明显，同时，smad4水平与胃癌的淋巴结转移存在着显著的关联，KunduJ等[23]分析了78名患者，其中有45例存在淋巴结转移，其中smad4水平在淋巴结转移者中低于未有淋巴结转移者。smad4和P-15是两个密切相关的蛋白质，他们在胃癌的致癌过程中起到了一个重要的作用。在研究中[21]，18例胃癌中的15例（83%）在表现p-15阳性时也表现了smad4阳性且smad4是通过影响p-15的转录发挥作用的。Tob1是一种肿瘤抑制蛋白，在包括胃癌以内的一系列癌症中存在广泛的灭活，Tob1的过度表达可以通过激活smad4而抑制胃癌的进程[22]，在体外培养时，Tob1在mnk28细胞和ags细胞的过度表达可以诱导smad4的表达，并导致了p15的表达增强和启动子活性，与此相反，tob1沉默将减弱smad4的表达。

2.2.4其他癌症虽然DPC4基因在胰腺癌中的突变率远高于其他癌症具有其特殊性，目前认为,DPC4的变异主要局限在胰腺、胆道、结肠等胃肠道肿瘤,而在其它部位的肿瘤中,DPC4的突变频率很低,包括发生在肺、子宫、乳腺、脑、肾、膀胱等部位的肿瘤，但在也起着一定的作用。比如DPC4基因就也参与了小细胞肺癌的发生,并通过调节凋亡基因Bcl/Bax之间的平衡诱导细胞凋亡，同时，DPC4的低表达可能是肺癌发生过程的早期事件,并可通过直接或间接的作用促进肺癌血管生成,从而促进肺癌的淋巴结转移[24]。在前列腺肿瘤中，Smad4基因依旧是通过TGF-β对肿瘤的发生发展起影响作用，PTEN缺失所引起的TGF-β/Smad4信号传导通路的上游调节将会形成生长障碍，来作为一种约束前列腺肿瘤进展的防御机制，而TGF-β/Smad4信号传导通路作为一个检查点，可以起到预防PTEN介导的前列腺肿瘤发生及入侵的作用[30]。Smad4在其他癌症中的作用也值得进一步探讨。

3.展望

目前DPC4在肿瘤的分子生物学方面的研究尚在不断深入的阶段，主要集中在DPC4在肿瘤的预后评估和转移评估方面，在肿瘤治疗中，DPC4基因的增强或者恢复对于其参与的信号传导通路如TGF-β/smad4等起到的调节作用可能为结肠癌等癌症的转移和迁移方面提供新的治疗策略。在抑癌基因方面，不同的肿瘤有不同的其他抑癌基因协同DPC4对肿瘤的发生发展，浸润转移起到抑制作用，在单独DPC4基因缺失时并不能独立引发肿瘤，可以针对此现象再结合DPC4下游目的基因如VEGF等的表达，具体剖析研究DPC4在肿瘤浸润转移中的特殊作用。具体到胰腺癌方面，其早期转移和浸润一直是胰腺癌治疗成功的一大障碍，DPC4是否在其肿瘤细胞的粘附和细胞外基膜蛋白的水解中起作用或是影响作为下游靶基因的某些肿瘤运动因子也需进一步研究。

【参考文献】

[1]HahnSA,SchutteM,HoqueAT,etal.DPC4,acandidatetumorsuppressorgeneathumanchromosome18q21.1[J].Science,1996;271(5247)∶350.

[2]MoskalukCA,HrubanRH,SchutteM,etal.GenomicsequencingofDPC4intheanalysisoffamilialpancreaticcarcinoma[J].DiagnMolPathol,1997;6(2)∶85.

[3]deCaesteckerMP,HemmatiP,Larisch2BlochS,etal.CharacterizationoffunctionaldomainswithinSmad4/DPC4[J].JBiolChem,1997;272(21)∶13690.

[4]PadgettRW,ChoSH,EvangelistaC.Smadsarethecentralcomponentintransforminggrowthfactor2betasignaling[J].PharmacolTher,1998;78(1)∶47.

[5]FengXH,ZhangY,WuRY,etal.ThetumorsuppressorSmad4/DPC4andtranscriptionaladaptorCBP/p300areco-activatorsforsmad3inTGF2beta2inducedtranscriptionalactivation[J].GenesDev,1998;12(14)∶2153.

[6]deWinterJP,RoelenBA,tenBijkeP,etal.DPC4(SMAD4)mediatestransforminggrowthfactor-beta1(TGF-β1)inducedgrowthinhibitionandtranscriptionalresponseinbreasttumorcells[J].Oncogene,1997,14(16):1891-1899.

[7]AtfiA,BuisineM,MazarsA,etal.InductionofApoptosisbyDPC4,atranscriptionalFactorRegulatedbyTransformingGrowthFactorβ-throughStress2activatedProteinKinase/c2JunN2terminalKinase(SAPK/JNK)SignalingPathway.JBiolChem,1997,272:24731-24734.

[8]SchwarteWaldhoffI,VolpertOV,BouckNP,etal.Smad4/DPC4mediatedtumorsuppressionthroughsuppressionofangiogenesis[J].ProcNatlAcadSciUSA,2000,97(17):9624-9629.

[9]ZhouZ,LuJ,DouJ,etal.FHL1andSmad4synergisticallyinhibitvascularendothelialgrowthfactorexpression.MolMedReport.2013Feb;7(2):649-53.

[10]SchutteM,HrubanRH,HedrickL,etal.DPC4GeneinVariousTumortypes,CancerRes,1996,56:2527–2530.

[11]SinghP，SrinivasanR，WigJD，etal.SMAD4geneticalterationspredictaworseprognosisinpatientswithpancreaticductaladenocarcinoma.Pancreas.2012May;41(4):541-6.

[12]XuX，EhdaieB，OharaN，etal.SynergisticactionofSmad4andPteninsuppressingpancreaticductaladenocarcinomaformationinmice.Oncogene.2010Feb4;29(5):674-86

[13]HaoJ，ZhangS，ZhouY，etal.MicroRNA421suppressesDPC4/Smad4inpancreaticcancer.Biochemicalandbiophysicalresearchcommunications.2011Mar25;406(4):552-7.

[14]HaoJ,ZhangS,ZhouY,etal.MicroRNA483-3psuppressestheexpressionofDPC4/Smad4inpancreaticcancer.FEBSletters.2011Jan3;585(1):207-13

[15]KimIJ,KuJL,YooNKA,etal.Germlinemutationsofthedpc4geneinKoreanjuvenilepolyposispatients[J].IntJCancer,2000,86(4):529.

[16]TianX，DuH，FuX，etal.Smad4restorationleadstoasuppressionofWnt/beta-cateninsignalingactivityandmigrationcapacityinhumancoloncarcinomacells.Biochemicalandbiophysicalresearchcommunications.2009Mar13;380(3):478-83.

[17]FreemanTJ，SmithJJ,ChenX，etal.Smad4-mediatedsignalinginhibitsintestinalneoplasiabyinhibitingexpressionofβ-catenin.Gastroenterology.2012Mar;142(3):562-571.e2.

[18]ZhangB，HalderSK，KashikarND，etal.AntimetastaticroleofSmad4signalingincolorectalcancer.Gastroenterology.2010Mar;138(3):969-80.e1-3.

[19]RothAD，DelorenziM，TejparS，etal.IntegratedanalysisofmolecularandclinicalprognosticfactorsinstageII/IIIcoloncancer.JournaloftheNationalCancerInstitute,2012Nov7;104(21):1635-46.

[20]KawakamiM，YamaguchiT，TakahashiK，etal.AssessmentofSMAD4,p53,andKi-67alterationsasapredictoroflivermetastasisinhumancolorectalcancer.Surgerytoday2010Mar;40(3):245-50.

[21]SakellariouS，LiakakosT，GhicontiI；ImmunohistochemicalexpressionofP15(INK4B)andSMAD4inadvancedgastriccancer.Anticancerresearch，2008Mar-Apr;28(2A):1079-83.

[22]KunduJ，WahabSM，KunduJK，etal.Tob1inducesapoptosisandinhibitsproliferation,migrationandinvasionofgastriccancercellsbyactivatingSmad4andinhibitingβcateninsignaling.Internationaljournalofoncology2012Sep;41(3):839-48.

[23]LengA，LiuT，HeY，etal.Smad4/Smad7balance:aroleoftumorigenesisingastriccancer.Experimentalandmolecularpathology.2009Aug;87(1):48-53.

[24]KeZ,ZhangX,MaL,etal.Deletedinpancreaticcarcino-malocus4/Smad4participatesintheregulationofapoptosisbyaffectingtheBcl-2/Baxbanlanceinnon-smallcelllungcancer.HumanPathology.2008Oct；39（10）：1438-45.

[25]BardeesyN,ChengKH,BergerJH,etal.Smad4isdispensablefornormalpancreasdevelopmentyetcriticalinprogressionandtumorbiologyofpancreascancer.?GenesDev.?2006;20:3130–3146.?

[26]Iacobuzio-DonahueCA,FuB,YachidaS,etal.DPC4genestatusoftheprimarycarcinomacorrelateswithpatternsoffailureinpatientswithpancreaticcancer.?JClinOncol.?2009;27:1806–1813.

[27]ChristopherH.Crane,GauriR.Varadhachary,JohnS.Yordy,etal.PhaseIITrialofCetuximab,Gemcitabine,andOxaliplatinFollowedbyChemoradiationWithCetuximabforLocallyAdvanced(T4)PancreaticAdenocarcinoma:CorrelationofSmad4(Dpc4)ImmunostainingWithPatternofDiseaseProgression.JClinOncol.?2011August1;?29(22):3037–3043.

[28]ShinSH,KimSC,HongSM,etal.GeneticalterationsofK-ras,p53,c-erbB-2,andDPC4inpancreaticductaladenocarcinomaandtheircorrelationwithpatientsurvival.Pancreas.2013Mar;42(2):216-22.

[29]OshimaM,OkanoK,MurakiS,etal.ImmunohistochemicallyDetectedExpressionof3MajorGenes(CDKN2A/p16,TP53,andSMAD4/DPC4)StronglyPredictsSurvivalinPatientsWithResectablePancreaticCancer.AnnSurg.2013Mar6.

[30]QinJ,WuSP,CreightonCJ,etal.COUP-TFIIinhibitsTGF-β-inducedgrowthbarriertopromoteprostatetumorigenesis.Nature.2013Jan10;493(7431):236-40.