生长分化因子-15与肿瘤关系的研究进展

　　作者：张雷综述,钟来平,张志愿审校　　作者单位：上海交通大学医学院附属第九人民医院口腔颌面外科 上海 200011

　　【摘要】生长分化因子-15(GDF-15)是转化生长因子-β(TGF-β)超家族中的一员，参与组织发育、炎症、肿瘤、外伤等生理和病理过程，并参与多种肿瘤的发生和发展。本文就GDF-15的结构、与肿瘤发生发展的关系及其表达调节等方面的研究进展作一综述。

　　【关键词】 生长分化因子-15; 基因; 肿瘤

　　AThe relationship between growth differentiation factor-15 and neoplasms ZHANG Lei, ZHONG Lai-ping, ZHANG Zhi-yuan. (Dept. of Oral and Maxillofacial Surgery, The Ninth People′s Hospital, School of Medicine, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200011, China)

　　[Abstract] Growth differentiation factor-15(GDF-15) is a member of the transforming growth factor-β(TGF-β)superfamily, involved in the physiological or pathological progression of tissue differentiation, inflammation, trauma and neoplasms. This article reviewed the structure of GDF-15, the relationship between GDF-15 expression and neoplasms development and progression, and the regulation of GDF-15 expression.

　　[Key words] growth differentiation factor-15; gene; neoplasms

　　生长分化因子(growth differentiation factor，GDF)-15是转化生长因子(transforming growthfactor，TGF)-β超家族中的一员，参与组织发育、炎症、肿瘤、外伤等生理、病理过程，其在肿瘤的发生和发展中的作用研究较多。在多种肿瘤中GDF-15的过表达可以对细胞产生生长抑制，促进细胞凋亡;GDF-15转基因鼠可以抵抗肿瘤的发生，表明GDF-15具有抑制肿瘤的作用。但也有大量的研究表明，许多肿瘤组织中GDF-15的表达较正常组织高，表明GDF-15可能具有促进肿瘤发生或发展的作用。GDF-15可能像其他的TGF-β超家族成员一样，在肿瘤发生的早期阶段发挥抑瘤作用，而在晚期阶段发挥促瘤作用。许多药物或化学物质可以诱导GDF-15的表达从而发生抑瘤作用，药物可能是通过p53、早期生长反应因子(early growth response，EGR)-1和蛋白激酶B(protein kinase B，PKB)/糖原合成激酶(glycogen synthase kinase，GSK)-3β等相关途径发挥作用。

　　1 生长分化因子-15的结构

　　GDF-15又叫巨噬细胞抑制因子(macrophage inhibiting cytokine，MIC)-1、胎盘转化生长因子 (placental transformation growth factor，PTGF)-β、前列腺衍生因子(prostate derived factor，PDF)和胎盘骨形态发生蛋白(placental bone morphogeneticprotein，PLAB)，是 TGF-β超家族的成员之一。位于19p12.1～13.1，由2个外显子和1个内含子构成，开放读码框长度为927 bp[1]。GDF-15在人的胎盘中表达丰富，而在结肠、肾、肝和前列腺等组织中表达水平很低[2]。

　　GDF-15蛋白的结构与TGF-β超家族其他成员具有相似性。首先在细胞内合成单体形式的GDF-15前体蛋白，包含167个氨基酸的前结构域，在第70氨基酸处有1个糖基化的位点。2个GDF-15的单体蛋白首先通过二硫键结合形成双体结构，相对分子质量大约为62，双体蛋白在RXXR序列处发生蛋白水解断裂，释放出112个氨基酸的成熟的蛋白并分泌到细胞外，相对分子质量大约为24。该成熟的蛋白中含有1个异源二倍体的切割位点，暴露出含7个保守的半胱氨酸特征性的基序[3]。这种成熟的蛋白和其他TGF-β超家族蛋白具有很少的相似性。GDF-15的这几种形式的蛋白各自具有哪些生物学活性现在还不是很清楚。通常认为，成熟的GDF-15蛋白具有活性。在许多病理和生理情况下，诸如急性损伤、炎症和肿瘤时，血浆中的GDF-15蛋白表达升高，这些多是成熟的分泌性蛋白。但也有研究表明，GDF-15前体结构域能选择性地与细胞外基质结合[4]。因此，无论GDF-15的前体蛋白还是成熟蛋白均有可能发挥重要的生物活性。在不同的肿瘤和肿瘤发展的不同阶段GDF-15蛋白的形式可能是不同的，它们的功能也不尽相同。

　　2 生长分化因子-15在肿瘤中的表达和作用

　　2.1 生长分化因子-15在肿瘤中的表达

　　与相应正常组织相比，GDF-15在各种肿瘤中表达是升高还是降低，意见不一。大多数研究表明GDF-15在多种肿瘤中表达升高。Welsh等[5]研究发现，与相应的正常组织相比，原发性前列腺癌中GDF-15的mRNA表达升高。Lee等[6]发现，低分化胃癌中GDF-15 mRNA较正常组织表达升高。Karan等[7]应用免疫组织化学研究发现GDF-15蛋白在前列腺癌组织中表达升高。Brown等[8]研究发现，消化道肿瘤患者血清中GDF-15蛋白的表达升高。Selander等[9]研究发现，血清中GDF-15的质量浓度与前列腺癌骨转移密切相关。然而，也有不同的研究结果。Thomas等[10]研究发现，GDF-15蛋白在10例前列腺癌中有8例表达降低。另有研究发现在结肠癌中，GDF-15蛋白较相应正常组织表达下调[11]。原本在正常的气管支气管上皮中表达的GDF-15蛋白，在化生的支气管鳞状上皮癌或者肺癌中不表达[12]。

　　GDF-15在肿瘤中表达的不一致现象是客观存在的，至今没有得到很好的解释，这可能缘于GDF-15在肿瘤发展的不同阶段发挥着不同的生物学作用;随着肿瘤的发生发展，GDF-15可能表达不同形式的蛋白，在肿瘤发生的早期阶段可能发挥抑瘤作用，而在肿瘤发展的后期阶段发挥促瘤作用。但是到目前为止还没有足够有效的手段来检测这些蛋白的形式及其作用如何。

　　2.2 生长分化因子-15在肿瘤中的作用

　　尽管GDF-15在各种肿瘤组织中的表达高低不一，但是人GDF-15在裸鼠体内抑制肿瘤生长的作用是肯定的。Baek等[13]建立了人GDF-15过表达的鼠模型，用来确定GDF-15是否能抑制肿瘤的形成。首先用大肠癌致癌剂氧化偶氮甲烷azoxymethane，AOM)处理小鼠，发现GDF-15转基因小鼠的结肠中发生新生肿物的数量较野生型小鼠明显减少，表明GDF-15可能具有抑制化学药物诱发的肿瘤形成的作用。另一方面，把GDF-15转基因鼠与腺瘤性结肠息肉病(adenoma-tous polyposis coli，APC)基因突变鼠杂交后产生GDF-15过表达的APC突变基因携带鼠，其小肠多发息肉发生的数目减少了58%，肿瘤形成率减少了60%。减少的多发息肉主要以小的息肉为主，大的息肉并没有明显减少。这表明GDF-15过表达能减少基因突变诱导的鼠肠内肿瘤的形成。以上实验证实，人GDF-15在化学药物或基因突变诱发的肿瘤发生发展中起抑制作用，提示它很可能是抑癌基因。

　　细胞学水平的研究也发现，GDF-15能抑制肿瘤细胞生长，促进肿瘤细胞凋亡。Tan等[14]研究发现，GDF-15能抑制DU-145前列腺癌细胞株的生长，在DU-145前列腺癌细胞株中GDF-15能诱导半胱天冬酶-3介导的细胞凋亡，但是对细胞增殖没有明显影响。Lambert等[15]研究发现，GDF-15的过表达能抑制PC-3前列腺癌细胞株的增殖和裸鼠移植瘤的生长。Shim等[16]研究发现，在人前列腺癌LNCaP细胞中，通过RNAi技术抑制GDF-15的表达，能够阻断组织纤溶酶原激活因子(tissue plasminogen activator，TPA)诱导的细胞凋亡，表明GDF-15能抑制LNCaP细胞株的生长。增加GDF-15的表达能显著抑制MDA-MB-435乳腺癌细胞的侵袭和转移[17]。但也有相反研究结果：Chen等[18]通过基因转染使GDF-15过表达或者培养基中添加GDF-15蛋白都能促进激素敏感型前列腺癌细胞株的增殖和克隆形成能力;相反，通过RNAi技术敲除GDF-15基因或细胞培养基中加入GDF-15的中和抗体会减少肿瘤细胞的增殖和克隆形成能力，作用途径是通过细胞外信号调节激酶1/2(extracellular signal regulatedkinase 1/2，ERK1/2)和核糖体蛋白激酶90信号转导途径。

　　2.3 生长分化因子-15基因多态性与肿瘤

　　如同其他的TGF-β超家族成员一样，GDF-15也具有基因的多态性。最多见的是GC多态性改变，成熟的GDF-15蛋白6位上由原来的组氨酸变成天门冬氨酸。研究发现，GC基因型(蛋白6位为天门冬氨酸)较CC基因型(蛋白6位为组氨酸)患散发或者家族性前列腺癌的危险度明显降

　　低[19]。然而，也有学者研究发现，GC基因型与前列腺癌发生关系不明显，但是一旦肿瘤形成后，进展速度较CC基因型为快[20]。

　　3 生长分化因子-15基因的表达调节

　　很多的体内和体外实验研究表明，许多药物或化学物质能够上调GDF-15的表达，大多数是非甾体类抗炎药和一些抗肿瘤药物，如消炎痛、5,7,45-三羟(基)异黄酮、维生素A6-[3-(1-金刚烷基)-4-羟苯基]-2-萘羧酸、吲哚-3-甲醇、5F-203、共轭亚油酸、灵菌红素[10，17，21-23]这些结构不同的物质均能诱导GDF-15的表达增加，说明GDF-15表达的调节具有多途径的机制。非甾体类抗炎药诱导GDF-15的表达研究见于肺癌、前列腺癌、乳腺癌、肠癌、骨肿瘤、卵巢癌和口腔癌[16-17，24]。最高效的诱导GDF-15表达的非甾体类抗炎药是舒林酸，体内生理浓度达到5 μmol/L就可以明显诱导GDF-15的表达。而在所有已测的物质中，抗癌药物5F-203是最强的GDF-15诱导剂，1×10-9 mol/L以下的浓度就可以在结肠癌和乳腺癌细胞株中明显诱导GDF-15表达。5F-203体内给药，能明显诱导荷瘤小鼠乳腺癌中GDF-15的表达，且GDF-15的表达水平与肿瘤的大小负相关[22]。灵菌红素为细菌代谢产物，它能通过调节糖原合酶激酶-3β的活性来诱导GDF-15在人乳腺癌细胞中的表达[23]。

　　GDF-15基因的启动子包括几个顺式作用元件和反式作用因子。人和鼠的启动子序列仅有很少的同源性，这可以部分解释为什么在不同的组织中GDF-15的转录水平不一致。GDF-15的调节受多个转录调节因子的作用，机制也不一样，但总的来看，GDF-15是3种抑癌途径的重要下游靶基因，即P53途径[25]、EGR-1途径[26]和AKT/GSK-3β[27]。GDF-15是p53、p63和p73的转录靶基因，其启动子包含p53的反应元responseelement，RE)-1和-2，其中RE-2提供p53特异性的转录活性部位[25]。特殊蛋白转录因子-1、激活蛋白因子-1和Homeobox蛋白在调节GDF-15表达中起到重要作用。特殊蛋白转录因子-1通过位于启动子上游133 bp处的GC盒来调节GDF-15的转录，而该处有3个p53的作用位点，可能在药物诱导GDF-15表达中起重要作用。研究表明，一些环氧合酶抑制剂能通过转录因子EGR-1来增加GDF-15转录水平的表达[26，28]。而且EGR-1和特殊蛋白转录因子-1在GDF-15启动子中的结合位点有重叠，因此GDF-15的转录活性有赖于EGR-1和特殊蛋白转录因子-1家族成员之间的平衡。在舒林酸的作用下，GDF-15基因启动子中特殊蛋白转录因子-1的表达没有变化，而EGR-1表达升高[26]，但是仅仅EGR-1的升高也能诱导GDF-15的转录增加。转录后调节也同样参与GDF-15表达调节。β-甲基巴豆酰辅酶A羧化酶和抗癌药物5F-203均能增加细胞内GDF-15 RNA的稳定性，从而导致GDF-15的表达升高[22，28]。

　　4 展望

　　GDF-15基因与肿瘤发生发展的关系是客观存在的，它是3种抑癌途径的重要下游靶基因，但是确切关系如何还需进一步研究和阐明。目前对GDF-15蛋白的生物学活性了解甚少，几种形式的蛋白各自作用如何还不是很清楚;GDF-15蛋白的受体和下游的信号转导途径还没能阐述完全，GDF-15基因在口腔颌面部良、恶性肿瘤中的研究罕见报道。这些都有待进一步深入研究。

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