ABCG2與消化系統腫瘤相關研究進展

王晰程，孫志偉，沈 琳

北京大學腫瘤醫院暨北京市腫瘤防治研究所消化腫瘤內科，惡性腫瘤發病機制及轉化研究教育部重點實驗室，北京100142

目前，對于消化道腫瘤，如結直腸癌、胃癌等而言，化療不僅是中晚期患者的主要治療方式，并且已逐漸成為早期患者術前及術后綜合治療的一個重要環節，化療的療效直接關系到患者預后。但由于腫瘤的異質性和患者個體的差異性，部分患者存在耐藥現象，尤其是多藥耐藥性(multiple drug resistance，MDR)，即癌細胞同時對多種細胞毒藥物產生抗性［1］。因此如何能更加個體化地選擇化療方案，減少耐藥產生，提高治療效果已經成為消化腫瘤內科治療最大的挑戰。

在腫瘤細胞耐藥性產生機制中，MDR是當前研究的一個重點。其中最重要的研究成果之一便是發現了MDR通常與一種或幾種轉運蛋白相關，而這些轉運蛋白都屬于 ATP結合盒(ATP-binding cassette，ABC)轉運超家族成員，可稱為ABC轉運蛋白，它們在核苷酸結合區結合和水解ATP，并利用其提供的能量將底物從細胞內泵出［2］。該家族的成員有P-糖蛋白(P-glycoprotein，P-gp/ABCB1)、多藥耐藥蛋白 1(multidrug resistance protein，MRP1/ABCC1)和三磷酸腺苷(ATP)結合轉運蛋白G超家族成員2(ATP-binding cassette superfamily G member 2，ABCG2)，又稱乳腺癌耐藥蛋白(breast cancer resistance protein，BCRP)。本文主要針對ABCG2的結構和功能及其與消化系統腫瘤的相關性研究作以下綜述。

1 ABCG2的基本特性

1.1 ABCG2的發現 1990年Chen等［3］用阿霉素和P-gp抑制劑維拉帕米篩選乳腺癌MCF-7細胞系，發現新的耐藥細胞系MCF-7/AdrVp，而這一細胞系并無P-gp和MRP的過度表達，而過表達是一分子量為75 KD的蛋白質，這提示存在一種新的藥物轉運蛋白。1998年Doyle等［4］在 MCF-7/AdrVp中檢測到大小為 2.4 kb的mRNA，并逆轉錄其cDNA，發現它編碼655個氨基酸的轉運蛋白并具有多藥耐藥性。由于該基因是從乳腺癌細胞中得到的，故命名為乳腺癌耐藥蛋白(breast cancer resistance protein，BCRP)。最后基于其結構和序列的同源性，發現此基因是ABC超家族亞族G的第2個成員，故人類基因組命名委員會最終將其命名為ABCG2(ATP-binding cassette superfamily G member 2)。

1.2 ABCG2的基因及三維結構 人類ABCG2基因位于4q22～23，基因跨度為66 kb，是迄今為止在4號染色體上發現唯一的ABC轉運蛋白［5］。它由16個外顯子和15個內含子組成，其結構上屬于ABC蛋白家族半轉運子，因為ABCG2只有一個核苷酸結合結構域(NBD)和1個跨膜結構域(TMD)，故需通過寡聚體化來實現其轉運功能［6］。深入了解ABCG2三維結構有助于了解蛋白和底物結合的轉運機制，也成為研究多藥耐藥性的前提條件，但目前ABCG2高清晰度的蛋白三維結構尚不十分明確。2009年，Aller等［7］首次報道了小鼠P-gp分辨率在3.8 ?的晶體結構，可以首次在分子水平上明確MDR轉運蛋白多個跨膜片段(TM4-6 TM10-12)上的氨基酸殘基直接參與構成了底物結合位點。因為ABCG2和P-gp在三維結構上具有高度的同源性，借助于生物信息學同源模擬軟件(Homology Modeling)，學者們建立了ABCG2多個不同構象的三維模型［8-10］。這些模擬三維結構進一步闡述了底物如何結合轉運蛋白，誘發ATP結合及水解，從而最終使底物從V形的間隙釋放到胞外的整個動態過程。

1.3 ABCG2在正常組織中的表達及生理功能 研究顯示，在人體內多個組織和器官中都有ABCG2不同程度的表達。Doyle等［11］應用ABCG2 cDNA探針檢測其mRNA水平，發現胎盤的表達量最高，而在心臟、腎、骨骼肌、肺、胰腺、脾等器官未檢測到ABCG2。利用斑點雜交對人組織mRNA進行了檢測，ABCG2的mRNA在胎盤仍然高表達，同時發現肝和小腸的表達水平也很高。此外，在人造血干細胞和神經干細胞也發現有 ABCG2的表達。Seharenberg等［12］研究發現ABCG2蛋白還表達于成熟精子的頂體并能介導膽固醇的移除。根據ABCG2上述分布特點，推測它的生理功能可能包括:防止食物中一些外源性物質的吸收，從而防止可能發生的毒性反應;參與保護重要臟器(如形成血-胎盤屏障、血-腦屏障等);幫助減少有害物質經消化道吸收及協助肝臟排毒。特別令人關注的是ABCG2在干細胞中的作用。研究發現在造血干細胞中有一些通過膜轉運外排Hoechst33342的細胞群，定義為側群細胞(side-population，SP cells)，約占總干細胞的0.05%。Zhou等［13］報道多種組織來源的SP細胞均呈現ABCG2的高表達，而且通過轉基因方法增加ABCG2的表達后，可使該細胞呈SP表型，故由此支持ABCG2是造成細胞具有SP表型的這個關鍵結論，是使細胞具有干細胞分化潛能的重要標記。

1.4 ABCG2的底物選擇 自ABCG2被發現以來，已有許多化療和靶向藥物證實可由此蛋白轉運。首先，ABCG2曾被學者用米托蒽醌篩選人結腸癌細胞系而得到，并因此而命名為米托蒽醌耐藥蛋白。近些年來，伊立替康廣泛用于消化道腫瘤(食管癌、胃癌、結直腸癌和胰腺癌)的治療。很多研究證實，ABCG2在伊立替康為基礎化療的耐藥上發揮了重要作用。在用拓撲替康篩選的人卵巢癌細胞系(IGROV1/T8)及乳腺癌細胞系(MCF-7/TPT3000)中，均發現有ABCG2的過表達，并導致其對伊立替康及其活性代謝產物SN-38的獲得性耐藥［14-16］。用SN-38篩選的細胞系中也可觀察到ABCG2的過表達［17］。而在結直腸癌肝轉移的患者中，應用伊立替康為基礎的化療者的ABCG2 mRNA水平明顯高于那些未用伊立替康的患者，這都表明ABCG2參與了體內伊立替康的耐藥［18］。一些其他腫瘤的常用化療藥物也是ABCG2的底物，如氨甲喋呤、酪氨酸激酶抑制劑CI1033、吉非替尼、伊馬替尼、抗葉酸劑雷替曲塞等。此外，ABCG2在一些非化療藥物的轉運上也發揮了重要的作用，如HMG-CoA還原酶抑制劑羅舒伐他汀、匹伐他汀和西立伐他汀;類黃酮和橡黃素;某些抗生素等。

2 ABCG2與腫瘤相關研究

2.1 ABCG2與腫瘤概況 自發現ABCG2與腫瘤耐藥相關以來，國內外很多學者便致力于研究在各種惡性腫瘤中ABCG2的表達與功能，從而為治療腫瘤尋找新的出路。最早有研究證實了ABCG2在白血病耐藥方面發揮了作用［19］，并表明ABCG2的表達與患者預后相關。Fetsch等［20］發現在乳腺癌、胃癌、結腸癌、纖維肉瘤和多發性骨髓瘤等耐藥細胞株中均有ABCG2的過度表達，并與P-gp/MRP等耐藥蛋白表達無關。而且很多研究提示腫瘤中ABCG2的表達與臨床結果有相關性，如:趙亞超等［21］發現在非小細胞肺癌中，ABCG2在鱗癌和腺癌中的表達均高于正常肺組織，且陽性表達者對阿霉素、拓撲替康、順鉑等化療藥物的敏感性下降。Yoh等［22］也發現ABCG2陽性表達的非小細胞肺癌患者化療有效率低于ABCG2陰性患者，并且預后分析提示ABCG2可作為與無瘤生存期相關的獨立因素之一。因此ABCG2可作為判斷NSCLC患者化療敏感性及預后的指標。需注意的是這種不良預后是由于ABCG2對腫瘤藥物的排出作用直接引起的，還是它的表達只是作為腫瘤增殖、轉移、惡性程度等的一個指示因子目前尚不清楚。

2.2 ABCG2在消化系統腫瘤中的表達與功能 關于ABCG2在結直腸癌中的研究，高陽等［23］用RT-PCR的方法檢測了102例大腸癌組織及15例正常大腸黏膜組織中ABCG2的表達，結果表明大腸癌組織中ABCG2陽性率明顯高于正常組織，且與分化程度有關。梁燕等［24］在225例大腸癌組織中檢測了ABCG2的表達，結果83.1%的組織在細胞漿有ABCG2的表達，而66.2%的組織在細胞膜有表達，15.6%的組織在細胞膜上呈現ABCG2的強表達。其中隨訪69例患者的生存分析提示ABCG2在細胞膜的強表達與生存率的降低相關。此外，在氟尿嘧啶和伊立替康耐藥的大腸癌細胞系中篩選出的側群細胞也是高表達ABCG2的［25］。

其他的研究也提示ABCG2與消化系統腫瘤密切相關。劉亮等［26］研究了ABCG2蛋白在食管癌組織中的表達情況，顯示ABCG2蛋白在食管癌組織中有較高程度的表達，且在病理分化差的鱗癌中的表達量顯著高于中高分化鱗癌。且Tsunoda等［27］研究發現ABCG2的高表達在食管癌中是一個獨立的預后不良的因素。Wang等［28］用免疫組化的方法在胃癌組織中檢測了ABCG2的表達情況，結果表明45例中有28例(62.2%)呈陽性，其中低分化/未分化腫瘤中的表達水平比高/中分化腫瘤顯著升高，由此可推測ABCG2在胃癌的多藥耐藥中也可能發揮了重要的作用。另有文獻報道胰腺癌患者中ABCG2水平的增高與早復發及預后差明顯相關［29］。上述文獻均提示ABCG2可能在多種消化系統腫瘤的耐藥和生存預后中發揮了一定的作用，但其中明確的機制尚不清楚，仍需更多的基礎實驗和樣本量更大臨床研究來驗證上述的結論。

2.3 ABCG2基因單核苷酸多態性(SNP)研究 單核苷酸多態性(single nucleotide polymorphisms，SNP)是指基因組水平上由單個核苷酸變異導致DNA序列多態性，占所有已知多態性的90%以上。近些年的研究表明ABCG2基因的多態性可能會影響蛋白的表達和轉運等功能。目前已發現ABCG2基因有40多個SNPs，其中最為常見的 3個是 C421A、G34A以及C376T。ABCG2多態性的分布在不同種族人群中有顯著差異。例如C421A在中國和日本人群中等位基因頻率可高達30%～60%，而在高加索人群和非洲裔人群中等位基因頻率僅有5% ～10%［30-31］。G34A在瑞典人群中等位基因頻率僅為1.7%，而在越南人群中高達36.0%。

ABCG2基因單核苷酸多態性可影響ABCG2蛋白的表達水平。多項研究表明，無論在轉染的細胞中還是在人體組織中，C421A均可導致ABCG2蛋白表達水平較野生型降低。Imai等［32］檢測124例日本健康志愿者血中ABCG2的表達水平，結果顯示C421A比野生型的表達水平降低。Furukawa等［33］和 Kobayashi等［34］均發現C421A的ABCG2表達水平比野生型明顯降低。其機制可能是ABCG2單核苷酸多態性影響蛋白的穩定性、轉運活性、膜定位等相關。由此，進一步影響其底物的藥代動力學及腫瘤對相關藥物的耐藥程度。Morisaki等［35］發現，C421A對二羥蒽二酮、托泊替康或SN38耐藥性有一定程度降低。Imai等研究也表明C421A細胞對二羥蒽二酮、拓撲替康比野生型敏感2～3倍。目前對ABCG2基因SNPs的研究尚處于初級階段，還有一些研究顯示出了與上述不完全一致的結果，尤其是某些SNPs是否與伊立替康耐藥明確相關，均有待進一步的深入研究。

3 討論和展望

綜上所述，ABCG2是近些年來新發現的一種多藥耐藥轉運蛋白，屬ABC轉運超家族，依靠ATP水解的能量將相應底物泵出膜外，與P-gp、MRP不同的是，它是半轉運分子。它在人體很多正常組織中都有表達，參與很多生理作用包括:排除外源性物質，解毒及血腦屏障和胎盤屏障保護。尤其是其在干細胞中的作用值得重視，研究發現ABCG2是參與干細胞SP表型形成的因素。同時在惡性腫瘤中，也存在腫瘤干細胞“假說”。這些腫瘤干細胞高表達ABCG2，使之能泵出化療藥物，產生耐藥，從而導致無法根治腫瘤。由此將來的研究應關注通過抑制ABCG2在腫瘤干細胞中的表達或應用拮抗劑抑制其轉運活性以達到最大程度消滅腫瘤細胞的目的。

關于ABCG2在腫瘤的表達情況，首先在血液腫瘤中發現，后有學者發現ABCG2在很多實體腫瘤均有不同程度的表達，并有很多研究均發現腫瘤中ABCG2的表達也與臨床結果如化療藥物敏感性、預后有相關性。關于ABCG2與消化系統腫瘤的關系，目前研究指出ABCG2過量表達與食管癌、胃癌、腸癌等患者的多藥耐藥上發揮了重要作用，也有文獻報道ABCG2蛋白的表達與患者生存期長短相關。此外，隨著伊立替康為基礎的化療方案在消化道腫瘤進一步廣泛的使用，ABCG2基因的多態性和蛋白本身的結構與藥物敏感性、不良反應的關系也是值得關注的問題，這些都是我們未來的研究方向。我們相信，隨著對ABCG2蛋白結構和轉運功能越來越深入的研究，ABCG2會成為抗腫瘤治療的一個新的靶點。

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