SAMHD1抗腫瘤研究進展

豈 蕊，劉盼盼，婁石磊，苗永迪，孫 聰*

(1.長春中醫藥大學基礎醫學院 生物化學教研室，吉林 長春130117；2．吉林高新技術產業開發區管理委員會招商一局，吉林 吉林132000)

SAMHD1蛋白全稱為不育-α-基序結構域(SAM 域)和組氨酸/天冬氨酸殘基雙聯體結構域(HD 域)包涵蛋白1，是由真核生物SAMHD1基因編碼的蛋白質。研究發現SAMHD1會在許多腫瘤中發生突變，并且它在腫瘤中的突變有功能性意義。SAMHD1具有dNTPase活性，能夠調節細胞內dNTP的穩態，進而維持基因組的穩定性，抑制腫瘤的發生和發展。本文將主要對SAMHD1抗腫瘤作用的研究進展進行論述。

1 SAMHD1的發現、結構及功能

SAMHD1最早由曹雪濤教授于2000年在人樹突狀細胞(DCs) cDNA 文庫中發現，而后其被鑒定為一種可以被干擾素-γ(IFN-γ)誘導表達的基因[1,2]。隨后的研究顯示，由于 SAMHD1 與 AGS 綜合征(Aicardi-Goutieres Syndrome)相關，又被稱為 AGS 基因。SAMHD1 是一種由 626 個氨基酸組成的核蛋白(圖 1)，其主要包含有N-端核定位信號區(Nuclear localization signal，NLS)、不育α基序(SAM)結構域、組氨酸/天冬氨酸殘基(HD)結構域、T592磷酸化位點以及C-端可變區(Vpx結區)[3,4]。SAMHD1 蛋白是一個核酸蛋白，通過 N 端(NLS)定位于細胞核[5]；SAM區域參與蛋白與蛋白的相互作用，并與RNA的發卡結構相結合；SAM 結構域還可以保證HD結構域高效的脫氧核苷三磷酸水解酶(dNTPase)及核糖核酸酶 (RNase) 活性[6]。HD區域是由組氨酸和天冬氨酸交替排列而成(H…DH…D)的基序[7]，它不僅可以參與核苷酸代謝[8]，同時還具有 dNTPase 及 RNase 活性。其 dNTPase 活性可通過降解和消耗細胞內的逆轉錄病毒反轉錄所必需的脫氧核苷三磷酸鹽(dNTPs)的水平，進而抑制HIV-1 的復制，是 SAMHD1 蛋白發揮抗病毒功能的主要結構域[9-11]；C端的多變區能與病毒蛋白X(viralprotein X，Vpx)的α螺旋結構域相互結合，誘導Vpx蛋白對自身的降解。

圖1 人SAMHD1蛋白結構模式圖

2 SAMHD1在腫瘤中的突變

在過去，研究人員只注意到了SAMHD1的抗病毒作用，尤其是抗HIV-1的作用，認為SAMHD1 通過發揮磷酸水解酶作用降低胞內的dNTP水平，從而達到限制HIV-1基因組的反轉錄，抑制感染的作用[12,13]?，F在，SAMHD1在慢性淋巴細胞白血病(chronic lymphocytic leukemia，CLL)、結腸直腸癌、骨髓瘤、肺癌、皮膚T細胞淋巴瘤等人類的幾種癌癥中已經得到證實[14-23]。

2.1慢性淋巴細胞白血病中的突變

慢性淋巴細胞白血病( chronic lymphocytic leukemia，CLL) 是一種成熟的 B 淋巴細胞克隆增殖性腫瘤，以淋巴細胞在外周血、骨髓、脾臟和淋巴結聚集為特征。CLL 是歐美國家最常見的成人白血病，占所有白血病的近30%。CLL 主要發生于老年人群，表現出臨床和生物異質性。并發癥主要包括自身免疫和繼發性的免疫缺陷。SAMHD1的突變通常出現在整個CLL克隆中，它是CLL克隆進化的早期事件；SAMHD1的分子損傷能明顯減少慢性淋巴細胞白血病中mRNA和蛋白質的表達；SAMHD1的一小部分突變在慢性淋巴細胞白血病和AGS綜合征中都存在，并且這些突變都有功能性后果；[6] [14]因此 Clifford等人認為SAMHD1的突變在慢性淋巴細胞白血病的早期發病機制中起到致癌作用。并且SAMHD1在慢性淋巴細胞白血病中會發生周期性突變,CLL的不同突變位點如表1。

表1 CLL的不同突變位點匯總表

Ruth Clifford等人的研究表明在CLL患者中，SAMHD1會發生突變；在絕大部分CLL患者中，SAMHD1 mRNA和蛋白質的表達量比正常的B細胞會降低很多；并且CLL中SAMHD1的突變體R145X，R145Q，I201N在AGS患者中同樣存在。

2.2結腸癌中的突變

結腸癌屬于臨床常見的惡性腫瘤，在我國消化道腫瘤中排第三位，其發病率仍然呈明顯增高的趨勢[24]。結腸癌臨床早期癥狀主要以腸炎、痢疾等癥狀為主，當患者出現中毒[25]、腸梗阻、腹部觸及包塊，則表明其已經進入結腸癌晚期[26]。SAMHD1在結腸癌中頻繁突變，目前癌癥體細胞突變目錄(COSMIC)包含104個SAMHD1突變[27]，其中在大腸腫瘤中發現26個突變體。在公開的結腸直腸癌(CRC)TCGA數據庫中發現8個SAMHD1突變體(表2)，這些數據是分析了217個腫瘤中的114594個突變得出的，可以說在CRC數據庫中有3.7%(217個中的8個)的腫瘤在SAMHD1中進行編碼突變。在CRC中，基因編碼區中突變的總數目，其中有39%是沉默的，而在SAMHD1中發現的8個突變體，卻沒有一個是沉默的。在目前COSMIC數據庫中的26個SAMHD1突變體，只有兩個是沉默突變?；蛑蟹请[性突變和沉默突變之間比率的增加表明基因的功能性突變對腫瘤是有益的，因此在癌癥發展期間被選擇。

表2 結腸直腸癌TCGA數據庫中SAMHD1突變體匯總表

MMR表示錯配修復，并分析了MLH1、MLH3、MSH2、MSH6和MLH1啟動子甲基化的功能喪失性突變(LOF)的情況；d表示兩個等位基因甲基化；fs表示移碼突變；ns表示沒有意義；s表示一個等位基因甲基化Matilda Rentoft 等人對SAMHD1-109-WT、V133I、A338T、R366H、D497Y的dNTPase活性進行了比較，發現這幾種突變體的dNTPase活性有不同程度的降低，其中D497Y的活性最低，基本為零[28]，這說明SAMHD1的突變能負面影響它的dNTPase活性，并且導致體內dNTP池的升高，使得dNTP池不平衡。

2.3其他腫瘤中的突變

SAMHD1 mRNA組成型表達于許多正常組織包括心臟、骨骼肌、脾臟、肺、肝臟、小腸、胎盤和外周血單核白細胞，在結腸和腎臟中微弱表達。因此，SAMHD1在很多組織中都會突變，它的突變除了會形成結腸癌、慢性淋巴細胞白血病外還有很多。比如：乳腺癌、皮膚T細胞淋巴瘤、惡性膠質瘤、肺癌、骨髓瘤、胰腺癌等。并且SAMHD1在各種癌癥中的突變位點和突變率也不盡相同(表3)。

癌癥中所有已經確定的SAMHD1的改變特征(表3)顯示，有好幾個突變位于SAMHD1的催化區域HD域，它主要負責dNTPase的活性。但在SAMHD1 HD域特定位點的突變是否會直接影響dNTPase的活性，這一點現在我們仍然不能確定。

表3 人類不同癌癥的SAMHD1突變匯總表

N.A.表示沒有獲得信息

3 SAMDH1突變與腫瘤的發生、發展的關系

3.1SAMHD1在腫瘤中的表達

目前研究發現SAMHD1在很多腫瘤中存在表達下調的現象。Wang Jia-lei等人研究了SAMHD1在肺癌中的表達情況，結果他們發現肺癌中SAMHD1的蛋白表達水平和mRNA的表達水平都會降低[30]。SRuth Clifford等人比較了在CLL中SAMHD1 mRNA表達量與正常B細胞SAMHD1 mRNA表達量的差異，結果發現突變體中SAMHD1 mRNA的表達量明顯低于正常B細胞中mRNA的量。SAMHD1在其它癌癥中的表達也明顯降低，像淋巴瘤、乳腺癌和各種腫瘤細胞系[14]。SAMHD1在很多腫瘤中表達下調可能與SAMHD1啟動子的甲基化有關，但其具體機制尚不清楚，還需要進一步的研究。

3.2SAMHD1突變導致細胞內dNTP的水平失調

細胞內dNTP的減少或不平衡會導致基因毒性并且增加突變，dNTP的大量增加通常導致DNA不受控制的復制，保真度降低并可以促進癌癥的發展[31,32]。

SAMHD1是一種具有核酸酶和脫氧核糖核苷三磷酸水解酶(dNTPase)活性的雙功能酶[9-39]。因此它能夠水解dNTP，并以此來控制細胞內dNTP的水平，進而影響細胞周期進程和DNA的復制。SAMHD1的雙功能酶不能同時發揮作用，但都依賴于dGTP的介導。當細胞內dGTP含量低時，SAMHD1以單體或二聚體形式存在，具有RNase活性，能夠裂解RNA，此時dNTPase不發揮作用；當細胞內dGTP含量高時，SAMHD1 由dGTP 介導發生四聚體化而具有 dNTPase 活性，可以降解細胞內 dNTPs ，抑制腫瘤細胞的復制。如果在非轉化的成纖維細胞中，敲除了SAMHD1會導致細胞周期調節的喪失，細胞會在G1期累積過多的dNTP池[34]。這就說明SAMHD1能夠調節細胞內dNTP的水平。SAMHD1一旦發生突變會導致其dNTPase活性的缺失，使細胞內dNTP的調節失衡，dNTP會大量增加，進而導致癌癥的發生。

癌細胞常常表現出基因組不穩定性，它的特點是使突變率增加。Assaf C.Bester等人的研究表明dNTP的穩態是維持精確地DNA復制和有效的DNA損傷修復所必需的[33]。一旦dNTP池不足，復制機制無法維持正常的效率和持續復制能力，將會導致DNA損傷和基因組的不穩定性[33]；dNTP池的大量增加會使DNA迅速復制，復制保真度降低，導致突變率增加，致使癌癥的發生。Stefanie Kretschmer 等人的研究表明SAMHD1的缺陷會引起dNTP的異常調節，從而導致基因組不穩定[35],這說明SAMHD1能夠調節細胞內dNTP的穩態，進而維持基因組的穩定。

3.3SAMHD1在腫瘤中的表觀遺傳調節

表觀遺傳機制通過調節基因表達在癌癥的發生和發展中扮演著主要的角色[36]。DNA甲基化和通過組蛋白乙?；蛎撘阴；饔玫娜旧|重塑是最重要的表觀遺傳機制，癌細胞通過此機制使致癌基因表達量增加或者腫瘤抑制基因表達量降低[36]。

Suresh de Silva等人在研究CTCL患者時已經說明了表觀遺傳機制在SAMHD1表達下調中的作用，他們比較了健康人和CTCL患者外周血單核細胞中SAMHD1啟動子的甲基化情況，發現CTCL患者SAMHD1啟動子是高度甲基化的，而健康人甲基化程度則非常低[29]。Wang Jia-lei等人的研究說明肺癌中SAMHD1的啟動子是甲基化的[30]。Suresh de Silva等人的實驗說明在人類淋巴瘤或白血病CD4+T細胞中啟動子的甲基化能夠調節SAMHD1的表達；并且抑制脫乙?；饔靡材軌蚪档腿祟惲馨土龌虬籽D4+T細胞中SAMHD1的mRNA和蛋白水平[37]。雖然在很多腫瘤細胞中啟動子的甲基化可以降低SAMHD1的表達，但其具體機制還需要進一步的研究。當然，基因的表達也會被一些轉錄因子所調控。Changzhong Jin等人的研究表明microRNA-181能夠直接結合到SAMHD1 mRNA的3’端，使其表達量下調[38]。以上所有的結果表明，我們可以把癌癥治療的方向放在表觀遺傳修飾上。

3.4SAMHD1腫瘤相關突變在晶體結構中的分布

2011年Goldstone 第一次解析了SAMHD1 120-626的晶體，發現SAMHD1 120-626是以二聚體形式存在。接著在2013年2篇文章解析了SAMHD1 109-626四聚體的晶體結構，證明只有四聚體形式的SAMHD1才能發揮生物學功能。我們以SAMHD1 109-626的四聚體結構模型分析了SAMHD1在結直腸癌和慢性淋巴細胞白血病中相關突變體的分布情況，結構顯示這些突變體(紅色標記的氨基酸)主要分布在活性中心和變構中心如圖2所示。還有一部分突變體分布在四聚體中兩個亞單位之間的相互作用界面(圖中未顯示)。SAMHD1與腫瘤相關的突變對四聚體的穩定起著重要的作用，其突變會嚴重影響SAMHD1的生物學功能。主要表現在SAMDH1的表達下降或者不表達、dNTP酶活性失調、dNTP池的大量增加和基因組變得不穩定等等。

結構模型：PDB 4MZ7 ；黃色：底物；紅色：SAMHD1與腫瘤相關突變

4 總結

癌癥發生的一個重要原因就是基因組的穩定性被破壞。dNTP的異常調節會導致基因組的不穩定性，我們可以通過維持細胞內dNTP池的穩態來維持基因組的穩定性，進而預防癌癥的發生。癌細胞中dNTP池通常是過量的，這不僅使癌細胞具有快速增殖的能力，也是靶向治療dNTP代謝的一個挑戰。在最近幾十年用核苷酸類似物治療治療癌癥已成為一個支柱[39]，然而，癌細胞中持續高水平的dNTP遠遠超過藥物的濃度，并且使癌細胞具有了抗性。因此以核苷酸合成和水解途徑為目標的綜合療法可能會發揮更好的作用。

SAMHD1可以水解細胞內的dNTP，使細胞內的dNTP維持較低的水平，這樣能夠減少細胞增殖，SAMHD1的dNTPase活性對于預防先天性和自身免疫病是非常重要的[10]，是dNTP穩態通路的關鍵調節劑。SAMHD1在很多癌癥中會發生突變，它的突變體表達量在很多情況下是下降的，這很有可能說明它是一種潛在的腫瘤抑制基因。如果可以通過一定的手段或方式，能夠使SAMHD1在腫瘤中的表達量恢復到正常水平，甚至有所提高，這很有可能是未來腫瘤治療的一種很好的手段。

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