ATF4基因與腫瘤

王慧 劉勤江

[摘要] 轉錄激活子4（ATF4）屬于ATF/CREB家族，在缺氧、氨基酸缺失、氧化應激和內質網應激等應激反應中發揮重要作用。在多數腫瘤中ATF4表達上調，并能增強腫瘤的缺氧耐受和促進腫瘤的生長及血管生成因子的表達，進而參與調節腫瘤發生發展的相關過程。因此，ATF4可能成為腫瘤治療領域中的潛在新靶點。本文通過復習相關文獻對ATF4基因在腫瘤研究中的相關進展進行綜述。

[關鍵詞] 腫瘤；轉錄激活子4；內質網應激

[中圖分類號] R730 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-7210（2018）06（c）-0036-04

[Abstract] Activating transcription factor 4 （ATF4） belongs to the ATF/CREB family and plays an important role in stress responses such as hypoxia， amino acid deletion， oxidative stress and endoplasmic reticulum stress. In most tumors， the expression of ATF4 is up-regulated， and it can enhance the hypoxia tolerance of tumors and promote the expression of tumor growth and angiogenic factors， and then participate in the process of regulating the development of tumor. Therefore， ATF4 may be a potential new target in the field of tumor therapy. This paper reviewed the related advances of ATF4 gene in tumor research.

[Key words] Tumor； Activating transcription factor 4； Endoplasmic reticulum stress

轉錄激活子4（activating transcription factor 4，ATF4）是一種普遍的脅迫反應響應基因，被稱為環腺苷酸（cAMP）連接效應元件2（CREB2），同時也是綜合應激反應途徑中的重要響應器，屬于激活轉錄因子/循環AMP反應元素結合蛋白（ATF/CREB）家族，在由缺氧、氨基酸缺失、氧化應激和內質網應激（endoplasmic reticulum stress，ERS）等應激信號誘導的反應中發揮重要作用。近年來，許多研究發現，ATF4表達在多種腫瘤中上調，并參與調節腫瘤進展的相關過程，這提示ATF4有可能成為腫瘤治療的潛在新靶點。

1 ATF4基因

ATF4基因定位于22號染色體的q13.1，大小約2122 bp，含有3個外顯子，編碼蛋白包含351個氨基酸，屬于ATF/CREB家族[1]。ATF家族是一群含有堿性亮氨酸拉鏈區域（bZIP）的轉錄因子，而此區域與蛋白之間的相互作用有關，該家族成員除了ATF4外還包括ATF1、CREB/CREM、CREB314、CREB-H、ATF2、ATF3、ATF6、ATF7、B-ATF和ATFX（也稱為ATF5），根據每個激活子與cAMP的結合位點不同可以區分各個成員[1]。人類的ATF4 mRNA在多種組織和腫瘤細胞株中均廣泛表達，其結構包括位于非編碼區（5'UTR）的3個短的開放閱讀框（open reading frames，OFRs），OFRs參與調控內質網應激和缺氧等應激反應，并對ATF4的翻譯具有抑制作用[2]。ATF4蛋白由多個基質構成，這些基質在ATF4的二聚化、DNA結合和調節ATF4蛋白穩定性的過程中有重要作用[3]。

ATF4是一種應激反應響應基因，在缺氧、氨基酸缺失、ERS、氧化應激和其他一些脅迫因子刺激下，其表達上調。研究顯示，在人類癌細胞的翻譯前水平，人表皮生長因子受體（epidermal growth factor receptor，EGFR）3和4的組合配體能夠誘導ATF4的表達，另外，氨基酸和葡萄糖的剝奪也能誘導ATF4 mRNA轉錄[4]。而在ATF4 mRNA翻譯水平的調控中，主要是由PERK蛋白激酶磷酸化真核起始因子2（eukaryotic Initiation Factor 2，eIF2）發揮作用，eIF2的α亞基被磷酸化后會導致大部分蛋白的翻譯減少，但是eIF2可通過作用于ATF4基因非編碼區的uORFs，特異性地誘導ATF4 mRNA的翻譯增加[5]。此外，在正常條件下，ATF4蛋白的穩定性通過E3類泛素連接酶-SCF β TrCP（Skp1-Cullin-F-box）復合物和組蛋白乙酰轉移酶p300（histone acetyltransferase p300，HAT p300）來調節，這一過程與ATF4基因的N端區域相互作用[6]。

2 ATF4功能

ATF4最初被認為是轉錄抑制因子，通過與增強子結合蛋白（CCAAT/enhancer binding protein，C/EBP）相互作用，可以抑制長期的突觸變化和記憶形成，這種轉錄抑制效應是ATF4作為長時間記憶儲存功能的基礎，在小鼠中ATF4抑制效應的減弱會降低海馬依賴的長期突觸增強和記憶儲存的閾值[7]。同樣，ATF4基因也可作為一個轉錄激活因子，能夠誘導某些基因的表達，如血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）和與氨基酸代謝有關的基因。另外，它也可作為調節細胞對應激因子（如ERS和氨基酸缺失等）適應的保護基因，以及骨骼、眼睛發育和造血所需的發育基因[1]。在細胞核內，ATF4基因可通過C/EBP-ATF反應元件結合靶啟動子，從而參與氨基酸合成、蛋白質正確折疊及降解、氧化還原平衡、自噬和凋亡等相關基因激活的轉錄調控過程[8]。

研究表明，當腫瘤細胞的供氧不足和營養物匱乏時，內質網會發生應激反應，蛋白質在內質網中進行加工折疊時需要氧氣及能量，由于氧氣和能量的供應不足而導致蛋白質的錯誤折疊，從而誘導內質網的應激發生[9]。ATF4基因是細胞中的主要轉錄調控元件，其通過與C/EBP同源蛋白的啟動子結合，在ERS情況下，誘導激活相關基因的表達來促進蛋白的正確折疊和殘留蛋白的降解[10]。另有研究證實，在轉基因小鼠中，ATF4基因在眼部發育、細胞增殖、造血、骨骼發育、生育力、長期記憶儲存以及突觸可塑性等方面均發揮了重要作用，若ATF4基因缺失，小鼠則表現為盲眼、發育不良、貧血和低骨等特征[1]。同樣有研究結果表明，ATF4在成骨細胞分化和骨形成中起重要作用，若ERS發生在成骨細胞分化過程中，會激活PERK-eIF2 α-ATF4信號通路，然后促進成骨所必需的基因表達，如骨鈣素和骨唾液蛋白等基因[5]。

3 ATF4基因與腫瘤

人體腫瘤的生長和進展導致組織細胞生存的環境常處于缺氧和營養物質匱乏的狀態。因此，在快速生長及擴散的癌細胞中常會發生內質網應激反應，腫瘤細胞也會產生一系列的反應來適應這種應激狀態。有研究指出，與正常組織相比，ATF4蛋白在原發性人類腫瘤中具有很高的水平，這是由腫瘤周圍微環境因素的誘導造成的[1]。近年來，許多研究發現，ATF4表達在多種腫瘤中上調，并參與調節腫瘤進展相關的過程，因此，ATF4有可能作為腫瘤治療領域中一個潛在的新靶點，為靶向藥物的研發提供新的思路和途徑，具有很大的吸引力和研究價值。

在食管鱗狀細胞癌中，ATF4通過促進基質金屬蛋白酶-2和基質金屬蛋白酶-7的表達來促進腫瘤細胞的侵襲和轉移，并與癌預后有關，研究人員推測，ATF4是食管鱗癌預后的一個潛在生物標志物，它的失調可能在食管鱗癌細胞的浸潤和轉移調控中起著關鍵作用，可為阻斷食管鱗癌轉移的治療提供新策略[11]。同樣在頭頸部鱗狀細胞癌中，研究證明順鉑誘導促凋亡BCL-2家族蛋白Noxa的表達，而Noxa的上調對順鉑誘導p53缺失的腫瘤細胞凋亡至關重要，研究進一步發現，在CREB/ATF轉錄因子中，ATF3和ATF4由順鉑誘導，隨后ATF3和ATF4結合并協同激活Noxa啟動子，并且ATF3或ATF4的上調增強了順鉑誘導的Noxa表達[12]。另外，在肺癌中研究發現，與正常的肺組織相比，ATF4蛋白的245位點絲氨酸被磷酸化（p-ATF4）在非小細胞肺癌中表達增加，并與非小細胞肺癌的淋巴結轉移和晚期TNM分期有關，這些結果表明，p-ATF4表達水平增加可能有助于非小細胞癌的發展，也可能是一個潛在的癌癥標志物[13]。而在上皮性卵巢癌中，ATF4在正常卵巢組織、良性卵巢腫瘤、交界性卵巢腫瘤及上皮性卵巢癌中陽性表達率依次遞增，并且其表達強度與組織病理學分級、臨床分期、組織類型及有無淋巴轉移呈正相關，研究結果提示ATF4表達的增加可能在上皮性卵巢癌的發生、分化進展中起重要作用，有可能成為上皮性卵巢癌靶向治療的分子靶點和檢測預后的重要指標[14]。另有研究發現，在體外條件下ATF4的過表達能促進乳腺癌細胞的生長，同時在小鼠乳腺癌模型中，ATF4通過增強M-CSF和HIF-1α的表達來提高巨噬細胞的招募能力和促進血管新生，從而促進腫瘤的生長[15]。

目前，對于ATF4在肝細胞發生氧化應激過程中的作用還未明確。但有研究顯示，在小鼠中ATF4的缺失可以保護小鼠不患高碳水化合物飲食所致的脂肪肝，以及給小鼠喂食高脂肪食物時不會發生非酒精性脂肪肝病[16-17]。還有研究表明，在小鼠肝臟中抑制ATF4的表達可以保護小鼠不受高質飲食引起的氧化應激和三酰甘油堆積造成的傷害[18]。此外，也有研究發現，在人類肝癌組織和肝癌細胞系中ATF4 RNA表達明顯下降，而且ATF4的表達水平與肝腫瘤大小有一定負相關性，ATF4的低表達與肝癌患者較短的生存期及預后相關，相反ATF4的過表達會抑制肝癌細胞的增殖、降低肝腫瘤細胞克隆形成的能力、上調肝癌細胞G1期的比率及增加肝癌細胞內活性氧的含量，并且ATF4的過表達可顯著促進肝癌細胞凋亡[19]。盡管研究結果顯示ATF4在肝癌組織中的表達降低，且對肝癌患者的預后有影響，并有明顯的抗腫瘤增殖效果，但是其具體機制和作用還需進一步研究，以明確ATF4表達水平與肝癌發生發展的相關性。而在結腸癌中，有研究表明結腸癌細胞依賴于β-連環蛋白和獨立的Wnt信號傳導途徑來生長、增殖，在非經典的Wnt信號通路中，ATF4和ATF2能夠對多種靶基因的表達進行調控。此外，ATF4和ATF2的沉默導致靶基因PLOD2、HADH和LCOR的表達下調，結果顯示ATF4可能涉及Wnt信號傳導，從而可能影響癌細胞的生長和增殖[20]。

甲狀腺癌是常見的內分泌惡性腫瘤。近年來，全球甲狀腺癌發病率以6%速度逐年上升，且女性的發病率高于男性[21]。有關研究發現，甲狀腺癌細胞中的蛋白酶體抑制會引起ATF4的積累，ATF4再通過與CCAAT/增強子結合蛋白同源蛋白（CCAAT/enhancer-binding protein homologous protein，CHOP）啟動子的AARE1元件結合誘導CHOP的表達，從而參與細胞凋亡[22]。另有研究表明，ATF4是甲狀腺髓樣癌（medullary thyroid carcinoma，MTC）的一個候選腫瘤抑制基因，在敲除ATF4基因的小鼠中發現，ATF4敲除后引起甲狀腺旁細胞增生，這是MTC的癌前病變過程，在MTC腫瘤細胞中，ATF4的高表達能降低腫瘤細胞的存活率及阻斷RET基因下游信號通路的激活，同時又通過促進RET蛋白的泛素化來降低RET蛋白水平，相反ATF4的表達下降或丟失與RET蛋白水平呈負相關，并與MTC患者的低生存率有關，因此ATF4可能是將MTC高危患者與具有較長生存期的患者區分開來的分子標記[23]。同樣的研究指出，在MTC細胞中敲出RET基因后能激活ATF4的表達，隨后ATF4通過活化下游的促凋亡基因如NOXA、PUMA等的表達，來誘導腫瘤細胞凋亡[24]。此外，也有研究發現在喉癌組織中，ATF4的高表達與喉癌的發展、浸潤和轉移有關，由于缺氧及營養物不足等因素，誘發喉癌細胞出現ERS，從而使免疫球蛋白重鏈結合蛋白（GRP78）與PERK蛋白解離，而與非折疊蛋白結合，進而激活ATF4因子并使其表達上調，然后ATF4再作用于VEGF使其表達增加，從而刺激腫瘤血管生成，為喉癌細胞的生長、轉移提供營養物，同時ATF4會隨著GRP78蛋白含量的增加而增加，它們在喉癌的發生、發展和轉移過程中扮演重要的角色[25]。

4 小結

ATF4是一種應激反應響應基因，也是調節細胞適應應激反應的保護基因和器官發育所需的發育基因。與正常組織相比，ATF4在多數腫瘤組織中的表達水平較高，并受腫瘤周圍微環境信號如缺氧、氧化應激和ERS等調控。此外，ATF4能誘導VEGF的表達，不僅在與血管反應相關的心血管系統的血管損傷中發揮重要作用，而且體外條件下還有明顯的抗腫瘤增殖效應[26]。故ATF4在腫瘤的靶向治療領域中具有極大的吸引力，很有可能成為腫瘤治療的特定靶點。因此，針對ATF4在腫瘤中的價值還需要進一步的研究，以明確ATF4在腫瘤發生發展過程中的具體作用和機制。

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