PAX基因與腫瘤

張偉偉，閆文姬 綜述 戴廣海 審校

PAX(homo sapiens paired box)基因家族編碼一系列生長、發育調控相關轉錄因子，參與調控多個細胞內信號轉導通路，在胚胎發育、組織器官形成、分化過程中起關鍵作用。PAX基因發揮作用具有時間性和空間性。在多種腫瘤中，發現PAX基因功能和結構異常，但其在腫瘤中的作用并未完全清楚。筆者闡述了PAX蛋白家族的一般背景，重點介紹了PAX1和PAX9蛋白在特定的細胞和組織中發育、成熟和腫瘤表達方面的作用。研究PAX參與調節的正常發育途徑可能會揭示腫瘤中潛在的作用靶點，最終為新的抗癌治療方法提供新的分子靶點和信號途徑。

1 PAX基因

PAX基因名字的由來，是因PAX基因家族含有高度保守的128種氨基酸的DNA結合區——配對域(paired box)。配對域最早在果蠅生長發育基因中描述，而后在多種無脊椎動脈、脊椎動物中發現其同源物，且持續表達在發育過程中[1,2]。在PAX家族，除配對域外，通常還包括同源域(homeodomain，HD)和八肽域(octapeptide，OP)。在脊椎動物中，依據包含結構域不同進行分組：第一組PAX1、PAX9；第二組PAX2、PAX5、PAX8；第三組PAX3、PAX7；第四組PAX4、PAX6。PAX3、4、6、7包含一個完整的HD，PAX2、5和8包含一個部分HD，在除PAX4和6之外的所有PAX蛋白質中都存在OP[3]。

PAX基因家族的編碼產物為核轉錄調控因子，對生物體生長、發育進行調控，在胚胎發育、器官形成過程中起重要作用[4,5]。PAX的異常激活與某些發育缺陷有關。

在器官發育成熟后，大多數PAX基因表達下調或缺失，但是在某些特定組織中，PAX基因的表達可持續到成年，或者再表達[6,7]。成年人組織中PAX基因的表達往往與干細胞的性質和組織修復有關，還取決于組織結構。雖然PAX在成人組織中的表達特征可能對這些組織中的特定細胞產生重要作用，但在許多情況下，它們在成人組織中的具體作用仍未明了。

由于其表達特征具有空間性和時間性，PAX基因表達異常可能因此破壞組織的穩態，并導致癌癥等疾病。研究表明，PAX家族成員都與多種癌癥有關[8]。通常存在PAX表達的腫瘤，大多來源于發育過程中需要PAX基因調控的組織。作為細胞增殖與分化狀態之間的分子開關，PAX蛋白具有潛在的腫瘤蛋白的特性。既往多項研究發現，異常的PAX蛋白活性與不同惡性腫瘤的發生存在因果關系[9]。PAX蛋白與腫瘤之間的作用原理之一即是野生類型蛋白的表達水平不適當，這在許多腫瘤類型中起著重要作用，可以促進或抑制腫瘤的發生。

2 PAX基因在發育中的作用及與腫瘤的關系

2.1 PAX1 在胚胎發育時期，PAX1主要參與胸腺、骨骼及甲狀旁腺生長、發育的相關調控[10,11]。PAX1基因可促進胸腺細胞成熟，胸腺上皮中PAX1的表達降低促進了正常T細胞成熟所需的胸腺微環境形成。研究發現，PAX1基因突變可抑制胸腺特異基因(glial cells missing 2，Gcm2)的表達，導致小鼠甲狀旁腺和胸腺發育缺陷，揭示了PAX1在甲狀旁腺及胸腺上皮細胞的分化、增殖過程中起關鍵作用[12]。此外，PAX1調控骨骼的形成，在生骨節細胞、肢芽發育期間表達，其突變可致小鼠肩帶發育畸形。有學者將小鼠PAX1基因敲除后進行觀察，發現在胚胎發育時期，小鼠脊柱發育異常，椎體變小，有關機制可能為PAX1調控了相關細胞的增殖[1，2]。

關于子宮頸癌的相關研究證實PAX1基因存在甲基化，其因甲基化表達沉默，推測其可能作為抑癌基因發揮作用。

Lai等[13]在2008年首次發現PAX1基因在子宮頸癌中存在甲基化異常。在宮頸癌組織中，檢測PAX1基因甲基化率為94.4%，正常宮頸組織中甲基化率為0，相比具有統計學意義(P<0.0001)。檢測高度鱗狀上皮內病變(high-grade squamous intraepithelial lesion，HSIL)，鱗狀細胞癌(squamous cell carcinoma，SCC)的PAX1水平，發現敏感度及特異度均優于HPV檢測方法，可顯著提高宮頸癌臨床檢出率，推測在宮頸癌的發生中PAX1基因甲基化具有重要作用[14]。對宮頸脫落細胞進行PAX1甲基化檢測，宮頸癌的甲基化水平顯著高于CINⅠ、Ⅱ、Ⅲ，隨病情演變升高明顯，具有更高的靈敏度和特異度[23]。在宮頸涂片中同時檢測人類乳頭瘤病毒(HPV)和PAX1甲基化狀態，比單獨檢測提高了靈敏度[13]。相關作用機制研究認為，PAX1基因啟動子區CpG島甲基化與宮頸癌病變密切相關[13,15,16]。對宮頸癌相關基因(SFRP4、CNA、PAX1、CHFR、TSLCI、FHIT、PTEN)進行測定后發現，PAX1甲基化程度最高，且DNA甲基轉移酶1(DNA methyltransferase 1，DNMT1)促進宮頸癌細胞PAX1甲基化[17]。Joosten等[18]對分化的人胚胎癌細胞Tera-2研究證實，PAX1可以作為轉錄因子激活PDGFRA 基因。在宮頸癌細胞HeLa、Caskia和SiH中，PAX1高表達是由于下調UHRF1基因導致組蛋白的去乙酰化，與PAX1基因啟動子區甲基化無關[19]。

有研究報道，口腔癌與宮頸癌致癌分子機制存在一致性。感染HPV已經被證實在兩種腫瘤發生、發展過程中發揮重要作用，因此推測口腔癌與宮頸癌可能存在相同的DNA甲基化標志物，研究發現通過檢測PAX1基因甲基化，可預測口腔黏膜的癌變[20,21]。臺灣的一項研究發現，通過刷取方法采集口腔黏膜細胞，檢測PAX1基因甲基化情況，結果顯示，口腔癌中PAX1甲基化率較高，其檢測的靈敏度、特異性均高于80%，將其與其他易感因素，如吸煙、飲酒、食用檳榔等，聯合起來評估致癌風險，對口腔癌的早發現、早診斷有積極作用。

目前，PAX1基因對宮頸癌、口腔癌的細胞增殖、凋亡、遷移等的影響及其作用機制研究還未完全明了，需進一步深入探討。

2.2 PAX9 在哺乳動物的發育過程，PAX9基因在分化為面部、牙齒、肢體發育的間葉細胞中表達，對器官的形成發育進行調控[22]。對成熟小鼠進行研究發現，PAX9在多種器官存在表達，較常見的有舌頭、口腔、食管的復層鱗狀上皮，胸腺及甲狀腺等器官[23-25]。PAX9主要表達于牙胚間充質組織細胞中，是胚胎期牙胚形成、發育過程中關鍵轉錄因子，發揮重要調控作用，敲除PAX9基因使其表達缺失，小鼠牙胚將停滯發育。人PAX9雜合子基因突變會導致先天性牙齒發育缺失。

研究顯示，PAX9在多種腫瘤組織中異常表達，如PAX9在人口腔黏膜鱗狀細胞癌、涎腺腫瘤中呈高表達[26]，而在食管鱗癌、黑色素瘤中呈低表達。

Gerber等[27]指出，PAX9在人食管上皮存在廣泛表達，在大多數浸潤性食管鱗癌中，PAX9表達明顯降低或缺失，在食管鱗癌組織中其表達水平與腫瘤病理惡性程度負相關。對食管癌行全基因組測序顯示，與食管腺癌對比后發現，在食管鱗狀細胞癌中PAX9異常表達顯著升高，食管鱗癌組織中PAX9的表達降低是術后患者不良預后的獨立危險因素。PAX9載體轉染到食管鱗癌細胞系TE-1后，細胞增殖和侵襲能力明顯下降，對放射敏感性顯著增高。推測PAX9是食管鱗癌的特異性基因型，對放療敏感性、預后有重要價值[28]。

在口腔鱗狀細胞癌細胞系中敲除PAX9基因使其表達缺失，可以看到凋亡相關蛋白PARP和caspase-3裂解增加，促凋亡相關蛋白Bax水平升高，抗凋亡相關蛋白Bcl-2水平降低，促進細胞凋亡，提示在口腔鱗癌中PAX9的作用為抗細胞凋亡[26]。而在肺癌組織中，PAX9也呈現高表達[29]。

有研究表明，PAX9在肺癌細胞表達降低，分析其原因，可能為炎性因子和血管內皮生長因子作用導致。在肺癌中，miR-31mi可直接靶向調控PAX9轉錄活性進而調控肺癌細胞的侵襲和增殖能力[30]。但有學者對肺癌進行研究得出的結論卻不盡相同，利用shRNA敲降后沉默PAX9的表達，可降低肺癌細胞株的致癌性[29,31]。在非小細胞肺癌組織中PAX9蛋白及PAX9 mRNA 表達水平均較配對癌旁組織顯著升高。非小細胞肺癌患者臨床組織標本中，檢測到PAX9蛋白表達與病理類型及臨床分期有顯著相關性，與患者年齡、性別、腫瘤大小及淋巴轉移等臨床特征無關。經統計學多因素COX回歸模型分析非小細胞肺癌的相關危險因素，發現PAX9表達水平可作為評估其預后的獨立危險因素[32]。

PAX9在膀胱尿路上皮癌中表達升高，可作為早期診斷膀胱尿路上皮癌的指標。同時發現TBX2協同PAX9在腫瘤的發生發展中發揮作用[33]。在子宮內膜樣腺癌的研究中發現，臨床分期、病理組織學分級、腫瘤浸潤程度與PAX9表達水平相關[34]。

關于PAX9在腫瘤中的作用機制，已有多項研究證明PAX9參與Wnt、PI3K/AKT、BMP等多種細胞信號通路，受原癌基因c-myb的調控[27,35]。PAX9在不同的腫瘤作用機制不同。在肺癌細胞系中，發現PAX9與TTF1、NKX2-8相互協同促進肺癌細胞的增殖[31]。且其協同激活方式并不依賴EGFR或KRAS突變。激活PAX9與腫瘤細胞對順鉑化療敏感性相關。

作為胚胎發育階段重要的轉錄因子，在腫瘤的發生發展過程中，PAX基因仍起著重要作用。其中，PAX1和PAX9作為PAX家族中的一員，在脊椎動物中同源性高達98%，在脊椎、胸腺等器官的發育中起重要作用。且隨著研究深入，逐漸發現其在多種腫瘤中表達異常，從而進一步影響腫瘤的生長、增殖及對化療藥物的敏感性，但其相關具體機制仍需深入研究。