细胞分裂周期蛋白6(cell division cycle 6,CDC6)属于与多种细胞活动相关的三磷酸腺苷酶(adenosine triphosphatase associacied with diverse cellular activities,AAA+ATPases)家族,是启动DNA复制、激活和维持细胞周期检查点、调节有丝分裂不可或缺的蛋白激酶
[1]。在G
1期,起源识别复合物(origin recognition complex,ORC)结合复制起点后,与CDC6及染色质许可和DNA复制因子1(chromatin licensing and DNA replication factor 1,CDT1)聚集,并协同招募微小染色体维持蛋白(mini chromosome maintenance proteins,MCM)复合物至复制起点,进而组装形成前复制复 合 物(pre-replicative complex,pre-RC),启 动DNA复制
[2]。DNA复制是重要的生物学过程,其能够使遗传信息准确地分配到每一个子细胞,保障基因组的完整性,在细胞周期进展中发挥重要的作用。但CDC6的缺失会阻止MCM复合物在G
1期与染色质正常结合,从而阻碍细胞周期进展
[3]。CDC6通过细胞周期检查点机制来调控S/M期和有丝分裂的启动,DNA复制未完成时细胞无法进入有丝分裂期
[4]。同时,CDC6的表达和功能也受细胞周期的严格调控。在S期,细胞周期蛋白依赖性激酶1(cyclin-dependent kinase 1,CDK1)对pre-RC成分(CDC6)进行磷酸化修饰,阻止DNA的二次复制,确保每个DNA片段在每个细胞周期中仅被复制1次
[5]。当CDC6与由细胞色素C激活的Apaf-1分子单体结合形成稳定的复合物后,会阻止凋亡小体组装和细胞死亡
[6]。CDC6能控制细胞周期蛋白依赖性激酶2(cyclin-dependent kinase 2,CDK2)在G
1/S期的转换活性,参与纺锤体的形成,调节核糖体DNA的转录及调控多个与癌症有关的基因
[7]。
CDC6被认为是一种癌基因,其表达失调会导致DNA复制异常、进而诱发DNA损伤以及基因组遗传不稳定
[8]。细胞周期调控(包括DNA复制启动)异常是恶性肿瘤增殖失控的主要原因。在胶质瘤、前列腺癌、非小细胞肺癌和乳腺癌等多种恶性肿瘤中均可观察到CDC6的异常表达
[9]。因此,抑制CDC6的过度表达可有效遏制肿瘤细胞的异常增殖,是一个潜在的治疗靶点和预后监测标志物。本研究针对CDC6的结构、抑制剂及其在多种恶性肿瘤中的发生机制进行综述,旨在探讨CDC6在肿瘤治疗中的应用价值。
1 CDC6的结构
CDC6最初是在芽殖酵母的基因筛查实验中被发现的。在多数生物体中,
CDC6仅有1种亚型。
CDC6基因位于人类染色体17q21.3,其表达受转录因子E2F家族控制
[10]。CDC6包含1个由200~250个氨基酸组成的AAA+结构域,该结构域包含2个结合和水解核苷酸的基序:Walker A基序(p环)和Walker B基序。Walker A基序介导CDC6与ORC 特 异 性 结 合。三 磷 酸 腺 苷 (adenosine triphosphate,ATP)水解控制MCM的负载及ORC-CDC6复合物的DNA结合活性
[11]。上述2个基序定位于核苷酸结合位点附近,其部分残基可能会干扰其与ATP相互作用,从而影响MCM负载等相关功能。AAA+结构域参与多种细胞活动,如AAA+蛋白通过构象变化,将ATP水解产生的能量介导蛋白质和核酸的分解和合成。同时,AAA+结构域折叠层上附有翼状螺旋结构域(winged helix domain,WH),有助于稳固不同负载因子间的相互作用
[12]。CDC6的N末端区域具有非特异性结合DNA的活性。CDC6上还存在多个重要的基序和修饰位点:细胞周期蛋白结合基序(cyclin-binding motif,Cy)、D盒和KEN盒及3个细胞周期蛋白依赖性激酶(cyclin-dependent kinase,CDK)磷酸化位点。Cy基序是一个保守的氨基酸序列,能够招募细胞周期蛋白及CDKs的底物和抑制因子。D盒和KEN盒作为细胞周期中重要的蛋白质降解信号,其在后期促进复合物/周期体(anaphase-promoting complex/cyclosome,APC/C)依赖性泛素化以及随后的蛋白酶体降解过程中发挥关键作用。3个氨基末端的磷酸化位点是CDK功能位点,上述位点突变会抑制CDC6在体内和体外的磷酸化
[13]。
2 CDC6对恶性肿瘤发生发展影响的机制
2.1 发生机制
CDC6通过促进肿瘤细胞的生长,在细胞DNA损伤后激活S/M期细胞周期检查点阻止细胞进入有丝分裂期,并在异常有丝分裂发生时促使细胞退出,从而避免癌细胞死亡
[14]。CDC6蛋白具备多种促进肿瘤发生的分子机制,机制一:CDC6在上皮型E-钙黏蛋白(E-cadherin,
CDH1)基因座上发挥分子开关的作用,其将转录抑制与复制激活进行协同调控,以实现不同的细胞功能。CDC6与
CDH1启动子的E-boxes区域结合会抑制
CDH1的转录,诱发上皮-间质转化(epithelial-mesenchymal transition,EMT),导致CDH1蛋白表达水平降低
[15]。CDH1蛋白表达下调致使细胞在组织中的黏附能力减弱,显著增强了癌细胞的迁移速率和运动能力,加剧肿瘤的侵袭和转移
[16]。机制二:转录调控元件细胞周期蛋白依赖性激酶4抑制剂(inhibitor of cyclin-dependent kinase 4,
INK4)/可变读框(alternative reading frame,
ARF)是发生癌症后最常失活的基因座之一,该基因座编码3种重要的肿瘤抑制因子,分别为P15、ARF和P16。过表达CDC6会引发
INK4/
ARF基因座的依赖性转录抑制,同时介导组蛋白去乙酰化酶的特异性募集,导致
INK4/
ARF基因座发生异染色质化转变,进而降低3种关键的肿瘤抑制因子表达水平
[17]。机制三:CDC6参与激活共济失调毛细血管的扩张及Rad3相关蛋白(ataxia telangiectasia-mutated and Rad3-related protein,ATR)的信号,并通过促进ATR与染色质的结合激活细胞周期检查点机制
[18]。CDC6是ATR-ATR相互作用蛋白(ATR-interacting protein,ATRIP)与染色质结合的受体,可以通过招募ATRIP至染色质参与S/M期检测点,阻滞细胞过早进入有丝分裂期
[19]。当CDC6受到抑制时,依赖ATR的检查点通路就无法在DNA复制应激的情况下被激活,可能会导致有丝分裂异常和DNA损伤,对正常细胞和肿瘤细胞均有一定的毒性作用
[20]。CDC6也会通过CDC6-ATR-细胞周期检查点激酶1(checkpoint kinase 1,Chk1)信号通路激活G
2/M期复制检查点,促进癌细胞的存活
[21]。
2.2 CDC6对胶质瘤发生发展的影响
胶质瘤是成人最常见的原发性脑肿瘤之一,占恶性脑肿瘤的70%以上。该类肿瘤多起源于神经胶质细胞或前体细胞,并可发展为星形细胞瘤、少突胶质瘤、室管膜瘤或少突星形细胞瘤等亚型
[22]。目前,针对胶质瘤的治疗方式主要是手术切除辅以放疗和化疗,然而高复发率和高转移率依然是对临床治疗的巨大挑战
[23],因此新型治疗策略的研发显得尤为重要。研究
[24]显示:胶质瘤组织中白细胞介素6(interleukin-6,IL-6)过表达并通过激活下游Janus激酶2(Janus kinase 2,JAK2)/信号转导与转录激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)信号通路参与调节癌细胞的多种生物学过程,如增殖、迁移、侵袭和血管形成,加速肿瘤的进展。
CDC6过表达与脑胶质瘤患者的不良生存和免疫浸润存在密切关联,沉默
CDC6则会显著下调IL-6及其下游分子JAK2和STAT3
[25]。WANG等
[26]通过基因富集分析发现:CDC6主要聚集于核因子κB(nuclear factor-kappa B,NF-κB)、丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)和P53等信号通路,上述信号通路参与调节细胞增殖、凋亡和肿瘤的侵袭性。NF-κB信号通路的活性增强会促进体内胶质母细胞瘤(glioblastoma,GBM)的生长,诱导胶质瘤细胞系发生铁变态反应从而影响肿瘤的发展
[27]。而P53信号通路在GBM中失调,肿瘤蛋白P53(tumor protein p53,
TP53)基因的突变状态与GBM进展存在密切关联,P53失活促使癌细胞的侵袭、增殖及抗凋亡能力增强。提示
CDC6过表达与胶质瘤细胞的增殖、迁移和侵袭能力增强存在关联。沉默
CDC6可能会下调JAK2/STAT3、NF-κB、MAPK和P53等多个信号通路的活性,进而遏制胶质瘤的恶性生物学行为,是一个潜在的免疫治疗靶点。
2.3 CDC6对前列腺癌(prostate cancer,PCa)发生发展的影响
PCa是男性第二大常见癌症,仅次于肺癌,对全球男性健康构成巨大威胁,其发病率在老年男性群体中尤为突出
[28]。对于早期激素敏感性PCa,雄激素剥夺疗法(androgen deprivation therapy,ADT)是一种有效的治疗手段。然而,大部分PCa最终会发展到非雄激素依赖阶段,此时癌细胞将发生转移,导致患者的预后较差
[29]。雄激素受体(androgen receptor,AR)激活导致PCa细胞无限增殖,CDC6则是AR的关键调控靶点。研究
[30]显示:AR作为配体依赖性转录因子,通过与CDC6启动子区域结合来调控CDC6转录,影响前列腺组织的生长和发育。泛素样含植物同源结构域和环指结构域1(ubiquitin-like with PHD and ring finger domains 1,UHRF1)通过赖氨酸去甲基化酶4C(lysine demethylase 4C,KDM4C)介导的染色质修饰促进PCa中AR调节的
CDC6转录和抗AR耐药性
[31]。
CDC6启动子5'-TGTTTGTT-3'区域存在1个潜在的FOX顺式结合基序,可被叉头盒M1(forkhead box M1,FOXM1)不同程度地结合
[32]。FOXM1和AR转录因子共同参与DNA复制、细胞周期G
1/S期以及G
2/M期的调控。FOXM1可以直接作用于
CDC6启动子区域的FOX结合基序,通过与AR的相互作用,共同促进
CDC6基因的转录
[9]。FOXM1还能通过提高AR蛋白表达水平间接上调
CDC6基因的表达。因此,通过单独或联合敲低
FOXM1和
AR可以抑制CDC6的过表达
[33]。MOURKIOTI等
[34]鉴定出一种衰老调节信号轴GATA结合蛋白2(GATA binding protein 2,GATA2)-CDC6,并证实GATA2-CDC6轴是导致PCa细胞衰老和EMT的关键调控因子。通过调控GATA2或直接抑制CDC6的表达均可诱导对雄激素敏感的PCa细胞衰老。上述发现为PCa治疗提供了新的视角和潜在的治疗靶点。
2.4 CDC6对乳腺癌发生发展的影响
乳腺癌是女性最常见的恶性肿瘤之一。乳腺癌约占所有新确诊癌症的26%,占女性死亡原因的15%
[35]。CDC6、CDK2、细胞周期蛋白D1(Cyclin D1)和细胞周期蛋白D3(Cyclin D3)等细胞周期调节因子在降低乳腺癌细胞活性方面发挥重要作用。通过下调相关因子,可有效抑制癌细胞的增殖,干扰癌细胞周期进程,促进癌细胞凋亡,为乳腺癌的治疗带来积极的影响
[36]。CDC6的表达与肿瘤大小、组织学分级和Ki-67表达水平均呈正相关关系。KONG等
[37]研究发现:在乳腺癌中长链非编码RNA(long non-coding RNA,lncRNA)和CDC6的表达水平显著升高,并与肿瘤的临床分期及预后存在密切关联。lncRNA-CDC6作为一种竞争性内源RNA(competing endogenous RNA,ceRNA),能够调节微小RNA(microRNA,miRNA)的表达,进而影响CDC6的表达。同时,lncRNA-CDC6也可通过异位表达参与G
1期检查点的调控,促进乳腺癌细胞的增殖和转移能力。CDC6和
CDT1 参 与 DNA 复 制, 并 且 是 雌 激 素 受 体(estrogen receptor,ER)的下游基因,其高表达可能会促进癌细胞的增殖。在ER阴性的乳腺癌中,CDC6和CDT1的表达水平明显升高。当使用他莫昔芬或来曲唑抑制ER信号通路后,CDC6和CDT1表达水平随之降低
[38]。CDC6与CDT1单独或联合过表达时,乳腺癌患者的生存率较差。综上,CDC6的高表达与乳腺癌的不良预后、癌细胞增殖存在密切关联,为肿瘤的诊断和治疗提供了重要的分子标志物和治疗靶点。
2.5 CDC6对其他多种肿瘤的影响
CDC6在多种肿瘤组织中呈现高表达,其作为DNA复制的起始因子,主要通过自身表达失调、阻止细胞衰老和亚细胞定位等影响癌细胞的活动。在宫颈癌组织中,CDC6的表达与人乳头状瘤病毒(human papilloma virus,HPV)16/18型感染存在密切关联。过表达CDC6会引起E-cadherin的表达下调并促进癌细胞的转移,从而对宫颈癌的发展和预后产生不利影响
[39]。CDC6过表达还与慢性粒细胞白血病(chronic myeloid leukemia,CML)细胞的过度增殖有关。B细胞受体(B-cell receptor,
BCR)/阿贝尔森酪氨酸蛋白激酶(Abelson tyrosine-protein kinase,
ABL)融合基因是一种抗细胞凋亡的基因,具有高度酪氨酸激酶活性,能激活多种信号传导途径,导致细胞调控机制发生紊乱。在CML中,
BCR/
ABL主要通过激活PI3K/Akt和JAK/STAT等信号通路上调CDC6表达,导致CML细胞的异常增殖和凋亡抑制,加速疾病的进展并导致不良预后
[40]。研究
[41]显示:在肺癌细胞中也会出现CDC6的过表达。通过使用
miR-
26a/
b靶向降低CDC6表达,可有效抑制肺癌细胞的增殖、迁移和侵袭,同时肺癌患者的预后较差也与
miR-
26a/
b下调以及相应的CDC6上调有关。研究
[42]发现:抑制CDC6的表达可导致胰腺癌(pancreatic cancer,PC)细胞在有丝分裂期停滞,并通过诱导多极纺锤体形成、中心体畸变、微管解体和染色体不稳定等进程的发生促进癌细胞死亡。综上,CDC6可能是多种肿瘤的潜在治疗靶点和预后标志物。
3 CDC6抑制剂的研究进展
CDC6在DNA复制和细胞周期调控中扮演着重要角色,并在多种肿瘤组织中过表达。目前已经证实有多种抑制剂可以抑制CDC6的过表达,这些抑制剂不仅可以阻止肿瘤细胞的生长,还可能与某些化疗药物协同作用,从而增强肿瘤的治疗效果。
3.1 去甲斑蝥素(norcantharidin,NCTD)对CDC6的抑制作用
NCTD是斑蝥素的去甲基化形式,其对多种肿瘤有较强的抗肿瘤作用,如乳腺癌、肺癌、原发性肝癌、口腔癌和结直肠癌等。与多数抗癌药物不同,NCTD的显著优势在于其极少引发骨髓抑制,反而能够激活骨髓造血功能,增加白细胞的数量
[43]。NCTD通过诱导癌细胞中的CDC6和MCM6降解,干扰CDC6、MCM2和MCM6与染色质结合,阻止前RC的形成。NCTD还可与多种抗癌药物存在协同作用,如顺铂和紫杉醇。顺铂是一种常见的用于治疗PCa的化疗药物,但是传统的化疗药物仅能杀死快速增殖的肿瘤细胞。由于DNA损伤反应的增强,肿瘤中的癌症干细胞(cancer stem cells,CSCs)对传统化疗并不敏感
[44]。研究
[45]发现:NCTD可以通过降低CDC6的表达和阻止ATR-Chk1信号通路的激活抑制CSCs的DNA损伤反应,从而增强顺铂的抗肿瘤作用。紫杉醇(paclitaxel,PTX)作为一种高效的抗有丝分裂抗癌药物,广泛用于各种癌症的化疗,但该药的耐药性及产生的不良反应已成为临床治疗的重大挑战
[46]。癌细胞在经历程序性死亡之前,往往会通过逃离PTX所引起的有丝分裂停滞状态(有丝分裂滑移机制),从而逃避细胞凋亡并存活。经历了有丝分裂滑移的细胞,其CDC6蛋白的表达会显著上调,CDK1的活性也会受到抑制。采用RNA干扰技术或NCTD介导CDC6耗竭,可阻断有丝分裂滑移机制并延长PTX处理后的有丝分裂停滞期
[47]。因此,NCTD与PTX的联合应用可下调CDC6表达,有效减轻PTX的获得性耐药,从而更好地发挥其抗肿瘤作用。
3.2 恩杂鲁胺对CDC6的抑制作用
恩杂鲁胺作为一种AR拮抗剂,常用于PCa的治疗;其作用机制主要是阻止雄激素与AR结合,抑制受体进入细胞核与DNA结合,从而抑制PCa细胞的生长和增殖
[48]。研究
[34]显示:使用恩杂鲁胺分别处理雄激素依赖性和非雄激素依赖性的人PCa细胞,发现恩杂鲁胺通过抑制CDC6表达来诱导雄激素敏感性细胞的衰老;其机制可能是恩杂鲁胺主要通过GATA2转录因子的内源性激活来介导CDC6的下调,其中GATA2转录因子充当CDC6的抑制物。在对恩杂鲁胺耐药的细胞中,GATA2表达水平降低,致使CDC6稳定高表达并激活EMT标记,从而导致癌细胞不易发生衰老。恩杂鲁胺通过直接抑制CDC6,也可以改变癌细胞的特性,使其不再具有致癌能力并诱导癌细胞衰老,从而在肿瘤获得性耐药后也能提供治疗靶点。
3.3 其他抑制剂对CDC6的抑制作用
丝裂霉素C(mitomycin C,MMC)是一种广泛用于治疗多种癌症的抗生素类化疗药物,其可通过抑制DNA复制来间接影响CDC6的功能,从而抑制肿瘤细胞增殖并促进其凋亡
[49]。环指蛋白1与YY1结合蛋白(RING1 and YY1 binding protein,RYBP)是一种表观遗传调节因子。RYBP通过与细胞死亡相关蛋白相互作用来调节细胞凋亡。在食管鳞状细胞癌(esophageal squamous cell carcinoma,ESCC)中,RYBP通过下调CDC6和CDC45的表达来阻止G1/S期转换,从而抑制ESCC细胞的增殖,发挥其抗肿瘤作用
[50]。
4 结 论
CDC6在调控细胞周期、启动DNA复制和调节有丝分裂等多个细胞生命活动进程中发挥重要作用。在肿瘤的发生发展过程中,CDC6通过增强其内源性表达、干扰细胞周期调控、促进EMT转换及调节肿瘤微环境的免疫浸润等机制而发挥作用,并与多种肿瘤的不良预后存在密切关联。当CDC6被敲低时,癌细胞的增殖能力会受到明显抑制。因此,CDC6被认为是治疗肿瘤的潜在靶点。目前已发现有多种药物及诱导细胞凋亡的因子能够有效抑制CDC6的表达,针对CDC6开发特定的抑制剂有望成为未来重要的研究方向,为肿瘤的治疗提供更多的策略和方法。
国家自然科学基金项目(81360109)
国家自然科学基金项目(81660267)
内蒙古自治区科技厅自然科学基金项目(2021MS08158)