胶质纤维酸性蛋白基因调控及其在胶质瘤诱导分化中的作用(一).doc

胶质纤维酸性蛋白基因调控及其在胶质瘤诱导分化中的作用(一)
胶质纤维酸性蛋白（glialfibrillaryacidicprotein,GFAP）是星形细胞胞质内特异性蛋白，它在星形细胞源性胶质瘤的诊断上已发挥出重要作用。不仅如此，人们对GFAP表达与胶质细胞分化和瘤细胞生物学特性的关系、GFAP基因的结构和功能状态对GFAP表达的影响以及它在恶性胶质瘤诱导分化过程中的作用也有了新的认识〔1-3〕。GFAP在肿瘤病理学中的意义已远远超出了它的鉴别诊断作用。
一、GFAP及其基因功能状态与胶质细胞分化的关系
1.GFAP基因定位、GFAP的分布和功能：GFAP基因位于17q21，与一些肿瘤相关基因nm23、erbB-2相邻，与NF1、整合蛋白（integrin)β4、p53、生长激素-1和金属蛋白酶组织抑制物（TIMP）-2基因同在17号染色体上。GFAP基因转录产物为3.8kbmRNA，蛋白产物为相对分子质量50000的中间丝结构蛋白。GFAP在人脑胚胎发育中最早出现于第8周，随着胚胎发育而表达于星形细胞中，在室管膜细胞、伸长细胞（tanycyte）等胶质细胞也有分布。几乎所有类型的脑损伤后反应性星形细胞中GFAP的表达都增强；在胶质化瘢痕中含量最丰富。中枢神经系统发生代谢性、变性性疾病时，GFAP的表达也发生异常。GFAP可与其他类型的中间丝蛋白共同表达于同一细胞中，包括GFAP与波形蛋白、细胞角蛋白、结蛋白〔2,4,5〕和巢素(nestin)〔6〕。GFAP型中间丝在维持星形细胞形态和功能上都有作用：它在细胞核和细胞膜之间形成连接，参与细胞内细胞骨架重组、细胞粘附、维持脑内髓鞘形成和神经元的结构以及作为细胞信号转导通路等。GFAP可能还为一些能识别关键性底物的激酶提供引入位点(dockingsites),这些底物能使GFAP与微丝、整合蛋白受体及细胞外基质形成一个动力学统一体〔3〕。有关GFAP的其他功能及机制尚不清楚。弄清GFAP和胶质细丝的详细生理功能将有助于我们进一步认识胶质瘤的生物学特性。
2.胶质细胞的分化与GFAP基因表达的调控机制：胶质细胞的分化、功能和表型特征的出现与细胞信号转导有密切关系,并受多种生长因子及其受体的调控，如需要白血病抑制因子受体（leukemiainhibitoryfactorreceptor）介导的信号转导〔7〕。睫状神经营养因子（ciliaryneurotrophicfactor,CNTF）在控制和诱导中枢神经系统多能干细胞（multipotentstemcell）向星形细胞分化的过程中起关键作用，骨形态发生蛋白在这一过程中也有重要作用，但二者作用途径不同。前者使信号转导物和转录激活物（signaltransducerandactivatoroftranscription,STAT）蛋白激活〔1,8〕。上述分化机制均与GFAP有密切关系。Kahn等〔9〕发现，CNTF能诱导少突胶质祖细胞(oligodendroglialprogenitorcell)中Stat1α/p91一过性转位到细胞核，通过激活JAK/Stat信号转导,引起GFAP启动子激活，使GFAPmRNA和GFAP蛋白表达上调。采用上游5＇端1.9kb的大鼠GFAP启动子进行转染实验显示，CNTF处理1小时以内就可激活GFAP启动子的转录，并发现在GFAP启动子内存在2个区域（远侧端-1857～-1546bp和近侧端-384～-106bp），它们在CNTF诱导的GFAP启动子激活中起重要作用。这两区域有多个涉及白细胞介素-6家族对GFAP或其他基因调控的cis元件。近年还发现，GFAP上存在cdc2和Ca2+-钙调素依赖性激酶作用的磷酸化位点。在Ca2+存在的条件下，谷氨酰胺可促进GFAP的磷酸化。光化学刺激、脑老龄化时均可使GFAP的表达上调。周期素依赖性激酶（CDKs）与GFAP型中间丝之间亦存在相互作用。这些现象的详尽机制与意义都值得我们去深入研究。
3.GFAP表达与基因甲基化状态的关系及其意义：GFAP表达与GFAP基因甲基化程度密切相关。已有研究显示，绝大多数的胶质瘤细胞系中GFAP低表达并非是该基因出现重排或缺失，而是呈现高甲基化(hypermethylation)状态。这种甲基化发生于GFAP启动子内CpG岛的一个2kb片段，使GFAP转录失活，从而证明甲基化介导的GFAP转录抑制可能是恶性胶质瘤细胞GFAP表达降低的重要机制。Condorelli等〔10〕比较研究了表达GFAP的细胞与不表达GFAP的细胞中GFAP启动子甲基化状态发现，表达GFAP的正常脑胶质细胞和胶质瘤细胞中GFAP启动子高度保守区的一簇CG位点5＇侧区均存在神经特异性甲基化状态。进一步对胶质祖细胞系中GFAP基因转录活性的研究结果显示，在GFAP基因转录活性被激活之前先发生上述侧区1176位点的去甲基化。胶质细胞的这种低甲基化状态在维持染色质构象及其与胶质细胞内一些特异性调节因子间的相互作用中起重要作用。人类约60%基因的启动子内存在CpG岛的二核苷酸。正常情况下转录活跃的基因中这些CpG岛都是缺乏甲基化的，而肿瘤中常有CpG岛异常甲基化，且导致抑癌基因和相关基因的结构异常和失活。已有实验表明，用DNA甲基转移酶（DNAmethyltransferase）抑制剂5ACdR可诱导白血病细胞分化；在体外培养的实体瘤细胞也取得类似结果。由于DNA的甲基化状态具有可改变性，而用化学物质可诱导其改变，故有理由推论：若利用诱导分化剂改变瘤细胞分化基因DNA甲基化的异常，对于肿瘤逆转会具有积极作用。
二、胶质瘤中GFAP基因表达规律及其在诱导分化中的意义
1.GFAP在星形细胞肿瘤中的表达规律：GFAP一直被视为星形细胞及其肿瘤的特异性标记物，在诊断和鉴别诊断上具有重要价值。GFAP可与波形蛋白共同表达于星形细胞肿瘤中，前者与分化程度呈正相关，后者与分化程度呈负相关。二者的表达水平也有助于分析胶质瘤的预后情况。目前国内外研究者也常将GFAP表达水平做为胶质瘤诱导分化的最可靠指标〔1,3,11〕。值得注意的是，在恶性胶质瘤细胞的体外培养过程中易丧失或降低GFAP的表达，同时波形蛋白表达增强，此外还可出现胚胎发育时期的物质——脑脂肪酸结合蛋白（brainfattyacidbindingprotein）。
2.GFAP基因在胶质瘤诱导分化机制中的意义：一些研究表明，改变GFAP基因及其表达状态对星形细胞及其来源的肿瘤的生物学特性有重要影响。当把小鼠GFAP基因敲除后，GFAP阴性的星形细胞高表达nestin，后者是祖细胞的标志物。这种细胞的中间丝形成减少，生长时的细胞饱和密度增高，提示GFAP表达的丧失能使细胞呈现恶性表型，并使胶质瘤进展更迅速〔6〕。采用反义GFAPcDNA转染GFAP阳性的星形细胞肿瘤瘤细胞，可使细胞缺乏长突起，呈现扁平的上皮样细胞形态；细胞增殖活性增高，并能增强瘤细胞的侵袭性和转移能力。相反，通过上调GFAP基因的表达可以促进胶质瘤分化，降低恶性程度。例如近来研究发现，提高细胞cAMP水平可促进GFAP基因的表达、诱导恶性胶质瘤的分化和瘤细胞的凋亡。这一现象已用于诱导分化治疗。有作者指出，通过上调cAMP-蛋白激酶A（PKA）增加GFAP表达可能会成为治疗恶性胶质瘤的一个靶点〔12〕。Toda等〔13〕用GFAPcDNA转染大鼠胶质瘤细胞系C6后，细胞生长受抑、GFAP表达增多，并呈现分化形态，认为GFAP基因具有肿瘤抑制物作用。Sadatomo等〔14〕采用脂质体将GFAP基因转染至不表达GFAP的髓母细胞瘤瘤细胞中也取得同样结果，而且瘤细胞对抗癌药物的敏感性提高，并提出这是一种新的治疗途径。甚至有报道将GFAP基因转染到神经系统以外的、非神经上皮起源的肿瘤细胞后也具有抑制瘤细胞增殖、降低肿瘤侵袭力的作用。此外，某些细胞周期负调控基因也可通过GFAP基因而诱导分化，如p21WAF1/CIP1基因转染可促进GFAP基因的表达，从而使瘤细胞进入终末分化状态〔15〕。
可见，GFAP基因不仅是星形细胞肿瘤特异的分化标记物,而且是分化程度和恶性行为的决定基因之一。认识这一点，对于恶性胶质瘤的诱导分化研究具有十分重要的意义。
三、展望
肿瘤诱导分化治疗的基础研究已取得长足的进步，特别是在维甲酸治疗早幼粒白血病方面。实体瘤诱导分化的重要依据是瘤细胞分化潜能并未完全丧失，其中一些结构基因仍有功能性。但由于实体瘤无论在组织结构还是肿瘤生物学特性的复杂性上都不同于白血病，而且多数实体瘤缺乏理想的特异性分化标志物，也难以找到控制分化状态的关键基因，所以，实体瘤诱导分化一直未得到足够的重视。
恶性胶质瘤具有自身的特异性分化表型特征，可望做为实体瘤诱导分化治疗的良好模型。由于GFAP基因及其表达产物既是胶质瘤特异性标志物，又是恶性表型的一个重要决定者，有理由推论：GFAP基因是胶质瘤的一种特异性分化基因，它可做为胶质瘤诱导分化治疗的一个重要靶基因；在研究胶质瘤生长、分化机制上深入探讨GFAP基因调控是十分必要的。我们相信，GFAP基因与细胞分化机制关系的逐步阐明必将对实体瘤诱导分化的研究产生开拓性推动作用。