2017, Vol. 38
2. 中南大学湘雅三医院/卫生部移植医学工程技术研究中心 湖南 长沙 410013
2. The 3rd Xiangya Hospital of Central South University & Research Center of National Health Ministry on Transplantation Medicine Engineering and Technology, Changsha 410013, China
热休克转录因子1(heat shock transcription factor 1，HSF1) 是热休克反应的主要调节因子，它通过防止生命体中的细胞免受热休克、缺血、炎症、氧化应激等有害条件的刺激，从而维持和保护细胞的正常生物活动功能[1]。未活化的HSF1单体存在于细胞质中。当细胞受到机体内环境变化，如热休克、缺血、炎症等的刺激后，可被激活并磷酸化后转移到细胞核，在细胞核中以三聚体的形式发挥作用。活化的HSF1三聚体通过结合热启动子区中的热休克元件(heat shoch element, HSE)，调控热休克蛋白家族(heat shock proteins, HSPs)基因如HSP90、HSP70、HSP25的转录翻译，通过热休克蛋白分子伴侣功能调控生物体的几乎所有的细胞生物学反应[2]。
消化系统肿瘤是指原发于上下消化道中各种良恶性肿瘤的统称，包括食管癌、胃癌、小肠癌、大肠癌、肛门癌、胰腺癌、肝肿瘤以及胆管系统肿瘤等消化系统各部位的原发性肿瘤，统计显示绝大多数肿瘤都属于恶性肿瘤。流行病学调查显示，每年全世界有超过320万人死于罹患消化系统肿瘤。美国国家健康统计中心对2016年间统计数据显示，消化道肿瘤的新发病率和死亡率分别占全年所有肿瘤的18.4%和26%，结直肠癌、胰腺癌和肝癌位居发病率的前三位[3]。而中国国家肿瘤预防与控制中心对我国2009-2011年间统计数据显示，我国消化道肿瘤的发病率和死亡率分别占所有肿瘤的50%和57%，前三位主要是胃癌、食道癌和肝癌[4]。消化系统肿瘤的发生率，无论在发展中国家还是发达国家，都是严重影响国民生命质量和健康寿命的重要因素[3-5]。
许多研究证据表明，HSF1在人类多种肿瘤中显著高表达并且可作为临床肿瘤诊断的分子标志物以及患者不良预后的独立危险因子。HSF1既可以调控HSPs的表达进而防止蛋白质错误折叠和聚集的形成，保证其正常折叠和组装过程，也可以参与调控多种生物信号调节通路，包括各种细胞代谢过程[6]、肿瘤细胞发生发展[7]及侵袭转移的多种途径[8]，从而发挥促肿瘤细胞增殖、抑制凋亡，并通过调控上皮间质转化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)过程促使细胞发生迁移、侵袭和远处转移。本文将从HSF1的结构功能特点方面对HSF1在消化系统肿瘤分子机制中的研究进展作综述。
1 HSF1的结构特点及功能 1.1 概述热休克反应作为一种最有效和最保守的细胞保护机制，在生物体的生命活动维持和延长寿命中都具有重要的作用[1]，其中最重要的调节因子是HSF[9]。HSF是指能与热休克元件((heat shock element, HSE)结合，并活化HSPs转录的反式作用因子。HSF家族包括HSF1、HSF2、HSF3和HSF4四个成员[9, 10]，其中HSF1、HSF2和HSF4在人体组织中可检测到其表达，而HSF3仅存在于禽类动物中并参与细胞生长调控[9]。在哺乳类动物细胞培养体系中，HSF1可参与调节应激性刺激后细胞保护和修复通路中基因的表达[11]，因此，HSF1是热休克反应的主要调节因子。
1.2 结构特点HSF1的结构功能序列包括DNA结合域、三聚体结构域、转录活化结构域、调节结构域、磷酸化位点和核定位信号区五个重要的序列。DNA结合域主要是通过识别DNA双链中热休克启动子区域上HSE结构的重要结合部位；三聚体结构域由七肽为末端的重复序列A(HR-A)、HR-B和HR-C三者构成，HR-B或小部分HR-A被去除后可导致HSF1在非活化状态下与HSE结合；调节结构域在常态时可抑制转录活化结构域的活性，而在应激条件下则可提高其活性，其作用具有双向性；在应激条件下HSF1的高度磷酸化可使其三聚体解离为单体的速度减缓；当HSF1分子构象发生改变时核定位信号区暴露并引导HSF1主动转运至胞核内发挥功能[6]。
1.3 生物学功能① HSF1主要存在于生物体内高度保守的转录调节元件中，通过介导真核细胞在热休克、感染、炎症及其他应激条件下的转录应答，保护体内细胞免受有害刺激的损伤，并维持细胞的正常生物活动功能[12]。② 通过监测体外培养细胞中HSF1表达发现，正常状态下HSF1主要以无活性的单体形式存在于细胞质中；而应激条件下，HSF1则被启动活化(磷酸化)转变成三聚体形式并转移至细胞核内，定位于HSPs基因5’端启动子区的HSE区域，启动基因转录并最终调控HSPs表达[6]。③ HSF1具有直接的抗炎和细胞保护作用，主要表现为损伤应激时可调控蛋白质的正确合成，维持细胞膜的稳定并抑制细胞凋亡发生[6]。④ HSF1是生物体内热休克反应的主要调控者，同时也是HSPs基因表达的主要调节因子，其减少或缺失都可引起HSPs表达的下调或相关功能减弱[13]。而HSPs已被证实是生物体内细胞在应激条件下必不可少的分子伴侣蛋白。HSPs的分子伴侣功能主要是防止蛋白质的错误折叠和聚集，保证其正常折叠和组装过程[14]。多种热休克蛋白如HSP90、HSP70、HSP25等在肿瘤中呈高表达，它们可参与肿瘤细胞生长、转移和肿瘤血管再生等多方面。
2 HSF1在消化系统肿瘤中的研究既往大量的研究已经相当精确的描绘出胃肠道和肝胰肿瘤形成的分子网络结构[15]。而对于消化系统肿瘤的遗传异质性目前研究较少，肿瘤的遗传异质性如何精确及多大程度上促使肿瘤细胞发生转移扩散、肿瘤复发并干扰临床治疗有待进一步研究[8]。因此，进一步研究消化系统肿瘤的分子生物学特征，并寻找出消化系统肿瘤诊断的分子标志物是目前研究的重点。
2.1 HSF1与胃肠道肿瘤研究显示HSF1在胃癌细胞株显著高表达，并且通过调节HSP27的表达进一步调控MET/ERK信号调节通路相关蛋白的表达，同时也可增加表皮生长因子(epidermal growth factor receptor，EGFR)的表达，促使胃癌细胞的增殖分化并抑制其发生细胞凋亡[16]。人参皂苷Rg3通过诱导胃癌细胞中HSF1因子的下调以及SP1因子的上调表达，进而增加促凋亡蛋白caspase-3前体的激活并触发促凋亡蛋白caspase-8、caspase-9和PARP蛋白的表达，诱导胃癌细胞凋亡的发生[17]。而在大肠癌中，HSF1高表达可调控并诱导BAG3、HSP70和Bcl-2家族中相关蛋白的表达，进而促进抗凋亡蛋白Bcl-X(L)、Mcl-1和Bcl-2的表达，抑制肠癌细胞凋亡发生并促进肿瘤细胞增殖[18]。
2.2 HSF1与胰腺肿瘤研究显示HSF1在胰腺癌组织中也显著高表达，而下调HSF1后可激活促凋亡蛋白caspase-3前体并触发caspase依赖的细胞凋亡信号通路，提示HSF1可调控减少caspase-3的活化，从而抑制胰腺癌细胞凋亡发生[19, 20]。目前有基础研究显示，一些药物或化合物可抑制HSF1的表达，进而可有效缓解胰腺癌肿瘤化疗耐药性。研究发现HSP家族表达下调可导致促发肿瘤相关通道关闭，但可开放依赖caspase的凋亡通道而引起体内外潜在的抗肿瘤效应。在持续暴露于内部的致癌过程(蛋白突变、各种致癌的信号通路)以及外部的致癌的环境因素时，肿瘤细胞比正常细胞更依赖于HSF1介导的热休克效应通路。通过人工合成核苷类似物特异性抑制HSF1后，发现依赖caspase的凋亡通路可被激活，从而使胰腺癌细胞凋亡发生并具有潜在对抗机体内外胰腺癌细胞的耐药性的药用特征。可能机制是转录因子3的信号转换和激活器(signal transducer and activator of transcription 3，STAT3) 和AKT参与调节HSPs。前者可聚集HSP90及HSP27，从而诱导肿瘤发生并增强肿瘤细胞存活率，后者则可与HSP90、HSP27联合作用而增强肿瘤细胞存活、减弱细胞凋亡[21]。担子菌蘑菇提取物-活化的己糖相关化合物(active hexose-correlated compound, AHCC)作用于对吉西他滨耐药的胰腺癌细胞株后，可下调耐药细胞株HSF1以及其下游的HSP27蛋白水平，从而增强胰腺癌细胞对吉西他滨化疗药物的敏感性[22]。
2.3 HSF1与肝胆系统肿瘤研究证实HSF1在肝癌组织中显著高表达状态并与患者临床病理特征及不良预后密切相关。同时，研究发现HSF1可直接调控HSP27的蛋白表达及其磷酸化水平，HSP27蛋白可作为细胞肌动蛋白(actin)重构的独立效应器，而肌动蛋白细胞骨架(微丝骨架)中的肌动蛋白聚合及重组在调控肿瘤细胞侵袭和迁移中起着重要作用。未磷酸化的HSP27通过与肌动蛋白微丝的刺突末端绑定，抑制纤维肌动蛋白(F-actin)的聚合，而磷酸化的HSP27则相反可增加F-actin的聚合强度。因此，HSF1通过调控HSP27的表达影响肿瘤细胞骨架，促使肝癌细胞在体内外侵袭及转移的发生[23]。同时，HSF1也可通过调控EMT相关蛋白的表达，如抑制E-cadherin的表达，并促进N-cadherin和Snail1的表达，促进肝癌细胞侵袭和转移的发生[24]。
3 总结HSF1作为热休克反应的主要的调节因子，在生命体中应对热休克、缺血、炎症、氧化应激等有害条件的刺激时，可保护和维持细胞的正常生物活动功能。HSF1既可保护正常细胞的生物学功能，同时在肿瘤细胞中也发挥关键的调节作用。而HSF1调控肿瘤发生发展的机制研究已成为目前的热点。对多种肿瘤组织的检测发现HSF1呈显著高表达状态，并通过多种机制调控肿瘤细胞的生物学行为。HSF1不仅可调控抑制依赖caspase的内外源性细胞凋亡通路，也可促进抗凋亡蛋白Bcl-X(L)、Mcl-1和Bcl-2等的表达增多，抑制肿瘤细胞凋亡发生并促进其增殖。同时，也可通过调控EMT相关蛋白的表达，促进肿瘤细胞侵袭和转移等细胞生物学行为。因此，HSF1可作为肿瘤发生发展及侵袭转移的关键性调控靶点，为临床上肿瘤的诊断及治疗以及对抗肿瘤的耐药性提供新的策略。相信随着研究的不断深入，HSF1在消化系统肿瘤的诊断和治疗作用越来越凸显。
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