N-myc下游調控基因1在呼吸系統疾病中的研究進展

李成偉 李圣青

（復旦大學附屬華山醫院呼吸與危重癥醫學科 上海 200040）

N-myc下游調控基因（N-myc downstream regulated gene，NDRG）家族是包括NDRG 1～4在內的新的基因家族，NDRG1是NDRG家族的第一個成員，最先被鑒定為由廣泛表達的NDRG1基因編碼的細胞質蛋白［1-2］。呼吸系統疾病是常見疾病，死亡率高，疾病負擔重，已經成為最突出的公共衛生與醫療問題之一，對我國人民健康構成嚴重威脅。隨著大氣污染、吸煙、老齡化及病原菌耐藥等問題的日益凸顯，呼吸系統疾病的防治形勢愈發嚴峻。呼吸系統疾病多存在缺氧或氧化應激，皆是誘導NDRG 1表達的重要誘因。在肺中NDRG1主要表達在呼吸道組織的細胞內［3-4］，參與多種生理活動和功能調節，包括腫瘤進展以及細胞應激反應，因此NDRG1在疾病發生發展過程中發揮重要作用。

NDRG1的結構NDRG1最先發現于N-myc敲除的小鼠胚胎中，受N-myc抑制性調控。根據鑒定的細胞及基因功能的差異，該分子具有多種不同的名稱，包括分化相關基因1（differentiation-related gene-1，DRG1）還原劑和衣霉素反應蛋白（reducing agent and tunicamycin-responsive protein，RTP）、鈣相關蛋白43（Ca2+-associated protein 43，Cap43）和氧調節蛋白（protein regulated by oxygen，PROXY-1），最后被人類基因組組織基因命名委員會（HUGO Gene Nomenclature Committee）正 式 命 名 為NDRG1［5］。NDRG1定 位 于 染 色 體8q24.3［6］，全 長60 085 bp，包含16個外顯子和15個內含子，編碼2 997 bp的mRNA，其 中1 182 bp為 可 編 碼 區［7］。NDRG1的mRNA被翻譯成相對分子質量43 000、由394個氨基酸組成的蛋白質［8］。人類NDRG1蛋白與NDRG其他家族成員的不同之處在于，包含3個十肽串聯重復序列，每個十肽串聯重復序列都由GTRSHTSE殘基組成［9］。此外，NDRG家族其他成員也缺乏C末端的兩個殘基Ser和Glu［10］。NDRG1的C端結構域在NDRG蛋白質中是獨特結構，已證實血清和糖皮質激素誘導激酶1（serum and glucocorticoid-inducible kinase-1，SGK-1）在Thr328、Ser330、Thr346、Thr356和Thr366處磷酸化NDRG1［11-12］，而 糖 原 合 成 酶 激 酶3β（glycogen synthase kinase 3β，GSK-3β）在Ser342、Ser352和Ser362處磷酸化NDRG1［13］。SGK 1和GSK3β是抑制NDRG1的兩種上游激酶，導致NDRG1水平降低［14］。同時，在C末端區域有一個磷酸泛乙烯連接位點（phosphopantetheine attachment site，PPAS）［15］，在缺氧條件下，NDRG1的PPAS區域全部或部分缺失可消除核易位，應對細胞DNA損傷的反應表明PPAS可能負責NDRG1的核定位［16］。在NDRG1蛋白質N末端附近發現了另一種獨特的結構，即蛋白質N末端附近的螺旋-螺旋（helix-turn-helix，HTH）以及α/β水解酶折疊內的帽狀結構域（殘基169～235）［15］。目前這些結構的確切功能還不清楚。

NDRG1的分布及表達通過原位雜交分析，NDRG1在正常人體的大多數器官和系統中均有表達，包括消化道、免疫系統、生殖系統和泌尿系統，其中在腎臟、前列腺和卵巢的表達水平最高［3］。部分組織如大腦、心臟、卵巢、骨骼肌和血管等在mRNA水平表達NDRG1，但在蛋白水平無表達［4］。NDRG1可對多種生物刺激產生反應，包括NO、鈣離子水平及缺氧等［2］。雖然NDRG1在人體組織中廣泛表達，但似乎具有組織特異性功能。胎盤中發現的NDRG1表達可歸結為其在滋養層分化和缺氧誘導損傷保護中的作用［17］。NDRG1的普遍表達表明該分子可能在正常生理中發揮多效性作用。在肺組織中，免疫組織化學顯示NDRG1蛋白主要在皮脂腺、外分泌腺及呼吸道肺支氣管腺體表達，而在血管內皮細胞、平滑肌細胞未檢測到［3］。檢索the Human Protein Atlas數 據 庫（https：//www.proteinatlas.org/）同樣表明，NDRG1在呼吸道上皮中呈高表達，在肺泡細胞及巨噬細胞中呈中度表達，而在肺血管中未檢測到。

NDRG1與感染性疾病煙曲霉（A.fumigatus）是一種常見真菌，當人體免疫功能受損時，就會發生嚴重的侵襲性曲霉病感染，煙曲霉分生孢子與Ⅱ型肺泡上皮細胞的相互作用在疾病進展中起重要作用［18］。Zhang等［19］用體外細胞模型比較了Ⅱ型肺上皮細胞在有無煙曲霉刺激下的蛋白質組學，表明煙曲霉感染后NDRG1表達上調，NDRG 1敲除后煙曲霉的內化效率顯著降低。這些結果表明煙曲霉促進NDRG1表達，影響肺上皮細胞代謝。

對A 549細胞感染不同宿主來源的A型流感病毒（包括人源性季節性流感A病毒H3N2、豬源性流感A病毒H 1N 1及禽源性流感A病毒H 3N 2）進行mRNA表達譜分析，并用RT-qPCR驗證，發現NDRG1具有差異表達［20］。A 549細胞感染H5N1病毒后發現，病毒蛋白可上調NDRG 1表達，NDRG1過表達釋放出約4倍的病毒粒子，而NDRG1敲除導致病毒表達下降。進一步研究表明，NDRG1下調IκB激酶β（inhibitor kappa B kinaseβ，IKKβ）誘導的干擾素β（interferonβ，IFN-β）和IL-8，提示NDRG1下調核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB），進一步抑制固有免疫，促進了A型流感病毒復制［21］。

與上述研究結果相反，豬繁殖與呼吸綜合征病毒（porcine reproductive and respiratory syndrome virus，PRRSV）感染會下調NDRG1表達，NDRG1缺乏可減少細胞內脂滴數量，并促進自噬，增加水解游離脂肪酸的產量，從而促進病毒RNA復制和子代病毒組裝。因此，NDRG1和脂質吞噬對于了解PRRSV的發病機制和開發新的治療方法具有重要意義［22］。EB病毒（Epstein-Barr virus，EBV）可編碼自己的microRNAs，然而其生物學作用仍不詳，通過對病毒miRNA陽性和陰性的差異表達基因進行篩選，發現多種EBV編碼的miRNA協同下調NDRG1，同時免疫組化分析顯示EBV陽性鼻咽癌組織中NDRG1表達水平明顯下調，NDRG1在其中發揮的作用有助于進一步闡明EBV介導的上皮癌變機制［23］。

膿毒癥相關性器官損傷在膿毒癥患者中有較高的發病率和死亡率，吸入2%氫氣可有效改善膿毒癥及相關器官損傷［24］。Jiang等［25］采用液相色譜-串聯質譜分析研究氫氣治療膿毒癥的相關蛋白質組學，發現氫氣通過下調NDRG1及其他基因的表達減輕膿毒癥小鼠的腸道損傷，但具體機制有待進一步研究。

NDRG1與慢性氣道炎性疾病慢性鼻-鼻竇炎是一種常見的上呼吸道疾病，盡管對其發病機制知之甚少，但越來越多的證據表明上皮物理屏障缺陷起著重要作用，而鼻上皮屏障功能受多種內外因素的調控，可由吸入性過敏原、微生物或病毒感染、細胞因子、缺氧或缺鋅等原因引起［26］。利用Affimetrix人類全基因組基因芯片進行微陣列分析，鑒定出NDRG1在上皮細胞屏障發育過程中被誘導表達，慢性鼻-鼻竇炎患者鼻組織纖毛上皮細胞中NDRG1高表達，杯狀細胞或受損上皮細胞中NDRG1低表達；NDRG1敲除通過降低連接蛋白claudin-9的表達，破壞氣道上皮細胞的緊密連接，提示NDRG1對氣道上皮細胞屏障的完整性起重要作用［27］。

NDRG1與肺損傷/急性呼吸窘迫綜合征危重患者對呼吸機誘導的肺損傷的敏感性不同，表明基因-環境相互作用可能促進個體的易感性。對小鼠進行大潮氣量通氣后肺泡毛細血管通透性的測定，發現NDRG1上調，但具體作用及機制尚不清楚［28］。脂毒素A 4（lipoxina4，LXA 4）通過促進肺上皮細胞上皮鈉通道（epithelial sodium channel，ENaC）的表達，減輕脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）誘導的急性肺損傷和急性呼吸窘迫綜合征［29］。Zhang等［30］將A 549細胞與LPS和LXA 4共同孵育，對A 549細胞進行轉錄組測序，發現NDRG1在LXA 4中呈劑量依賴性升高，NDRG1敲除抑制LPS處理的A 549細胞活力，而磷脂酰肌醇3激酶（phosphatidylinositol 3 kinase，PI3K）抑制劑LY 294002可抑制NDRG1和ENaC-α的表達以及SGK 1的磷酸化，提示NDRG1通過介導PI3K信號通路恢復ENaC的表達，從而在LPS誘導的A 549細胞損傷中發揮保護作用。

缺氧誘導信號通路參與高原環境適應性調節等多種病理過程，NDRG1具有較強的缺氧應激反應功能［31］，可能在缺氧相關疾病中發揮重要作用。Grigoryev等［32］將C57BL/6J小 鼠 置 于 缺 氧 室 中10 h，通過與常氧對照組差異基因篩選發現NDRG1在缺氧小鼠中表達上調，提示NDRG1在小鼠低氧過程中可能具有一定功能。NDRG 1在缺氧的原代人類滋養層中表達增加，NDRG 1基因敲除的胚胎生長受限，隨著缺氧暴露，NDRG1缺乏導致載脂蛋白A 2、A 4、A 5、C2和C4表達減少，表明NDRG1通過調節脂蛋白代謝參與缺氧損傷［33］。

NDRG1與肺部腫瘤NDRG1是一種已知的多發性腫瘤轉移抑制因子，其在惡性腫瘤中的作用尚未完全闡明。既往研究發現NDRG在多種惡性腫瘤中呈高表達，促進腫瘤進展（包括肺癌）。Wang等［34］發現，肺癌患者血清NDRG1水平明顯高于健康對照組。在肺組織中，與癌旁正常組織相比，肺癌組織中NDRG1表達明顯增加［34-37］，肺腺癌的NDRG1水平明顯高于肺鱗癌［34］，且NDRG1基因表達水平不隨端粒狀態改變［38］。預后分析顯示NDRG1高表達預后差，提示NDRG1是非小細胞肺癌預后不良的預測指標［36，39］。

缺氧誘導信號通路參與腫瘤發生的多種病理過程。雖然NDRG1對缺氧的反應研究較多，但是對于NDRG1的具體調控機制研究較少。Wang等［40］研究發現，低氧誘導因子1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）可以結合NDRG1啟動子的-1202到-450區域，激活NDRG1表達，提示了NGRG1在缺氧應激反應中的作用機制。地高辛可通過抑制HIF-1α的合成，在轉錄水平下調缺氧誘導的NDRG1過表達［41］。Cangul等［42］發現，HIF-1非依賴性通路參與慢性低氧時該基因的調控。下調V-Ets骨髓成紅細胞增多癥病毒E26癌基因同源物1（recombinant V-Ets erythroblastosis virus E26

oncogene homolog 1，ETS1）抑制NDRG1的表達，表明ETS1與HIF-1共同參與調節低氧誘導基因［43］。職業性接觸鎳化合物與肺癌有關，Tchou-Wong等［44］研究表明，鎳暴露增加了A 549細胞中NDRG1啟動子和編碼區H 3K 4的三甲基化水平，為鎳化合物致癌性的表觀遺傳機制提供了新的思路。轉移性肺癌在肺腺癌患者中很常見，但其分子機制尚未完全闡明，miRNA可促進腫瘤發生發展，其中miR-576-3p在晚期肺腺癌顯著降低，SGK1是miR-576-3p的直接靶點，對miR-576-3p水平的調節導致SGK 1水平改變及其下游靶點NDRG 1的活化改變，從而調控肺腺癌的遷移和侵襲［45］。長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）在小細胞肺癌中的研究很少。Zeng等［46］首次證明Linc00173與小細胞肺癌的進展相關，Linc00173通過miRNA-218作為競爭性內源性RNA上調酪氨酸激酶，進而NDRG1上調，β-catenin易位，促進小細胞肺癌進展。染色質重塑蛋白家族CW型鋅指結構蛋白2（microrchidia family CW-type zinc finger 2，

MORC2）是一種新發現的染色質重塑蛋白，MORC2過表達抑制NDRG1啟動子的活性，介導體內結直腸癌細胞的肺轉移［47］。

針對NDRG1的下游信號通路，研究發現NDRG1基因沉默后凋亡前蛋白BAX增加，抗凋亡蛋白Bcl-2和Bclx減少，導致線粒體損傷，線粒體膜電位被破壞，通過有效降低葡萄糖攝取、乳酸輸出阻斷缺氧導致的有氧糖酵解［48］，這項研究為NDRG1在肺癌中的促增殖和抗凋亡機制帶來啟示。腫瘤起始細胞（tumor initiating cell，TIC）在多種腫瘤發生發展中起重要作用，但作用機制仍不清楚。研究發現NDRG1可促進非小細胞肺癌中TIC的干細胞樣特性，包括誘導多能干細胞因子、成球能力和致瘤性，其機制為NDRG1直接與細胞S期激酶相關蛋白2（sphase kinase associated protein 2，Skp2）相互作用，通過周期蛋白依賴性激酶2（cyclindependent kinases，CDK2）失活降低Skp2的磷酸化，阻止C-myc降解［49］。多種惡性腫瘤都與血管生成的調節受損有關，其中血管內皮生長因子A（vascular endothelial growth factor A，VEGF-A）是一個關鍵的調節因子。Kosuke等［50］發現腫瘤血管內皮細胞中NDRG1缺乏阻止了磷脂酶Cγ1和細胞外調節蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）1/2的激活，NDRG1通過其磷酸化位點與磷脂酶Cγ1形成復合物，從而降低VEGF-A誘導的血管生成，提示NDRG1在血管生成中的作用。

耐藥性是肺癌治療中一個嚴重的臨床問題，其中上皮細胞間質轉化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）過程在化療耐藥中起重要作用［51］。Hao等［52］利用蛋白質組學方法鑒定出耐藥肺癌細胞中NDRG 1顯著下調，NDRG 1下調使腫瘤細胞獲得EMT表型，對順鉑的耐藥性增加。另一項研究表明，順鉑顯著上調肺癌細胞中轉錄激活因子3（activating transcription factor 3，ATF3）、磷 酸 化P53和切割半胱天冬酶3的表達，但在順鉑存在下NDRG1過表達降低了這些蛋白的水平，表明NDRG1參與肺癌對順鉑的耐藥［53］。He等［54］發現，與藥物敏感細胞相比，耐藥肺癌細胞中NDRG1水平較低，表明NDRG1是肺癌順鉑耐藥過程中DNA損傷反應和缺氧相關細胞應激反應的重要調節因子。同樣，下調NDRG1表達增加了H441細胞對足葉乙甙誘導的凋亡的敏感性，抑制NDRG1表達的策略可能有助于靶向治療［55］。具有激活表皮生長因子受體突變功能的非小細胞肺癌中，參與糖代謝的基因組在高表達p-NDRG1的患者中富集，總生存率與p-NDRG1呈負相關，揭示了p-NDRG1與EGFR耐藥細胞代謝重編程之間的聯系［56］。

結語NDRG 1是一種廣泛表達且功能多樣的基因，目前認為NDRG1在呼吸系統疾病中的作用主要集中在肺部感染、慢性氣道炎性疾病、低氧相關疾病及肺部腫瘤等，NDRG1可能成為這些肺部疾病的有效治療靶點。

作者貢獻聲明李成偉 文獻復習，論文撰寫和修改。李圣青 論文構思和修改。

利益沖突聲明所有作者均聲明不存在利益沖突。