KIF11在肿瘤形成中作用机制及靶向的研究进展

综  述?
KIF11在肿瘤形成中作用机制及靶向的研究进展
张树泽1,俞泽元1,杜 鹏1,李 凡2,肖竞英2,杨含腾1,周辉年1,焦作义1
TheprogressoftargetedtherapyandmechanismofKIF11intumorigenesis
ZHANGShuze1,YUZeyuan1,DUPeng1,LIFan2,XIAOJingying2,YANGHanteng1,ZHOUHuinian1,JIAOZuoyi11LanzhouUniversitySecondHospital,GansuLanzhou730030,China;2SecondClinicalMedicalCollege,LanzhouUniversity,GansuLanzhou730030,China.
【Abstract】Kinesinfamilymember11(KIF11),thespindlekinetinencodedbykinesin-5gene,isoneofthemem
bersofcelldivisionkinetinfamily,whichpartici
patesintheformationofbipolarmitoticspindleduringcelldivision.
Ithasbeenfoundthatthesekinesinsarewidelyexpressedandplayanimportantroleincelldivisionandintracellular
transport.Becauseoftheirimportantbiologicalfunctionsincelldivision,theyarecloselyrelatedtotheformationof
tumorsandareprognosticfactorsforavarietyofmalignanttumors.Therefore,KIF11hasbecomeanewtargetoftumor
targetedtherapy.ThispapersummarizestheresearchprogressofKIF11inrecentyears,focusingontherelationship
betweenitsstructure,biologicalfunctionandtumorandtargetedtherapy.
【Keywords】KIF11,celldivision,targetedtherapy
ModernOncology2021,29(06):1049-1054
【指示性摘要】驱动蛋白超家族成员11(kinesinfamilymember11,KIF11)即驱动蛋白Eg5(kinesin-5)基因编
码的纺锤体运动蛋白,是细胞分裂驱动蛋白家族的成员之一,在细胞分裂过程中参与双极有丝分裂纺锤体的
形成。研究发现这类运动蛋白广泛表达,在细胞分裂和细胞内运输中发挥重要作用,这类微管相关驱动蛋
白,由于其在细胞分裂中的重要生物学功能,其与肿瘤的形成关系密切,是多种恶性肿瘤的预后因子。因此索拉非尼
KIF11也成为肿瘤靶向的新靶点。本文总结了近年来对KIF11的研究进展,重点综述其结构、生物学功
pxe
能与肿瘤的关系及靶向。
【关键词】KIF11;细胞分裂;肿瘤靶向
【中图分类号】R730.5   【文献标识码】A   DOI:10.3969/j.issn.1672-4992.2021.06.032
【文章编号】1672-4992-(2021)06-1049-06
  有丝分裂是真核生物中一个重要的生命现象,为了保证有丝分裂的准确性和频率,真核细胞已经进化出复杂而严密的调控机制,这些调控机制的核心是有丝分裂纺锤体,其是一种由微管、依赖于微管的驱动蛋白(如动力蛋白和驱动蛋白家族蛋白)和非运动微管结合蛋白组成[1-2]。微管作为双极有丝分裂纺锤体的关键结构,对其组装和维护至关重要[3-4]。而微管结合蛋白,特别是驱动蛋白,对纺锤体的完整性也是必不可少的[5-7]。有研究表明,在细胞分裂的过程中,有一部分驱动蛋白发挥着重要的作用,其作用包括纺锤
【收稿日期】 2020-03-10
【修稿日期】 2020-05-11
【基金项目】 甘肃省青年科技基金项目(编号:18JR3RA330)
【作者单位】 1兰州大学第二医院,甘肃 兰州 730030
2兰州大学第二临床医学院,甘肃 兰州 730030【作者简介】 张树泽(1988-),男,甘肃兰州人,主治医师,主要从事消化系统肿瘤研究。E-mail:zhangshuze_07@126.
com
【通讯作者】 焦作义(1977-),男,甘肃兰州人,主任医师,博士研究生导师,主要从事消化系统肿瘤研究。E-mail:
jiaozuy@126.com体双极性的建立、染体排列和胞质分裂;这些过程都依赖于驱动蛋白的协同作用[8-9]。这类驱动蛋白根据序列相似性,其被分成十几个亚家族[10-11]。KIF11又称为运动蛋白纺锤体蛋白,是驱动蛋白家族的成员之一,在纺锤体双极性的形成中起着关键作用[12-13]。最近在植物中的研究也发现,KIF11也参与纺锤体组织、染体分离和胞质分裂,细胞增殖[14-17]。在哺乳动物细胞中,KIF11的过度表达可导致细胞分裂异常和基因组不稳定,这与肿瘤发生关系密切[17-18]。本文综述了KIF11的结构、生物学功能、生物学功能与肿瘤的关系及靶向。
1 KIF11结构、细胞内定位
KIF11基因定位在10q24.1,基因组全长6216kb,包含22个外显子,其编码由1057个氨基酸序列组成的KIF11蛋白质,其结构在多个物种之间是保守的,KIF11主要由运动结构域、内部茎结构域和尾部结构域组成。其单体N端320个氨基酸残基区是运力结构域,通过分解ATP获得能量,沿微管运动,ATP酶活性和微管结合特性都是由KIF11的运动结构域来实现的[19]。二级结构由8个正面β片段、3个侧面β片段和6个α螺旋结构组成。细胞内KIF11蛋白通过茎段结构域之间的相互作用形成双极性同四聚体复合物,从而在
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现代肿瘤医学 2021年03月 第29卷第06期  MODERNONCOLOGY,Mar 2021,VOL 29,No 06
四聚体的每一端定位两个运动结构域[12]
。四聚体可以同时
向两个反平行微管的正末端移动,这种移动将反平行微管推向相反的方向,促进细胞分裂
[20]
。然而,非运动的茎和尾结
构域也是蛋白质交联微管和滑动分离反平行微管所必要的,此外,KIF11的尾部结构域有助于其在有丝分裂过程中的定
位,并增强其与微管的结合[
21]
。在真核生物中,KIF11在细胞内的定位因物种而异。研究发现,在果蝇细胞中,KIF11沿梭形微管均匀分布。在非洲爪蟾细胞中,
KIF11在纺锤体周围富集,这是由驱动蛋白依赖性引起的定位模式[22]
。最近研究表明,早期KIF11的定位依赖于微管核因子TPX2[23-24]。在小鼠中,KIF11在卵母细
胞和早期胚胎中的纺锤体形成中起关系作用,在前生殖细胞(精原细胞和精母细胞)中表达,对细胞分裂、增殖十分重
要[25]
。研究也显示,在秀丽隐杆线虫中,KIF11主要在受精
胚胎的两性生殖系中表达,受精后,其定位随细胞周期而发生变化,在细胞分裂早期,KIF11开始出现与微管相互作用起动细胞周期,在中期,KIF11在纺锤体及微管上富集,在后期,KIF11定位于中央纺锤体,而在末期,KIF11定位于中心体,在人体细胞中也与其相似[26]
2 KIF11的生物学功能
研究已证实,KIF11的生物学功能主要是参与细胞的有丝分裂,其机制为以四聚体为结构特性反向平行与微管中央区相连,由于其有ATP酶的特性,其分解ATP获得能量,沿微管向正极运动,
运动产生的反方向作用力推动纺锤体向两极的分离,后通过动力微管牵拉染单体向两极分离,最终完成细胞有丝分裂
[19]
。然而,越来越多的研究证据表明,
KIF11的定位和功能活性受翻译后修饰的调节,其功能的完成主要依靠磷酸化来实现。研究发现,人KIF11尾部926位的苏氨酸可被细胞周期蛋白依赖性激酶1(Cdk1)磷酸化,这种修饰对KIF11与微管的相互作用及其在纺锤体上的定位十分重要。此外,位于1033位的丝氨酸,也在人KIF11的尾部结构域中,被Nek6/7磷酸化有助于其定位在纺锤体上。但在KIF11的尾部结构域中,还不清楚KIF11的运动结构域是否需要磷酸化,以及这种磷酸化是否参与KIF11定位、生物学活性的调节,并且仍不清楚其在主轴装配和维护中起作用。最近的研究表明,位于运动区α2螺旋的146位赖氨酸
的KIF11乙酰化可增强其机械化学耦合作用,并可改变其有丝分裂的功能。此外,据报道src可使人KIF11运动区的三个酪氨酸磷酸化,但调控分子机制及其意义尚不清楚
[27-34]
鉴于KIF11在细胞有丝分裂过程中起着至关重要的作用,通过对K
IF11结构和功能的调控可能有助于深入了解细胞分裂的分子机制,并通过探索KIF11的调节可能为恶性肿瘤和其他疾病的发病机制提供新的理论,从而提高诊断和水
平[35-39]
真核生物中,KIF11的核心生物学功能相似,在动物、植物和真菌中,KIF11形成四聚体,对纺锤体双极性的形成起重要作用。此外,研究还发现稳定的KIF11二聚体在体外也可以促进微管聚合
[40]
。在细胞有丝分裂过程中,KIF11的重要
性已在多种细胞实验中得到了验证。研究也显示KIF11表达的缺失或减少或活性被抑制可导致单极纺锤体的形成,导
致纺锤体卡控点的激活,随后细胞的分裂被阻断[41-42]
KIF11的核心功能是在有丝分裂过程中分离反向平行的微管,KIF11受损时单极纺锤体的形成直接影响细胞分裂,这也
是一个细胞生物学界的共识。在哺乳动物细胞中,KIF11的过度表达可导致细胞分裂异常和基因组不稳定,这与肿瘤发
生关系密切[18]
3 KIF11与肿瘤的关系
KIF11与肿瘤的关系已明确,在乳腺癌中,KIF11是其发
生发展的关键基因,其高表达与患者预后不良相关[43-44]
其机制与内源性KIF11通过激活Wnt/β-catenin信号通路增强乳腺癌细胞的自我更新,并增强乳腺癌干细胞的生物学
功能[17]
。研究也显示,KIF11表达与肾透明细胞癌的不良预后相关,其可作为肾透明细胞癌的预后指标[
45]
。在呼吸系统肿瘤中,KIF11表达与肺癌患者的生存期密切相关,其也可
作为肺癌的靶向分子[
46-47]
。KIF11是参与细胞分裂的重要分子,并在胃癌进展中发挥着重要作用,其异常表达可致染体不稳定,细胞分裂增殖异常,进而形成肿瘤,在肠
癌、肝癌等中均有类似的发现[48-50]
在女性生殖系统肿瘤
中,KIF11也是子宫癌及卵巢癌的预后标志物,靶向干预也有
一定的疗效[51-52]。有研究发现4-苄基-5-苯基-3,4-
二氢嘧啶-2(1H)-硫酮及其吡啶生物异酯通过抑制KIF11运动蛋白活性而破坏双极纺锤体形成发挥抗增殖活性,这也
是靶向肿瘤的一种方式[53]。在未来肿瘤中,KIF11
可能成为又一重要的肿瘤靶点。4 KIF11靶向肿瘤的研究进展
研究已证实,抗癌药物对癌细胞有丝分裂的干预是最有效的肿瘤化疗方法之一,有丝分裂特异性运动蛋白KIF11是研发此类新抗有丝分裂药物的一个很有潜力的抗癌靶点,因为KIF11在有丝分裂过程中是必需的,参与纺锤体的形成和
微管结合,而在静止的非分裂细胞中没有作用[54-55]。由于
KIF11在肿瘤发生过程中起着至关重要的作用,其也是一些肿瘤学学者关注的热点,研究已发现其在多种人类癌组织中高表达,因此,这类蛋白质被认为是癌症的一个很有潜
力的新靶点[56-59]
。有学者在小鼠实验中发现,许多抑制
KIF11活性的小分子化合物可抑制小鼠体内癌细胞的分裂,诱导其凋亡,能有效地抑制肿瘤生长,此外,一些K
IF11抑制剂作为潜在的抗癌药物已用于临床试验中[60],并在使用
KIF11抑制剂靶向肿瘤的实验中取得了较好的疗
效[
61-64]
。目前,已有许多学者对KIF11与肿瘤的关系及靶向进行了研究,涉及全身多个系统:(1)呼吸系统,LUM等对喉癌组织中KIF11表达检测分析发现,KIF11是一种喉癌患者的预后标志物,并提出了靶向干预KIF11喉癌的理
念[
65]
。研究也显示,KIF11表达可预测晚期非小细胞肺癌患者对抗有丝分裂药物(如秋水仙碱,紫杉醇)联合铂类化疗药
的疗效[66]
。目前,针对KIF11,应用仿高密度脂蛋白肽磷脂
纳米粒给予肺癌患者个体化的肿瘤特异性RNA干扰靶向治
疗,也是晚期肺癌患者的一种新的选择[67]。研究还发
现,通过靶向药依托泊苷,拓扑替康及BCL-2/BCL-XL抑制剂靶向干预KIF11对小细胞肺癌也有一定的抑制作
用[68]。(2)消化系统,在口腔癌患者中,KIF11的异常表达与
预后不良密切相关,并通过将siRNAs转染口腔癌细胞或用KIF11抑制剂(SB743921)细胞来抑制KIF11的表达显著抑制肿瘤细胞增殖,提示KIF11也是口腔癌的一个潜在的
预后标志物及靶点[69]
。在胃癌中,KIF11抑制剂
KIF20A抗体有抑制肿瘤生长的作用,被认为KIF11也是胃
·0501·张树泽,等  KIF11在肿瘤形成中作用机制及靶向的研究进展
癌靶向药物干预的潜在分子靶点[70]。有学者发现,食管癌和大肠癌细胞行RNA干扰可影响KIF11的表达,并影响细胞分裂[49]。也有研究显示,KIF11抑制剂(SRI35566)也可作为靶向药有抑制肠癌进展的作用[71]。KIF11的异常表达与HCC的进展和预后密切相关,其也是HCC的预后和性生物标志物[50]。研究显示,通过RNA干扰Huh7肝癌细胞系KIF11可发挥抗肿瘤作用[72]。另外,在胰腺细胞中KIF11的过度表达导致多极纺锤体的形成,这种异常纺锤体也是导致胰腺细胞恶变的主要因素[18]。研究已证实,二甲基烯雌酮抑制KIF11阻止有丝分裂进程和诱导细胞凋亡,可有效地抑制胰腺癌生长[73]。(3)泌尿生殖系统,在紫杉醇前列腺癌的临床研究中发现,KIF11的异常表达是肿瘤侵袭性的独立预测指标[74],KIF11是一个潜在的前列腺癌靶点[75]。研究还发现,KIF11的高表达与膀胱癌的低分化相关,也是膀胱癌复发的预测指标[56]。用KIF11抑制剂S-甲氧基三苯基-L-半胱氨酸S(MeO)TLC吉西他滨耐药膀胱癌也有效[76]。
动物实验研究发现,在裸鼠皮下移植的人类泌尿系肿瘤移行细胞癌模型中,用细胞周期抑制剂抑制KIF11也有一定抑癌作用[77]。通过MTX结合多聚体与KIF11RNA干扰联合应用,可提高荷瘤小鼠的抗肿瘤能力,使其无进展生存率高达50%[78]。研究发现,KIF11表达与肾癌恶化密切相关[79],使用S-甲氧基三苯基-L-半胱氨酸[S(MeO)TLC]作为抑制剂靶向干预肾癌KIF11,抑瘤效果显著,S(MeO)TLC是一种有效的KIF11抑制剂,也可作为肾癌的一种靶向药[80]。在神经系统,有研究显示KIF11的过度表达与高级别星形细胞肿瘤及神经胶质瘤相关,在星形细胞肿瘤分级和预测患者预后方面也是一个诊断和预后因素[58]。新型螺环1,3,4-噻二唑啉作为驱动蛋白的抑制剂,有抑制神经系统肿瘤生长的作用[63]。(4)其他系统,研究显示,对人乳腺癌细胞株MDA-MB-231/IMP1行KIF11基因敲除可使肿瘤细胞侵袭能力下降70%[81]。KIF11在胸腺上皮癌组织中异常表达也是一种预后差的指标,其也可作为胸腺肿瘤的靶点[82]。总结见表1。
表1 KIF11靶向的研究现状
Tab.1 ResearchstatusofKIF11targetedtherapy
TumortypeTargetedtherapeutic
mechanismofKIF11
Intervene
Effect
evaluation
References
Respiratorysystem
 LungcarcinomaTheformationandseparationofbipolarspindle
canbeaffectedbyKIF11thatitcanprevent
高世宝
celldivisionandproliferation
Highdensitylipopeptidephospholipid
nanoparticles,etoposide,topotecanand
Bcl-2/Bcl-xLinhibitors,etc
Effective[67-68]
熊事件
Digestivesystem
 OralcarcinomaTheformationandseparationofbipolarspindle
canbeaffectedbyKIF11thatitcanprevent
celldivisionandproliferation
RNAinterferenceandKIF11complex
inhibitor(SB743921)
Effective[69]
 GastriccarcinomaTheformationandseparationofbipolarspindle
canbeaffectedbyKIF11thatitcanprevent
celldivisionandproliferation
AntibodytoKIF20a,aninhibitor
ofKIF11
Effective[70]
 ColorectalcarcinomaTheformationandseparationofbipolarspindle
canbeaffectedbyKIF11thatitcanprevent
celldivisionandproliferation
KIF11inhibitor(SRI35566)Effective[71]
 LivercarcinomaTheformationandseparationofbipolarspindle
canbeaffectedbyKIF11thatitcanprevent
celldivisionandproliferation
RNAinterferenceEffective[72]
 PancreaticcarcinomaTheformationandseparationofbipolarspindle
canbeaffectedbyKIF11thatitcanpreventcell
divisionandproliferation,andinduceapoptosis
Dimethylestrone,aninhibitorofKIF11Effective[73]
Urinarysystem
 RenalcarcinomaTheformationandseparationofbipolarspindle
canbeaffectedbyKIF11thatitcanpreventcell
divisionandproliferation
KIF11inhibitor[S(MeO)TLC]Effective[80]
 BladdercarcinomaTheformationandseparationofbipolarspindle
canbeaffectedbyKIF11thatitcanprevent
celldivisionandproliferation
KIF11inhibitor[S(MeO)TLC],
MTXbindingpolymerand
RNAinterference
Effective[76,78]
Nervoussystem
 GliomaTheformationofbipolarspindlecanbeaffectedby
KIF11thatitcanpreventcelldivisionand
proliferation
Anewinhibitorspiro-1,3,4-
thiadiazoline
Effective[58,63]
Other
 BreastcarcinomaTheformationandseparationofbipolarspindle
canbeaffectedbyKIF11thatitcanprevent
celldivisionandproliferation
KIF11geneknockoutinhuman
breastcancercelllineMDA-MB-231/
Imp1
Effective[81]
·
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现代肿瘤医学 2021年03月 第29卷第06期  MODERNONCOLOGY,Mar 2021,VOL 29,No 06
5 结论与展望
由于驱动蛋白超家族成员参与了肿瘤细胞内转运和细胞分裂过程中的关键功能,这些驱动蛋白的基因在大多数恶性肿瘤中高表达,但在正常组织器官中极少表达。其中运动蛋白家族成员11(KIF11)作为重要候选靶分子成为了学者们研究的热点。KIF11编码一种运动蛋白,属于驱动蛋白家族成员,目前已明确其参与细胞的有丝分裂。该基因产物的功能包括染体定位、中心体分离和细胞有丝分裂过程中双极纺锤体的建立。此外,KIF11在非有丝分裂细胞中的分泌蛋白从高尔基复合体向细胞表面的运输中也发挥作用。目前已发现KIF11在肺癌、胶质母细胞瘤、胃癌等多种人类肿瘤中均有表达,并已作为多种肿瘤诊断和靶点。因此,我们进一步对KIF11的研究报道资料进行了总结,并拟对其进一步研究,相信在未来肿瘤中,KIF11可能将成为肿瘤靶向的重要分子,并将研发出与KIF11相关的有效靶向药物。
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