CDK12和肿瘤相关性的研究进展范文

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《实用肿瘤》2018年第3期

[摘要]恶性肿瘤一般表现为细胞分裂不受控制的病理过程。细胞周期蛋白依赖性激酶（cyclin-dependentkinases，CDKs）是一类调节细胞周期进程和基因转录过程的关键因子。CDKs的功能失调能够驱动肿瘤的发生，因此常被检测用来指导恶性肿瘤的治疗。cdk12是一种参与包括DNA损伤修复、细胞生长和分化、前体mRNA剪接和处理加工等多种细胞进程的转录相关性激酶。近期研究发现，多种肿瘤中存在着CDK12基因突变和扩增现象，如在高级别浆液性卵巢癌中CDK12基因发生功能缺失性突变，提示CDK12可能是一种抑癌基因。然而，CDK12在某些肿瘤中过表达，表明CDK12还可能具有一些癌基因的特性。本文就CDK12基因的结构、功能以及与恶性肿瘤的关系等最新研究进展进行综述。

[关键词]肿瘤；细胞周期蛋白依赖激酶类；DNA修复；细胞周期；CDK12基因

细胞周期蛋白依赖性激酶（cyclin-dependentkinases，CDKs）是多种细胞周期进程的主要调节因子，它们被分为两大类：一类与细胞周期相关，如CDK1、CDK2、CDK4和CDK6，这些激酶直接调控细胞周期进程；另一类与基因转录相关，如CDK7、CDK8、CDK9、CDK11、CDK12和CDK13，主要调控基因的转录过程。研究发现，肿瘤细胞中CDKs功能常常失调，因此对于这些肿瘤而言，CDKs是很有前景的治疗靶标[1-2]。CDK12是一种与转录相关的CDK，它的主要作用是磷酸化RNA聚合酶Ⅱ的C末端结构域（C-terminaldomain，CTD），同时也在DNA损伤修复、mRNA剪接、细胞生长和分化过程中发挥重要作用[3]。已有研究发现，多种恶性肿瘤中存在CDK12基因突变及过表达，随之开发出2种不同的CDK12抑制剂，这对于研究CDK12的生理功能很有帮助[4-5]。因此可以认为，CDK12是一种重要的转录因子，参与细胞周期的调控、前体mRNA的剪接及DNA的损伤修复等过程，其基因突变与肿瘤的发生密切相关。本文即对CDK12基因的基本特点以及与肿瘤相关的研究现状进行综述。

1CDK12基因的结构

CDK12是一种转录相关性激酶，该基因定位于17号染色体长臂1区2带，由14个外显子组成。CDK12曾被描述为富含精氨酸/丝氨酸（arginine/serine-rich，RS）结构域的Cdc2相关激酶（Cdc2-relatedkinasewithRSdomain，CrkRS）。CrkRS由1490个氨基酸组成，拥有一个来自SR蛋白家族的激酶域，它富含脯氨酸和丝氨酸，是一种典型的剪接因子，参与RNA的加工[6]。随后，cyclinL1和cyclinL2被发现是CDK12相关的细胞周期蛋白，因此CrkRS又被重命名为CDK12[7]。已有研究表明，cyclinK/CDK12复合体具有磷酸化RNA聚合酶ⅡCTD的能力，CDK12也因此被确认是一种CTD激酶[8]。有研究者利用质谱分析和免疫共沉淀法，在哺乳动物细胞中进一步证实了cyclinK与CDK12的关系[9-10]。另有研究显示，cyclinK/CDK12复合体分子结构的排列方式类似于CDK9/cyclinT等转录相关激酶，而不同于细胞周期相关激酶[11]。因此，进一步阐明CDK12的微观结构将为研制其抑制剂，探索其功能，以及寻求新的药物靶点带来新的希望。2CDK12的调控机制CDK12是一种转录相关激酶，该激酶在维持整个基因组的稳定性方面发挥非常重要的作用，主要表现为以下几个方面：基因的转录调节、RNA的剪接处理和DNA的损伤修复等。

2.1基因转录调节

CDK12具有磷酸化RNA聚合酶CTD的能力，并在调控基因表达方面扮演重要角色。与CDK9相似，CDK12是一种与转录延长相关的激酶，其主要功能是帮助RNA聚合酶Ⅱ转录复合物从停顿位点释放[8,12]。在人结肠癌细胞HCT116中，通过RNA干扰技术沉默CDK12基因，可使RNA聚合酶CTD的磷酸化水平下降，并使DNA损伤修复相关基因的表达下调[9]。有研究提示，CDK12是一种促进特定基因转录的激酶，主要影响DNA损伤修复相关基因[13]。然而也有研究认为，CDK12在影响DNA损伤修复相关基因表达的同时，也对超级增强子的表达有一定的调控作用[14]，但这一假设还需要更多的实验结果来证实。另一方面，CDK12主要磷酸化的位置是RNA聚合酶CTD的苏氨酸2号位点（Ser2）[5]。目前研究认为，CDK12主要在转录延长和终止阶段发挥作用。而转录延长和终止是基因表达的重要调控步骤，这些过程的失调可能会改变肿瘤抑制基因或癌基因的表达水平，从而导致肿瘤发生。总体而言，CDK12在转录调控方面的确切机制尚不完全清楚。

2.2RNA剪接功能

如前所述，CDK12包含RS结构域，此结构域是一种典型的RNA剪接因子，间接说明CDK12具有RNA剪接功能[6]。多项研究通过光谱分析，独立证明了CDK12具有经典的拼接装置，而且观察到CDK12缺失会导致丝氨酸/精氨酸富集剪接因子的功能失调，进一步证明CDK12参与了RNA的剪接过程[12,15-16]。然而，这些关联尚没有得到免疫共沉淀法的进一步确认。除了与剪接因子的关系，CDK12也被证实其外显子连接复合物能与RNA结合蛋白一起形成免疫沉淀蛋白[16]。TIEN等[17]用免疫共沉淀法及质谱法检测了CDK12与剪接体组件和剪接调控因子的相互作用，发现CDK12能够调控外显子末端剪接，而且具有基因和细胞特异性；另外，他们应用乳腺癌细胞系进行研究，观察到CDK12扩增会导致外显子剪接基因功能的失调，从而促进肿瘤的发生。因此，目前虽然已经能够明确CDK12参与RNA的剪接过程，但其具体的作用机制仍需要进一步探索。

2.3DNA损伤修复

目前可以明确的是，CDK12在DNA损伤修复这一过程中扮演着非常重要的角色，它主要是通过影响DNA损伤同源重组（homologousrecombination，HR）修复过程中相关基因的表达来发挥作用[4,9,18]。因此，沉默或敲除CDK12基因可能会造成内源性DNA损伤的增加[9]。另外，CDK12抑制剂的应用也能降低DNA损伤修复相关基因的表达[5]。同时，CDK12表达下调不仅会引起自发的细胞死亡，而且会增加相关细胞对各种DNA损伤药物的敏感性，如依托泊苷、丝裂霉素C、喜树碱和顺铂等[19]。研究发现，CDK12基因缺陷使得相关肿瘤细胞对聚（ADP-核糖）聚合酶1/2[poly（ADP-ribose）polymerase1/2，PARP1/2]抑制剂的敏感性升高，这提示CDK12基因是一个很有潜力的癌症治疗靶点[4,19-20]。

3CDK12基因与恶性肿瘤的关系

3.1卵巢癌

基因的不稳定性是各种恶性肿瘤的典型特点。DNA损伤修复相关基因的突变往往导致DNA损伤累积，从而驱动癌症形成。另一方面，DNA修复机制的缺陷也会造成基因突变的累积，从而加速肿瘤的转化和进展[21]。研究发现，HR缺陷和基因不稳定出现在大约50%的高级别浆液性卵巢癌（high-gradeserousovariancarcinoma，HGSOC）中，但在这些患者中大约只有20%的乳腺癌易感基因1/2（breastcancersusceptibilitygene1/2，BRCA1/2）发生突变，提示在缺乏BRCA1/2基因突变的HGSOC中有其他机制导致了HR缺陷[19]。CDK12也是HGSOC中最常见的突变基因之一，它的突变概率约为3%[22]。有研究指出，CDK12基因突变是发生在CDK12激酶域的功能缺失突变，使得CDK12失去了磷酸化RNA聚合酶CTD以及与cyclinK结合的能力，导致CDK12无法在细胞DNA损伤的HR修复中发挥作用[18]。最近有2项研究指出，在卵巢癌患者的肿瘤标本中发现BRCA1/2与CDK12是互斥的[23-24]，表明BRCA1和CDK12可能参与同一通路的调节，而且提示CDK12能够调控BRCA1和其他DNA损伤修复相关基因的表达。基于以上证据，CDK12在卵巢癌中被认为是一种抑癌基因。

3.2乳腺癌

除了卵巢癌，也有几项研究证明了CDK12在乳腺癌中的调节作用。三阴性乳腺癌（triple-negativebreastcancer，TNBC）标本包含的基因突变情况与卵巢癌类似，它们都易发生DNA损伤修复相关基因的突变，从而造成基因的不稳定。高频突变基因包括p53（80%）和BRCA1（30%），而CDK12在TNBC患者中突变概率大约为1.5%；另外，伴有HR相关基因（包括CDK12）缺陷的TNBC患者可能从PARP1/2抑制剂的治疗中获益[25-26]。临床上有相当一部分乳腺癌患者的肿瘤细胞过表达雌激素受体（estrogenreceptor，ER），常应用ER拮抗剂如他莫昔芬来抑制肿瘤的生长。然而有研究表明，CDK12基因沉默会改变ER阳性乳腺癌细胞对他莫昔芬的敏感性[27]。这可能是由于CDK12表达下调激活了丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activatedproteinkinase，MAPK）信号通路，从而导致乳腺癌细胞丧失了对ER拮抗剂的敏感性，最终导致耐药的发生[27]。人类表皮生长因子受体2（humanepidermalgrowthfactorreceptor2，HER2）是一种致癌基因，能够促进肿瘤细胞增殖，抑制细胞凋亡。对于HER2基因扩增的乳腺癌患者，一般采用靶向HER2基因的药物治疗，包括曲妥珠单抗、帕妥珠单抗和拉帕替尼等[25]。MERTINS等[28]分析了HER2扩增的乳腺癌标本的蛋白质组学结果，发现CDK12mRNA及蛋白表达水平和CDK12的磷酸化水平是一致的。虽然CDK12的阳性表达率与HER2的阳性率成正相关，但前者并非是影响HER2阳性乳腺癌患者生存的独立预后因子；而CDK12的表达缺失却与TNBC显著相关[29]。越来越多的研究发现，乳腺癌中存在CDK12基因扩增和功能性缺失突变。CDK12的功能缺失突变会导致基因不稳定，同时存在CDK12基因突变的乳腺癌患者也可能对PARP1/2抑制剂更敏感，因此CDK12可以作为一个新的有前景的乳腺癌治疗靶点。

4CDK12抑制剂

具有潜在抗肿瘤特性的多种CDK抑制剂已经被应用于各种临床试验。除了一些泛抑制剂（如flavopiridol和roscovitine）外，目前已开发出了一些特异性靶向细胞周期或基因转录过程的CDK12抑制剂[1,30]。考虑到CDK12在多种细胞过程中扮演着重要角色，而且在多种肿瘤中存在CDK12基因突变和过表达的现象，因此对于癌症治疗来说，使用CDK12抑制剂可能是一种有效的策略。最近有研究人员开发出了2种不同化学结构和作用范围的CDK12抑制剂。其中，dinaciclib（SCH727965）开始被认为是一种潜在的CDK1、CDK2、CDK5和CDK9抑制剂，对多种肿瘤细胞的增殖具有抑制作用[31]。2016年JOHNSON等[4]发现，dinaciclib也能潜在抑制CDK12表达或活性，应用dinaciclib能起到沉默CDK12基因的效果，使HR相关基因表达下调，同时抑制RNA聚合酶CTDSer2位点的磷酸化。这些现象表明，dinaciclin能发挥CDK12抑制剂的作用。同时，BRCA1野生型细胞系在用dinaciclib处理后，HR通路受损，进而提高细胞对PARP1/2抑制剂的敏感性；更重要的是，应用PARP1/2抑制剂联合CDK12抑制剂能够显著抑制患者来源性异种移植瘤（patient-derivedxenografts，PDX）模型中肿瘤的生长[4]。这些发现预示，CDK12抑制剂也许能用来治疗对PARP1/2抑制剂耐药的肿瘤，使肿瘤细胞重新获得对PARP1/2抑制剂的敏感性[4,30,32]。TZH531是另一种选择性的CDK12/13抑制剂。TZH531能够和CDK12-cyclinK激酶域的半胱氨酸不可逆结合，它选择性抑制CDK12/13的效率是抑制CDK7/9的50倍[5]。在急性淋巴细胞白血病细胞系中，TZH531能够诱导细胞凋亡，抑制基因的转录延长，并引起DNA损伤修复和超级增强子相关基因的表达下调，存在一定的抗增殖效果[5]。然而THZ531究竟是靶向CDK12还是CDK13，从而产生上述生物学效果的，目前其具体机制尚不清楚。总之，CDK12抑制剂表现出了良好的抗癌效果，提示其单药或者联合PARP1/2抑制剂治疗肿瘤具有很好的应用前景。

5总结与展望

抑癌基因的缺失和致癌基因的激活是驱动肿瘤发生和发展的关键因素。目前已经有大量研究证实，肿瘤组织中CDK12基因存在突变和扩增现象。进一步的研究结果表明，CDK12在某些肿瘤中扮演着抑癌基因的作用，而在另一些肿瘤中又能促进癌症的发生和发展。如前所述，在HGSOC和TNBC中，CDK12已被证明是一种抑癌基因。同时，CDK12在DNA损伤修复相关基因表达及HR介导的DNA修复中发挥重要作用。CDK12的功能缺失易导致基因的不稳定，而基因不稳定是很多肿瘤的特征，也是肿瘤进展的重要标志。另一方面，CDK12基因的有些特性与致癌基因很相似。在HER2阳性的乳腺癌中，CDK12扩增及过表达与肿瘤的侵袭性成正相关，CDK12高表达的肿瘤更易进展[33]。在这些CDK12高表达的肿瘤中，CDK12高度激活，因此CDK12基因被认为是治疗HER2基因扩增型乳腺癌的药物作用靶点之一[28]。目前研发的CDK12抑制剂能够抑制肿瘤细胞的生长[5,34]，也进一步佐证了CDK12具有癌基因的某些特性。综上所述，CDK12可以作为一种抑癌基因，同时它的扩增或过表达又在某些基因转录引起的肿瘤细胞中发挥着致癌作用。另外，CDK12也是一个转录相关激酶，它对于基因转录、RNA剪接以及DNA损伤修复等过程都是必不可少的。虽然目前关于CDK12的研究已经广泛开展，但人们对其功能的理解还不够深入。笔者认为，今后应用细胞实验及小鼠模型，联合CDK12的特异性抑制剂及PARP1/2抑制剂，进行CDK12的后续功能及机制研究可能有更大价值，从而为治疗恶性肿瘤提供更多新的思路。

作者：汪浩；王丽丽；李鑫；侯定坤；徐子寒；董世强；王海涛