染色体结构维持蛋白(structural maintenance of chromosomes, SMC)家族是染色体腺苷三磷酸酶(ATPase)的主要组成部分(包括SMC1、SMC2、SMC3、SMC4、SMC5和SMC6),其从细菌到人类高度保守，常以二聚体的形式与各种调节亚基组装成复合体行使功能；在大多数细菌中以同源二聚体结构组成染色体ATPase的亚基，但在真核生物中常以异二聚体的形式存在[1]。SMC复合体不仅在染色体的聚集与分离中起着重要的作用，同时在DNA的复制及修复中也扮演着同样重要的角色，因此SMC复合体及其调控因子的异常可导致人类一系列疾病的发生(如免疫缺陷、肺损伤、Cornelia de Lange综合征、Coffin-Siris综合征及恶性肿瘤等[2,3])。

HIRANO T等人于1994年在非洲爪蟾的卵细胞中首次报道了XCAP-C/E基因，并发现该基因参与了细胞有丝分裂过程中染色体的凝聚[4]。后续研究证实XCAP-C/E基因是SMC4基因的同源性基因，同时SMC4参与构成了两种不同凝缩蛋白[5,6,7]。凝缩蛋白不仅参与细胞的复制、分裂等过程，其还在细胞的增值、分化以及肿瘤的发生和发展中起着重要的作用[8,9]。人类SMC4最初由NISHIWAKI T等人于1999年发现，它是一个由1 288个氨基酸组成的分子量约为147 kD的蛋白质，其编码基因被定位在染色体3q26.1上，cDNA全长为4 086 bp,同时SMC4与非洲爪蟾的XCAP-C/E基因以及酵母Cut3基因编码的蛋白高度同源(氨基酸同源性分别为77%和38%)[10]。据HPA数据库(https: //www.proteinatlas.org)显示，SMC4在人体所有组织中表达，但在生殖系统及免疫系统中明显高表达，这与以往关于SMC蛋白复合体及其调控因子在个体发育中作用的研究结果一致[2]。

早期研究发现SMC4的表达不仅与细胞周期密切相关(G0/G1及S期表达增高，G2/M期表达降低),还能加速细胞周期由G1期向S期转变，最终促进细胞增殖[8,11,12,13]。进一步探究证实以SMC4与SMC2为主要亚基组成的凝缩蛋白I/II在上述过程中起主要作用，这主要表现为在细胞分裂的早期周期蛋白依赖性激酶1(cyclin-dependent kinases 1,CDK1)介导SMC4的N端磷酸化和ATPase发生的ATP水解均可导致凝缩蛋白激活，同时ATP的水解促进凝缩蛋白两条链的ATPase区相互结合，这使凝缩蛋白的其中一端暂时与其亚基脱离而形成一个DNA链可以进入的缺口，待ATPase区失活并恢复原来结构后，DNA链便被凝缩蛋白捕获从而参与DNA复制；此外，活化的凝缩蛋白还参与了染色质的凝缩、姐妹染色单体的辨别和分离等过程[14,15,16,17,18]。目前研究发现在细胞分裂末期SMC4可能通过两种方式参与细胞周期的终止，其一是在双特异性蛋白磷酸酶CDC14的去磷酸化作用下导致凝缩蛋白与染色体分离，另一种则是在有丝分裂阻滞缺陷蛋白2和后期促进复合物/细胞周期体复合物共同作用下使凝缩蛋白的亚基SMC4降解[11,13]。最后，SMC4除在细胞周期中有重要作用外，还参与了多条信号通路的调控，近年研究发现其异常表达可能与多种疾病相关，尤其在肿瘤领域[19],而其在信号通路和疾病中的作用总结如下。

1、SMC4在信号通路中的作用

1.1 TGF-β/Smad通路

在神经系统中，转化生长因子β(transforming growth factorβ,TGFβ)家族从早期神经元的发生到后期神经功能的正常行使均发挥着重要的作用(如：细胞生长、突触发生及轴突引导等)[20]。SMC4在神经胶质瘤患者组织中高表达且与较差的预后相关，研究发现沉默SMC4基因能够通过抑制胶质瘤细胞由G1期向S期转变使其增殖减慢，同时还能抑制其迁移能力，而过表达SMC4基因则可显著激活TGF-β/Smad通路，表现为在过表达组可通过磷酸化激活TGF-β受体、Smad2/3蛋白并促进Smad2/3蛋白入核，同时还有基质金属蛋白酶家族(matrix metalloproteinases, MMPs)中MMP2和MMP9及与其相关的MYC基因表达的显著增加，其共同结果是促进细胞周期由G1期向S期转变、增加增殖和侵袭能力，而SMC4基因沉默组则表现为相反的作用[12]。此外SMC4的高表达还可以激活胶质细胞的上皮细胞-间充质转化(epithelial-mesenchymal transition, EMT)过程，表现为E钙黏蛋白(E-cadherin)表达的降低和N-钙黏蛋白(N-cadherin)、波形蛋白(Vimentin)的增加，从而增加细胞的迁移及侵袭能力[21]。尽管SMC4在神经胶质瘤的发展中通过TGF-β/Smad通路及EMT起着重要的作用，但其具体的调节过程仍需进一步研究。

1.2 JAK2/Stat3通路

研究发现在肝细胞癌(hepatocellular carcinoma, HCC)中两面神激酶2/信号传到及转录激活子3(JAK2/Stat3)通路的异常激活可促进HCC细胞EMT过程及迁移和侵袭能力[22,23,24]。同时在对SMC4的生物信息学研究及验证中发现其在HCC组织及细胞表达显著增高，SMC4的高表达不但促进了HCC细胞的增殖、侵袭和迁移能力，还参与肿瘤的分化、分期及血管侵犯过程[25,26,27]。进一步的研究发现，SMC4在缺氧诱导因子-1(hypoxia inducible factor-1,HIF-1)和microRNA-219的调节下参与了HCC的发生与发展。在缺氧条件下肝组织可产生HIF-1,由于HIF-1对miR-219的表达有抑制作用而对SMC4的表达起促进作用，同时miR-219可抑制SMC4的表达，这最终使SMC4在HCC组织中的表达增高，然后增高的SMC4不仅通过磷酸化激活了JAK2/Stat3通路，还促进了细胞周期(HCC细胞由G1向S期转变)和EMT过程(促进Vimentin、抑制E-cadherin),在上述过程的共同作用下促进了HCC的发生与发展[28,29]。虽然SMC4通过JAK2/Stat3通路参与了HCC的进展，而目前仅观察到其将JAK2蛋白和Stat3蛋白磷酸化激活，所以其具体过程仍需进一步阐明。

1.3 PI3K/Akt通路

FoxO1基因经PI3K/FoxO1途径参与了正常的子宫内膜周期，其表达的蛋白主要受到蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)的调节[30,31]。YAN Y等人的研究发现，在子宫内膜癌(endometrial carcinoma, EC)中，SMC4不但在EC组织和细胞中表达增高而且还通过与FoxO1基因作用参与了EC细胞的多种恶性生物学行为，这表现为在SMC4基因沉默后可间接激活Akt下游的p27蛋白，而以往的研究表明PI3K/Akt通路可能通过下调宫颈癌细胞p27来促进细胞周期进程并抑制凋亡，所以p27通过抑制细胞周期而降低EC细胞的增殖能力。SMC4基因沉默后还可通过下调B细胞淋巴瘤-2 (B-cell lymphoma-2,BCL-2)和上调Bax(BCL-2-associated X的蛋白质)使其凋亡增加；进一步探究其可能机制发现FoxO1蛋白发生磷酸化后会导致其功能失活，而FoxO1基因具有抑制EC细胞增殖的能力，同时发现CDK2和Akt能够直接将FoxO1磷酸化，并且它们的表达与SMC4的表达呈正相关，因此SMC4可能通过激活Akt间接抑制了p27和FoxO1基因的表达[32,33,34]。最后在其他人的研究中同样证实了SMC4能够促进CDK2的表达[29]。尽管SMC4通过FoxO1基因参与PI3K/Akt通路的研究较丰富，但还需要更多的研究来将其完善。

1.4 NF-κB通路

核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)通路不仅影响先天免疫的建立和炎症反应发生，在肿瘤的的发生与发展中也发挥着重要的作用[35],而SMC4在其中扮演着重要的角色；首先在小鼠免疫系统的发育过程中，SMC4通过NF-κB通路中的NF-κB必须调节蛋白相互作用而影响免疫系统的发育，其次在PM2.5对心血管系统和内皮细胞造成的炎症反应中，SMC4也可能通过NF-κB通路参与了上述过程[36,37];最后在肿瘤学领域，HE H等证实SMC4可通过NF-κB通路参与了宫颈癌(cervical cancer, CC)的恶性生物学行为，研究发现：在CC细胞中的SMC4基因被敲减后可出现NF-κB通路中磷酸化的p65与p65的比率降低而核因子κB的抑制蛋白α(inhibitor-κbindingα,IκBα)表达增加的现象，最终造成CC细胞的增殖、侵袭和迁移能力降低；而将SMC4基因在CC细胞中过表达后，不仅表现出相反的效果，还导致E-cadherin表达的降低、Vimentin和转录因子Snail的表达的增高，从而增强了EMT作用。进一步探究发现SMC4可能通过减少IκBα和增加核内p65的表达激活了NF-κB通路，还可能通过IκB激酶α调节p53共同参与了肿瘤的生物学行为[38]。但目前该通路研究较少，仍需进一步研究验证。

2、SMC4在疾病中的作用

2.1血液系统肿瘤

原发免疫性血小板减少症(primary immunologic thrombocytopenic purpura, ITP)是血液系统一种常见的良性病变，对其研究发现SMC4在缓解期的表达高于新诊断期，SMC4可能参与了ITP的良性转归过程[39]。同样SMC4在血液系统的恶性肿瘤白血病也有重要的作用，首先，在急性髓系白血病中SMC4的表达明显高于正常组织，其次在MLL基因异常导致的急性髓细胞白血病小鼠模型中，下调SMC4的表达不仅使骨髓中白血病干细胞显著降低和G0期细胞比例增加，还使p21、p27蛋白的表达显著增加和CDK4的表达降低，这最终使小鼠骨髓和脾脏中的肿瘤细胞减少而寿命延长[40]。同样在T细胞急性淋巴细胞白血病(T cell acute lymphoblastic leukemia, T-ALL)中，SMC4通过与NUP214-ABL1基因相互作用参与T-ALL细胞的增殖和患者的预后[41]。

2.2呼吸系统肿瘤

在一项关于鼻咽癌(nasopharyngeal carcinoma, NPC)危险因素的研究中发现SMC4不仅在NPC中表达增高，而且由于其ROC曲线 下方的面积大小(AUC)在2个数据库 中分别为0.961(95%CI:0.908～1.000;P<0.001)、1.000(95%CI:1.000～1.000;P=0.008),所以SMC4具有作为NPC诊断的潜在价值[42]。同时SMC4不仅被证实早期可促进肺发育，其表达随着肺发育的成熟而降低，还作为危险因素参与肺腺癌(lung adenocarcinoma, ADC)的发生和发展。ZHANG等研究发现SMC4不仅通过PlK1(polo-like kinase 1)及其下游细胞周期蛋白B1(cyclin B1)和CDK1促进了ADC细胞的周期和迁移，还通过与DDX46(DEAD-box helicase 46)相互作用参与了mRNA加工等过程，最终参与了ADC的恶性生物学行为[43,44]。

2.3消化系统肿瘤

SMC4基因在HCC细胞和组织中常被异常激活，并作为HIF-1下游靶点通过JAK2/Stat3通路参与了HCC的恶性生物学行为[25,26,27,29]。在胰腺癌中，SMC4在癌组织中表达也显著地高于正常组织，但由于目前相关研究欠缺，研究 者仅观察到SMC4高表达可造成患者较差的预后(5年生存率和总生存率均低于对照 组，且P值分别为P<001、P<0.000 1)[45,46]。同样地SMC4在结直肠癌(colorectal cancer, CRC)中也显著高表达并参与了CRC的发生和发展，而在SMC4基因敲除后，CRC细胞的增殖、侵袭以及抗凋亡能力显著被抑制[47]。进一步的研究发 现miRNA-124-5p和miRNA-6833-3p表达的降低可促进CRC的发展，然后它们均被证实是通过沉默SMC4基因抑制CRC的进展[48,49]。最后，SMC4可能还通过其他方式(如：通过组成凝缩蛋白[50])参与消化道肿瘤的发病，这需要我们进一步的研究去发现。

2.4生殖系统肿瘤

早期研究发现敲除HeLa细胞凝缩蛋白的SMC4亚基可抑制细胞有丝分裂过程中染色体的形成而影响其进展[51]。在人乳头瘤病毒阳性宫颈鳞状细胞癌中，作为可能潜在诊断和治疗靶点的SMC4表达显著上调，但其具体影响仍需研究发现[52];而在EC中，SMC4则通过PI3K/Akt/FoxO1通路参与了EC细胞的多种恶性生物学行为[33],并且被证实其还可降低卵巢癌患者的生存率(HR=1.31,P<0.05)[53]。同样地SMC4还参与了前列腺癌的侵袭和转移过程[54]。不仅如此，SMC4的mRNA在乳腺癌(breast cancer, BC)患者组织中的表达明显上调(P<0.001),同时高表达的mRNA还降低了BC患者的生存率(P=0.012)。最后，SMC4高表达作为危险因素在三阴性BC的早期诊断中有重要的作用，表现为其比值比(odds ratio, OR)等于1.72(95%CI:1.23～1.93;P=0.000 4)和AUC等于0.84(95%CI:0.57～0.91)[55,56]。

2.5其他疾病

生物信息学研究发现SMC4肺动脉高压(pulmonary arterial hypertension, PAH)中表达显著增高，以至于其可能作为危险因素参与PAH的诊断[57,58,59],同时在PM2.5可通过下调SMC4的表达对心血管系统和内皮细胞产生毒性[37]。在与围产期窒息相关的新生儿脑病中SMC4表达显著增高，并作为HIF-1α的下游靶点直接作用参与了新生儿脑病的发生[60],同样地在重性抑郁症患者中，SMC4等也可能通过缺氧、上皮细胞-间充质转化等过程参与了疾病的演变[61]。最后，SMC4表达的衰减与人类的真皮成纤维细胞的衰老过程高度一致，提示其在皮肤老化、伤口愈合中也有不可忽视的作用[62]。

3、总结与展望

SMC4在细胞周期和有丝分裂过程中参与了DNA的修复、染色质的凝缩以及姐妹染色单体的分离等过程，不仅在细胞的正常生理过程中扮演着重要的角色，还在组织分化和个体发育过程中也有着同样重要的作用。本文将近年来针对SMC4的研究整理后发现，尽管SMC4的异常表达参与了多个系统的良性病变，但主要还是集中在肿瘤领域，如通过TGF-β/Smad、JAK2/Stat3、PI3K/Akt和NF-κB等通路参与胶质瘤、HCC、EC、CC等恶性肿瘤的发生与发展。虽然目前相关通路的研究较少，但随着近几年国内外对该蛋白的研究趋势的明显上升，其已经在肿瘤防治领域取得了一些令人鼓舞的进展，SMC4的异常表达在将来不仅可以作为肿瘤早期预测的指标，还可以利用多种抗肿瘤药物阻断其介导的信号传导而对肿瘤进行治疗。最后，相信通过我们的努力，在不久的将来SMC4可成为更多疾病潜在的诊断和治疗靶点。

基金资助:甘肃省自然科学基金(编号:20JR10RA744);兰州大学第二医院“萃英学子科研培育”计划(编号:CYXZ2021-32);

文章来源:蔡伟文,俞泽元,杨含腾等.SMC4在信号通路及其在肿瘤疾病中作用的研究进展[J].现代肿瘤医学,2023,31(18):3524-3528.