劉秉春，李康，袁建龍

0 引言

人BDH2基因（3-hydroxybutyrate dehydrogenase 2，3-羥基丁酸脫氫酶2型，曾用名DHRS6）在2006年由Kunde Guo首次報(bào)道，位于染色體4q24上，編碼一種新型胞質(zhì)型Ⅱ-R-β羥基丁酸脫氫酶。隨后，研究者對(duì)BDH2的功能進(jìn)行了更深入的研究，Devireddy于2010年提出BDH2是合成哺乳動(dòng)物鐵載體的酶，敲減BDH2會(huì)引起細(xì)胞質(zhì)和線粒體鐵穩(wěn)態(tài)的失衡。在體外培養(yǎng)的人巨噬細(xì)胞中，BDH2受炎性反應(yīng)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的負(fù)調(diào)控[1]。BDH2在發(fā)育過(guò)程中也發(fā)揮重要功能，Crispr/Cas9敲除BDH2使小鼠胚胎干細(xì)胞向內(nèi)胚層方向分化[2]。BDH2通過(guò)代謝相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控，在不同微環(huán)境的細(xì)胞生理過(guò)程中發(fā)揮不同的作用，本文就BDH2在鐵代謝、脂代謝、酮體代謝以及在腫瘤中的功能與意義作一分析。

1 BDH2在代謝中的作用

1.1 鐵代謝

除少數(shù)利用其他金屬元素進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的微生物以外，鐵（Fe）對(duì)所有生物都是不可或缺的，對(duì)細(xì)胞生存、生長(zhǎng)以及分化至關(guān)重要，鐵是合成血紅蛋白和鐵硫蛋白的重要成分，參與電子傳遞及氧化磷酸化、氧氣運(yùn)輸與呼吸作用、DNA復(fù)制轉(zhuǎn)錄及損傷修復(fù)等重要的生物學(xué)過(guò)程[3-4]。然而鐵的低溶解度和高毒性是細(xì)胞處理鐵時(shí)面臨的難題，1995年Neilands研究發(fā)現(xiàn)鐵載體（siderophores）便是微生物為了克服這個(gè)難題合成的一種低分子量鐵螯合劑，幫助清除環(huán)境中的鐵。大腸桿菌（E.coli）的腸菌素即是一種經(jīng)典的鐵載體，它的鐵結(jié)合部分是2,3-二羥基苯甲酸（2,3-dihydroxybenzoic acid,2,3-DHBA），由細(xì)菌EntA催化合成[5]。無(wú)獨(dú)有偶，哺乳動(dòng)物中也存在與腸菌素類似的鐵載體，并在哺乳動(dòng)物細(xì)胞鐵轉(zhuǎn)運(yùn)中發(fā)揮重要作用。2021年Devireddy在Cell雜志發(fā)表的研究顯示哺乳動(dòng)物的鐵載體是細(xì)胞內(nèi)鐵平衡的重要調(diào)節(jié)器，其鐵結(jié)合部分是類似于2,3-DHBA的2,5-二羥基苯甲酸（2,5-dihydroxybenzoic acid,2,5-DHBA）。BDH2是合成2,5-DHBA的酶，是細(xì)菌EntA的同工酶。缺乏鐵載體的哺乳動(dòng)物細(xì)胞積累異常高的細(xì)胞質(zhì)鐵，而線粒體缺鐵，細(xì)胞游離活性氧（reactive oxygen species,ROS）水平升高。BDH2敲減的細(xì)胞ROS含量升高，過(guò)量的ROS積累引起氧化應(yīng)激，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。此外，敲減BDH2致使鐵載體耗盡的哺乳動(dòng)物細(xì)胞和斑馬魚胚胎不能合成血紅蛋白，這是由于合成血紅蛋白是鐵依賴的線粒體過(guò)程，BDH2敲減的細(xì)胞線粒體中鐵水平顯著減低，導(dǎo)致血紅蛋白水平降低。Devireddy團(tuán)隊(duì)的其他研究也證明了BDH2-鐵載體在紅細(xì)胞中的作用，如BDH2缺失的小鼠出現(xiàn)了小細(xì)胞貧血和組織鐵超載，表明BDH2是紅細(xì)胞生成中的關(guān)鍵基因；在斑馬魚中BDH2失活導(dǎo)致線粒體功能障礙并延遲紅細(xì)胞成熟[6]。

缺鐵飲食的大鼠的肝臟基因表達(dá)譜顯示，無(wú)論短期缺鐵還是長(zhǎng)期缺鐵，都會(huì)引起B(yǎng)DH2表達(dá)的顯著下調(diào)[7]。鐵代謝和癌癥之間的緊密聯(lián)系已被眾多研究者發(fā)掘，從統(tǒng)計(jì)學(xué)上看，飲食中鐵攝入過(guò)多會(huì)增加幾種惡性腫瘤的風(fēng)險(xiǎn)，包括食管癌、結(jié)直腸癌、肝癌和肺癌。癌細(xì)胞依賴于高水平的細(xì)胞內(nèi)鐵，從而使鐵代謝轉(zhuǎn)向增加鐵攝取和減緩鐵輸出，而鐵螯合劑具有很強(qiáng)的抗腫瘤活性[8]。

1.2 脂代謝和酮體代謝

BDH2與脂代謝存在密切的關(guān)聯(lián)，有報(bào)道BDH2表達(dá)通過(guò)生成脂質(zhì)和甾醇合成前體從而于肥胖呈正相關(guān)[9]。然而在高脂肪的南陽(yáng)豬中BDH2的表達(dá)顯著低于低脂肪組，這可能是因?yàn)锽DH2與脂肪酸氧化有關(guān)[10]。脂質(zhì)代謝與腫瘤的發(fā)生和發(fā)展有著重要的關(guān)系，不同類型腫瘤的脂質(zhì)代謝異常均可促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)[11]，BDH2作為脂代謝相關(guān)的新型基因，在腫瘤中研究的價(jià)值還有待挖掘。

酮體是脂肪酸在肝細(xì)胞分解過(guò)程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，包括乙酰乙酸、β-羥丁酸和丙酮，作為機(jī)體重要產(chǎn)物代謝產(chǎn)物之一的酮體，與腫瘤發(fā)生發(fā)展的機(jī)制密切相關(guān)。在不同腫瘤中酮類代謝異常的研究一直存在爭(zhēng)議。在惡性腦腫瘤、胰腺癌、前列腺癌、乳腺癌、結(jié)腸癌、胃癌、肺癌等腫瘤中，酮代謝相關(guān)基因在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中扮演著重要的角色[12]。BDH2在細(xì)胞質(zhì)酮體利用和饑餓期間能量供應(yīng)的次級(jí)系統(tǒng)中發(fā)揮作用[13]。惡性膠質(zhì)瘤樣本中BDH2大多呈陽(yáng)性表達(dá)，提示BDH2可能有作為惡性膠質(zhì)瘤生酮飲食治療靶點(diǎn)的潛在價(jià)值[14]。

2 BDH2在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用與機(jī)制

2.1 按照解剖學(xué)腫瘤分類進(jìn)行總結(jié)與分析

2.1.1 淋巴血液系統(tǒng)腫瘤 急性髓系白血病中40%～50%的患者不存在染色體畸變，在細(xì)胞遺傳學(xué)正常的急性髓系白血病（cytogenetically normal acute myeloid leukemia,CN-AML）中，盡管約 80%的CN-AML成人患者可達(dá)到完全緩解，但其中一半以上會(huì)復(fù)發(fā)[15]，因此發(fā)掘新型相關(guān)分子靶標(biāo)對(duì)其診斷和預(yù)后有重要意義。2013年BDH2被報(bào)道是CN-AML的獨(dú)立不良預(yù)后因素[16]，研究者將113例CN-AML患者骨髓樣本與43例正常對(duì)照樣本比較，發(fā)現(xiàn)CN-AML患者骨髓樣本中BDH2的mRNA表達(dá)水平較對(duì)照組顯著升高。86例患者中，BDH2高表達(dá)患者的完全緩解率（60%）低于BDH2低表達(dá)患者（80.42%）；生存分析結(jié)果顯示，BDH2高表達(dá)患者的總生存期較低，中位生存期為9月，而BDH2低表達(dá)患者中位生存期為53.67月（P=0.007）。隨后在白血病細(xì)胞系THP1和HL60中利用shRNA敲減BDH2，發(fā)現(xiàn)BDH2敲減的細(xì)胞對(duì)ROS刺激更敏感，更容易凋亡，這個(gè)過(guò)程是通過(guò)抑制ROS暴露后Survivin的釋放來(lái)介導(dǎo)。該研究組在2020年再次報(bào)道了骨髓增生異常綜合征（myelodysplastic syndrome,MDS）中BDH2的意義[17]，通過(guò)檢測(cè)187例MDS患者、119例AML患者和43例骨髓正常淋巴瘤患者的骨髓樣本中BDH2基因的mRNA的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)MDS患者BDH2表達(dá)顯著上調(diào)（P=0.009），且與鐵蛋白水平有關(guān)，BDH2高表達(dá)的患者血清鐵蛋白水平顯著高于對(duì)照組。BDH2高表達(dá)的患者白血病進(jìn)展的風(fēng)險(xiǎn)更高（P=0.017），無(wú)白血病生存期更短（P=0.024）。BDH2敲減的THP1細(xì)胞周期延緩，生長(zhǎng)速度降低，有分化趨勢(shì)，可能與敲減后TNFSF13B、MMP9、PI3KCD和TP53INP2的下調(diào)有關(guān)。

2.1.2 生殖系統(tǒng)腫瘤 研究者對(duì)小鼠MMTV-PyMT轉(zhuǎn)基因乳腺癌模型研究發(fā)現(xiàn)BDH2在腫瘤組中的mRNA水平顯著低于非腫瘤組，但BDH2在LCN2缺失腫瘤模型與LCN2野生型腫瘤模型中的表達(dá)無(wú)顯著差異，表明小鼠乳腺癌BDH2的表達(dá)與LCN2無(wú)相關(guān)性[18]。與先前小鼠模型中的結(jié)論不同，在女性乳腺癌患者中，BDH2的表達(dá)與LCN2正相關(guān)，還與體重指數(shù)（body mass index,BMI）正相關(guān)，乳腺癌細(xì)胞系（ZR75-1,T47D,MCF7,EFM19）的細(xì)胞增殖與細(xì)胞內(nèi)BDH2表達(dá)顯著正相關(guān)，RNAi誘導(dǎo)的BDH2缺失可促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞系凋亡易感性[19]。

2.1.3 消化系統(tǒng)腫瘤BDH2在食管癌組織中普遍上調(diào)，并與臨床樣本腫瘤位置或TNM分期密切相關(guān)。LncRNA TP73-AS1敲減可抑制食管癌細(xì)胞EC9706和KYSE30細(xì)胞中BDH2的表達(dá)，而BDH2敲減可通過(guò)caspase-3依賴的凋亡途徑抑制食管癌細(xì)胞增殖并誘導(dǎo)凋亡。在LncRNA TP73-AS1敲減細(xì)胞中過(guò)表達(dá)BDH2可部分挽救細(xì)胞增殖率并抑制細(xì)胞凋亡。在小鼠移植瘤中，LncRNA TP73-ASI siRNA轉(zhuǎn)染的腫瘤體積減小，表明LncRNA TP73-AS1的下調(diào)在體內(nèi)和體外均可抑制食管癌的增殖。此外，BDH2或LncRNA TP73-AS1敲減可增強(qiáng)食管癌細(xì)胞對(duì)5-Fu和順鉑的化療敏感度[20]。

在77例胰腺癌樣本的研究中，與癌旁組織相比，胰腺癌組織的BDH2表達(dá)顯著上調(diào)，MiR-141靶向調(diào)控BDH2，而LncRNA TP73-AS1通過(guò)調(diào)控MiR-141靶向調(diào)控BDH2，LncRNA TP73-AS1的下調(diào)顯著降低了BDH2的表達(dá)，MiR-141的下調(diào)可部分恢復(fù)BDH2的表達(dá)水平，提示LncRNA TP73-AS1通過(guò)調(diào)控MiR-141正向調(diào)控BDH2，此外，MiR-141抑制劑能顯著逆轉(zhuǎn)LncRNA TP73-AS1抑制的胰腺癌細(xì)胞系PANC-1和BxPC-3的細(xì)胞遷移和細(xì)胞侵襲，提示LncRNA TP73-AS1-MiR-141-BDH2軸在胰腺癌細(xì)胞遷移和侵襲中起關(guān)鍵作用，值得作為胰腺癌治療的潛在靶點(diǎn)進(jìn)行更深入的研究[21]。

BDH2在肝細(xì)胞癌組織與肝癌細(xì)胞系（HepG2、Hep3B、QGY-7703、HuH-7、MHCC-97L和MHCC-97H）中均下調(diào)，低BDH2表達(dá)與總生存率低、腫瘤分化差、腫瘤體積增大、靜脈浸潤(rùn)和BCLC晚期顯著相關(guān)。單因素分析和多因素分析結(jié)果表明，BDH2可作為獨(dú)立的預(yù)后指標(biāo)，BDH2表達(dá)抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)、增殖和遷移，還通過(guò)蛋白折疊反應(yīng)誘導(dǎo)線粒體凋亡并抑制自噬。因此，BDH2可能成為新的肝癌預(yù)后標(biāo)志物和有效的治療靶點(diǎn)[22]。

BDH2在胃癌組織和細(xì)胞中明顯下調(diào)，BDH2低表達(dá)與胃癌患者TNM分期、浸潤(rùn)深度、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移以及預(yù)后不良呈正相關(guān)，表明BDH2在胃癌中是一個(gè)重要的腫瘤抑制因子，可作為胃癌預(yù)后不良的獨(dú)立分子標(biāo)志物。胃癌細(xì)胞系（AGS、BGC823、MGC803、MKN45、MKN1、SGC7901、HGC27）中BDH2的mRNA和蛋白水平顯著低于對(duì)照組細(xì)胞，裸鼠移植瘤模型中過(guò)表達(dá)BDH2，過(guò)表達(dá)組的腫瘤體積和凈重較對(duì)照組明顯減小。BDH2過(guò)表達(dá)抑制胃癌細(xì)胞在體內(nèi)和體外的生長(zhǎng)并通過(guò)ROS誘導(dǎo)胃癌細(xì)胞的凋亡和自噬。深入探討其機(jī)制發(fā)現(xiàn)，BDH2促進(jìn)Keap1與Nrf2的相互作用，增加Nrf2的泛素化水平，Nrf2的泛素化/降解抑制ARE的活性，進(jìn)而增加ROS的積累，ROS/PI3K/Akt/mTOR軸參與BDH2誘導(dǎo)的凋亡和自噬啟動(dòng)[23]。

2.1.4 泌尿系統(tǒng)腫瘤 透明腎細(xì)胞癌中BDH2轉(zhuǎn)錄水平和蛋白水平均顯著降低，BDH2蛋白表達(dá)與TNM分期相關(guān)及腫瘤大小相關(guān)，可能與BDH2、ACAT1和HMGCL參與的酮體代謝有關(guān) 。BDH2表達(dá)較低的患者預(yù)后較差，提示BDH2是透明腎細(xì)胞癌中潛在的抑癌基因，可能成為有效的預(yù)后分子標(biāo)志物。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)顯示在過(guò)表達(dá)的透明腎細(xì)胞癌細(xì)胞系786-0中過(guò)表達(dá)BDH2顯著抑制了透明腎細(xì)胞癌細(xì)胞的增殖和侵襲能力[24]。

2.1.5 頭頸部腫瘤BDH2在鼻咽癌組織中和鼻咽癌細(xì)胞系鼻咽癌細(xì)胞系（HONE1、HK1、CNE1、CNE2、TW03和5-8F）中的表達(dá)明顯下調(diào)。BDH2過(guò)表達(dá)抑制鼻咽癌細(xì)胞增殖和集落形成。裸鼠體內(nèi)研究顯示，過(guò)表達(dá)BDH2的鼻咽癌細(xì)胞體內(nèi)形成的腫瘤較對(duì)照組更小。BDH2的高表達(dá)可逆轉(zhuǎn)上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（epithelial-mesenchymal transition,EMT）削弱鼻咽癌細(xì)胞的遷移能力，提示BDH2通過(guò)EMT逆轉(zhuǎn)抑制鼻咽癌細(xì)胞的遷移和侵襲。此外，高水平的BDH2還通過(guò)降低細(xì)胞內(nèi)鐵水平而抑制鼻咽癌細(xì)胞的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移。因此BDH2可能是鼻咽癌的候選抑癌基因，降低細(xì)胞內(nèi)鐵含量可能是治療鼻咽癌的有效途徑[25]，見表1。

表1 BDH2在不同腫瘤中的功能特征Table 1 Biological significance of BDH2 in different tumors

2.2 BDH2在腫瘤代謝中的作用

癌癥表型通常與鐵穩(wěn)態(tài)失調(diào)相關(guān)，在細(xì)胞代謝中，鐵蓄積可能提升了致癌的風(fēng)險(xiǎn)。原因可能是癌細(xì)胞表現(xiàn)出對(duì)鐵的強(qiáng)烈依賴，其分裂、生長(zhǎng)和生存均需要大量的鐵。鐵代謝失衡和隨之而來(lái)的過(guò)量鐵積累與癌癥的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)，其中的機(jī)制可能是由于鐵的促氧化性質(zhì)及其對(duì)DNA的破壞作用[26]。因此，腫瘤的發(fā)生發(fā)展也伴隨著鐵調(diào)節(jié)基因的變化[27]，BDH2作為編碼哺乳動(dòng)物鐵載體的限速酶，也參與維持機(jī)體鐵穩(wěn)態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)BDH2缺失會(huì)造成細(xì)胞質(zhì)中鐵的異常積累，進(jìn)而引起ROS過(guò)量生成，最終導(dǎo)致細(xì)胞過(guò)早死亡[28]。這些證據(jù)提示BDH2很可能通過(guò)影響鐵代謝和ROS而參與腫瘤代謝過(guò)程。

鐵代謝與骨髓增生異常綜合征的白血病進(jìn)展有關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)BDH2表達(dá)較正常組織上調(diào)，血清鐵蛋白的變化趨勢(shì)與BDH2一致，即高表達(dá)BDH2的患者血清鐵蛋白含量更高。同時(shí)高表達(dá)BDH2的患者白血病進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)更大，在此研究中，研究者發(fā)現(xiàn)骨髓增生異常綜合征患者的BDH2表達(dá)與血清鐵蛋白呈正相關(guān)，但BDH2在鐵轉(zhuǎn)運(yùn)以及骨髓增生異常綜合征中的作用和機(jī)制還需要進(jìn)一步的研究來(lái)確定[17]。

ROS是細(xì)胞中重要的信號(hào)分子，通過(guò)多種信號(hào)通路參與信息傳遞，且與腫瘤的發(fā)生和發(fā)展有顯著相關(guān)性[29-30]。急性髓系白血病中，BDH2高表達(dá)是患者預(yù)后不良的獨(dú)立指標(biāo)，BDH2敲減白血病細(xì)胞對(duì)ROS的刺激更敏感，也更容易凋亡[16]。而在胃癌患者和細(xì)胞系中，BDH2表達(dá)顯著下調(diào)，同時(shí)BDH2低表達(dá)是預(yù)后不良指標(biāo)，胃癌細(xì)胞過(guò)表達(dá)BDH2可使細(xì)胞內(nèi)ROS升高，進(jìn)而促使胃癌細(xì)胞凋亡和自噬導(dǎo)致死亡[23]。由此可見，不同癌種中BDH2參與ROS過(guò)程的作用存在差異，其中的分子機(jī)制尚未闡明。

鐵代謝異常導(dǎo)致的細(xì)胞鐵蓄積可能導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生，而腫瘤的鐵代謝需求明顯高于正常組織，因此鐵代謝相關(guān)基因在腫瘤的篩查與預(yù)后中有作為標(biāo)志物的潛質(zhì)。BDH2作為參與鐵代謝的相關(guān)基因之一，目前相關(guān)研究較少，但在上文總結(jié)的臨床樣本研究中已體現(xiàn)出了其作為標(biāo)志物在不同腫瘤中的意義，而BDH2在腫瘤代謝過(guò)程中發(fā)揮作用的機(jī)制仍不明確。鑒于癌細(xì)胞中鐵調(diào)節(jié)基因的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)及其對(duì)腫瘤生長(zhǎng)和存活的作用，有必要更好地了解BDH2在腫瘤鐵代謝調(diào)節(jié)和相互作用的機(jī)制。

3 討論與展望

綜上所述，BDH2是哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的一個(gè)多功能基因，參與機(jī)體酮體代謝、脂代謝，并在維持細(xì)胞鐵穩(wěn)態(tài)過(guò)程中起關(guān)鍵作用。BDH2通過(guò)這些代謝相關(guān)的生理作用密切影響著腫瘤的發(fā)生發(fā)展，在已報(bào)道的多個(gè)研究中BDH2的表達(dá)與臨床意義存在多元化差異，與腫瘤類型直接相關(guān)，但目前關(guān)于BDH2基因在腫瘤領(lǐng)域的研究仍然較少，因此BDH2的潛在診斷價(jià)值與臨床預(yù)后相關(guān)性值得進(jìn)一步探索。