全 文 ：第24卷 第7期
2012年7月
Vol. 24, No. 7
Jul., 2012
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2012)07-0691-05
NDRG4基因的表达调控及生物学效应研究进展
商远方，朱耀明*，朱晨宇
(三峡大学第一临床医学院，宜昌 443002)
摘　要：NDRG是近年来发现的新的基因家族，被认为与细胞分化和肿瘤形成有关。其中 NDRG4基因在
心脑组织中特异性高表达，并且参与正常心脑功能的维持。此外，NDRG4基因的异常表达与某些肿瘤的发
生发展关系密切，因此备受关注。就 NDRG4基因的调控机制、生物学效应以及与肿瘤的关系作一综述，
为人们对其进一步探索提供帮助。
关键词：NDRG4基因；表达调控；细胞分化；肿瘤
中图分类号：Q756; R73 文献标志码：A
Research advancement of expression regulation and
biological effects of NDRG4 gene
SHANG Yuan-Fang, ZHU Yao-Ming*, ZHU Chen-Yu
(The First College of Clinical Medical Science, China Three Gorges University, Yichang 443002, China)
Abstract: NDRG, a new gene family recently discovered, is thought to have to do with cell differentiation and
tumor formation. As a member of this family, NDRG4 gene is highly expressed in heart and brain, and participates
in maintaining normal function. In addition, abnormal expression of NDRG4 has a strong relationship with the
development of some tumors. For these reasons, NDRG4 gene is paid close attention. This paper reviews the
regulation mechanisms and biological effects of NDRG4 gene and its relationship with tumour, in an attempt to
provide theoretical evidences for the further exploration.
Key words: NDRG4 gene; expression regulation; cell differentiation; tumour
收稿日期：2012-03-29； 修回日期：2012-04-19
*通信作者：E-mail: zhuyaoming217@sina.com; Tel:
0717-6487071
N-myc下游调节基因 4 (N-myc downstream regu-
lated gene 4, NDRG4)是近年发现的 NDRG家族基
因的新成员，其表达受到多种因素的调控，但确切
的生物学机制均有待进一步明确。NDRG4基因表
达的组织特异性和在多种恶性肿瘤中的异常表达逐
渐引起人们关注。研究表明，NDRG4基因与心脑
发育和功能维持以及某些恶性肿瘤的发生发展关系
密切。作为一种候选抑癌基因，NDRG4有望在肿
瘤防治研究中做出贡献。
1　NDRG4基因的基本结构和特性
NDRG4基因位于染色体 16q21~q22.3，跨度
26 kb，包含 17个外显子，包括 3种 cDNA亚型序
列 (NDRG4-B、NDRG4-Bvar、NDRG4-H)[1]。它与其
他三种基因 NDRG1、NDEG2、NDRG3共同组成
NDRG基因家族，所编码蛋白的氨基酸序列组成
有 57%~65%的同源性，其中 NDRG1基因和 NDRG3
基因高度同源，而 NDRG2 基因和 NDRG4 基因
属于另一个同源亚型。与 NDRG1蛋白的普遍表达
不同，NDRG2蛋白在成人骨骼肌和脑组织中高度
表达，NDRG3蛋白主要表达在脑和睾丸中，而
NDRG4蛋白特异性高表达于心脑组织中，参与细
胞分化和神经突触的形成。Northern Blot和Western
Blot检测到其中 NDRG4-B蛋白只在脑组织中表达，
而NDRG4-H蛋白在脑组织和心脏组织中均有表达，
NDRG4-Bvar蛋白则作为次要产物表达量低。并且
生命科学 第24卷692
NDRG4蛋白的表达量在成年心脑组织中较胎儿丰
富，而在老年痴呆症患者脑组织中有明显降低。三
种 NDRG4基因亚型的 mRNA转录水平受选择性
剪接的调控，还可能与启动子选择有关。可见，
NDRG基因家族成员在组织中的协调表达表明他们
具有不同的特殊功能 [1-2]。有研究表明 [3]，NDRG4
蛋白主要分布于线粒体和内质网 (ER)，洗涤剂溶解
度分析和蛋白酶敏感性证明在 ER中 NDRG4蛋白
与细胞膜关联并且逐渐趋向细胞腔。张健等 [4]早
在 2003年已成功克隆 NDRG4-B基因，并通过
pRSET-A表达载体获得 6His-NDRG4-B融合蛋白，
为 NDRG4多克隆抗体的制备和对 NDRG4基因及
其蛋白结构和功能的深入研究打下良好基础。
2　NDRG4基因的表达调控
2.1　NDRG4基因的表达受Tbx家族的调控
Tbx2是转录因子 T盒家族基因的一员，在胚
胎心管心脏发展过程中起到重要作用。Tbx2基因
在非心室心肌 (心室流出道 OFT和房室管 AVC)中
表达，并且阻止心室和心房形成 [5-6]。Dupays等 [7]
在胚胎鼠心早期发展阶段中特异地增强了遍及心管
心肌的 Tbx2基因的表达，结果显示：(1)细胞黏附
因子 Alcam和钙黏附蛋白表达量减少，咽部中胚
层祖细胞向第二心区 (SHF)细胞的分化受到抑制，
SHF形成受损；(2)出现 OFT区域 Tbx20基因的表
达下调，SHF祖细胞向 OFT的发展受到抑制，提
示两个 T盒基因之间存在复杂的区域特异性的转录
交叉调节；(3)伴随着 NDRG2基因的表达上调和
NDRG4基因的表达下调，心肌细胞的增殖受到明
显抑制，最终影响了心脏的形成。这些结论提示
Tbx2基因可能与其他 T盒家族基因交叉调节转录，
共同抑制 NDRG家族 NDRG2、NDRG4蛋白及相
应黏附因子的生成，从而调控心脏的发育。此外，
Qu等 [8]的研究证实，在心脏中降低 Tbx5基因的活
性可以下调 NDRG4基因的表达。反之，由于 Tbx20
基因敲除导致的 Tbx5基因的高表达可以引起
NDRG4基因表达上调，提示 NDRG4基因可能是
Tbx5的下游调控靶点。
2.2　HDACi通过KLF4/Sp1/Sp3途径调控NDRG4基
因的表达
组蛋白脱乙酰酶抑制剂 (histone deacetylase inhi-
bitor, HDACi)是一类在多种恶性肿瘤中有前景的具
有抗癌功效的靶点治疗剂，通过特异性抑制转录协
助抑制物——组蛋白脱乙酰酶 (HDAC)家族的活性，
促进目标蛋白中赖氨酸残基脱乙酰作用 [9]，导致组
蛋白和特异性转录因子的高度乙酰化，增加某些基
因 (例如 Sp3)的转录活性，从而在多种肿瘤细胞中
抑制增殖，诱导肿瘤细胞分化和凋亡 [10-11]。Andrew
等 [12]研究发现，在对 HDACi敏感的结肠癌细胞
中，HDACi可以选择性诱导活化包括 NDRG4基因
在内的多种立早基因和应激反应基因，而在结肠肿
瘤中这些基因显著被抑制。生物信息学分析显示，
被 HDACi诱导活化的基因的启动子区域 KLF4/
Sp1/Sp3转录因子结合位点受到强化。单纯通过给
予甾酮 A诱导 KLF过表达或通过基因敲除降低
KLF表达均不能影响结肠癌细胞的凋亡率，但是单
纯通过 siRNA阻滞 Sp1/Sp3的活化则可以明显减弱
HDACi对抑癌基因的促转录和对癌细胞的促凋亡
效应。这些结果提示，HDACi通过优先活化 Sp1/
Sp3，伴随 KLF4上调，使结肠癌细胞中 NDRG4基
因转录网络去抑制，从而上调 NDRG4基因的表达，
进而抑制结肠癌细胞的增殖并促进细胞凋亡。然而，
Chang等 [13]的研究则显示，组蛋白脱乙酰酶抑制
剂辛二酰苯胺异羟肟酸 (SAHA)在联合紫杉醇处理
乳腺癌细胞后，可以下调 NDRG4基因的表达，其
具体机制尚不明确。
2.3　GLP-1上调NDRG4基因的表达
NDRG4基因在心脑组织细胞分化中的重要作
用已被多次证明，然而Wang和 David[14]的研究则
发现，与胰十二指肠同源盒基因 -1(PDX1)在胰腺
内分泌细胞分化中的作用相似，NDRG4基因在胰
腺中同样存在促进内分泌细胞分化的效应，并且受
到胰高血糖素样肽 -1(GLP-1)的正性调节。他们利
用 GLP-1孵化 ARIP细胞，结果显示 NDRG4基因
和 PDX1基因的表达明显增加，同时减少了 DNA
合成，并促进了胰高血糖素阳性细胞的出现。在通
过 siRNA阻止 NDRG4基因的翻译后，GLP-1对
DNA合成的抑制作用和对内分泌细胞分化的刺激
效应明显降低。这些发现提示，NDRG4基因在胰
腺导管细胞中的表达受到 GLP-1的调控，并且可能
与防止胰腺中祖细胞过度增殖和内分泌细胞分化起
始有关。
2.4　DNA启动子甲基化抑制NDRG4基因的表达
抑癌基因启动子 CpG岛超甲基化导致基因沉
默，是肿瘤中抑癌基因失活的一种表观遗传学机制。
Melotte等 [15]研究发现来自结直肠癌患者的癌组织
与正常结肠黏膜的 NDRG4基因的启动子甲基化程
度存在明显差别，前者明显高于后者。并且 DNA
商远方，等：NDRG4基因的表达调控及生物学效应研究进展第7期 693
甲基化密度在 NDRG4基因启动子上游较下游要高，
甲基化首先发生在 CpG岛的 5端，并向转录起始
点扩展直至关闭 mRNA的表达。在通过 DNA甲基
化抑制剂 5-氮杂 -2-脱氧胞苷 (DAC)处理结肠癌
HCT116和 RKO细胞后，癌细胞中 NDRG4 mRNA
明显上调。这些结果表明在肿瘤细胞中 NDRG4基
因的表达受到启动子甲基化的抑制。
2.5　视黄酸刺激NDRG4基因表达上调
国内学者很早就开始 NDRG4基因的研究。周
瑞海等 [16]在视黄酸 (RA)诱导 NT2细胞 (人中枢神
经元前体细胞 )向神经元分化的过程中关注了
NDRG4基因的表达情况，结果显示 NDRG4-H及
NDRG4-B基因亚型 mRNA的表达水平对 RA反应
不同，在 RA刺激下前者表达逐渐上调而后者无明
显变化，提示 NDRG4基因可能与中枢神经元发育
及生长有关，并受到 RA正性调节。
3　NDRG4基因的生物学效应
3.1　NDRG4基因在心脏发育和功能维持中的作用
3.1.1　NDRG4基因在心脏发育中的作用
Qu等 [8]针对 NDRG4基因在斑马鱼胚胎心脏
发育中的作用进行了研究，发现 NDRG4基因敲
除后引起心肌细胞增殖明显下降，导致心脏发育不
全，表现为心脏循环缺陷，心肌收缩无力，心率减
慢等。研究进一步证实，在心脏中通过 Tbx5途径
上调 NDRG4基因表达，可以限制多功能蛋白聚糖
和 BMP4的表达，促进心肌细胞增殖和房室管的形
成。Dupays等 [7]的研究也证实，在胚胎鼠心脏中
Tbx2的异位高表达导致 NDRG4基因的表达下调能
够抑制心肌细胞增殖，从而影响心脏正常发育和功
能构建。这些结果提示，NDRG4基因在调节心肌
细胞生长增殖中具有重要作用。
3.1.2　NDRG4基因参与维持正常QT间期
QT间期是代表心肌细胞去极化的重要参数，
反映每次搏动中心肌从受刺激到活动结束期间的电
生理过程，其延长或缩短可以预兆心源性猝死
(SCD)和室性心律失常，是一种可遗传的风险因子。
Newton-Chen等 [17]对 13 685个研究对象采取心电
图检查和基因组分析后发现，NOS1AP基因及其
变体可以改变心肌收缩时间即 QT间期，进而导致
猝死危险上升。NOSLAP已知与心肌复极和遗传性
长 QT综合征有关，其中一个变体位于 NDRG4和
GINS3基因附近的 16q21区域，具有缩短 QT间期
效应，提示 NDRG4基因可能参与 QT间期的调控，
同时也呼应了 Qu等 [8]关于 NDRG4基因在维持心
肌收缩力和正常心率的研究结论。
3.2　NDRG4基因在神经系统发育和功能维持中的
作用
3.2.1　NDRG4基因促进神经突的延伸
Ohki等 [18]研究了不同 NDRG4蛋白水平对
PC12细胞中神经生长因子 (NGF)诱导的神经突的
形成和转录因子活化的影响。他们通过反义构建的
NDRG4 cDNA转染 PC12细胞，成功构建了 NDRG4
蛋白水平不同的细胞克隆。在给予 NGF或双丁酰
环磷酸腺苷 (dibutyryl cAMP)后，NDRG4低蛋白水
平克隆延伸出的神经突短于对照组。与此相反，
NDRG4高蛋白水平克隆没有显示出对神经突延伸
的抑制。研究同时发现，NGF介导的转录因子
AP-1的活化在 NDRG4低蛋白水平克隆中被抑制，
而在 NDRG4高蛋白水平克隆中被增强。这些结果
提示，NDRG4基因在神经突延伸过程中具有重要
作用，并且能够影响 NGF刺激 AP-1的活化过程，
但具体机制尚不明。
3.2.2　NDRG4基因在空间学习能力和抵抗脑缺血
中的作用
脑源性神经营养因子 (BDNF) 是神经营养蛋白
家族的一员，为一种小的碱性蛋白质，主要存在于
中枢神经系统中，支持来自神经嵴的初级感觉神经
元的生存。Yamamoto等 [19]在研究中建立了 NDRG4
基因缺乏性小鼠模型。免疫组化分析显示脑皮质中
BDNF 水平下降，而胶质细胞源性神经生长因
子 NGF、神经营养因子 3(neurotrophin-3)及转化生
长因子 TGF-β1水平正常。在莫里斯水迷宫实验中
NDRG4基因缺乏性小鼠的空间学习和记忆能力受
损而运动机能正常。暂时性灶性脑缺血被诱发时，
在 NDRG4基因缺乏性小鼠中的梗死范围更广泛，
并且神经损伤更严重。这些发现提示，NDRG4基
因对于脑内 BDNF水平维持在正常范围内具有贡
献，而后者是空间学习能力和对由缺血导致的神经
细胞死亡的抵抗所必需的。
4　NDRG4基因与肿瘤的关系
4.1　NDRG4基因在恶性胶质瘤细胞周期进展和存
活中的作用
考虑到 NDRG4基因的组织特异性表达模式和
在调节细胞增殖中的作用，Stephen等 [20]研究了在
星形胶质细胞和多形性胶质母细胞瘤 (GBM)细胞
中 NDRG4基因的细胞和生化功能。结果显示，在
生命科学 第24卷694
GBM中 NDRG4基因的表达上调，并且为星形胶
质细胞和体外 GBM细胞株以及 GBM异种移植物
细胞的生存所必需。NDRG4过表达不影响细胞存
活，相反 NDRG4基因敲除则引起细胞阻滞在 G1
期从而导致凋亡。最初的 G1期阻滞与细胞周期蛋
白 D1的表达减少和 p27Kip1基因的表达增加有关，
随后的凋亡与性连锁凋亡抑制蛋白 (XlAP)和生存
素的表达下降有关。此外，NDRG4基因敲除还降
低了 GBM细胞株在种植到裸鼠头颅后的致瘤能力。
总之，这些结果表明 NDRG4基因在维持 GBM细
胞周期和细胞生存中具有重要作用，因此不同于同
源基因 NDRG2在星形胶质细胞和 GBM细胞中的
抑癌作用，提示 NDRG4基因的抑癌效应同样具有
肿瘤细胞来源特异性。
4.2　NDRG4基因对结直肠癌细胞的抑制作用
Melotte等 [15]在结肠癌 NDRG4基因启动子甲
基化研究中还发现，结直肠癌组织中 NDGR4蛋白
产物水平相对于正常结肠组织显著降低。在体外通
过质粒将 NDRG4基因转染到结肠癌 HCT116细胞
中，NDRG4蛋白表达增高，从而抑制了癌细胞的
集落形成、细胞增殖及侵袭能力，这些结果证实了
NDRG4是一种结直肠肿瘤候选抑癌基因，能够抑
制肿瘤发生发展。
4.3　NDRG4蛋白对肿瘤细胞周期的影响
陈杰等 [21]通过 PQE30/M15表达载体对 NDRG4
基因进行克隆，成功表达了 NDRG4蛋白，并用所
得纯化蛋白分别处理人胃低分化腺癌 SGC-7901细
胞和肝癌 HHCC细胞，之后进行流式细胞学检测和
裸鼠致瘤实验，证实该蛋白对肿瘤细胞的生长和肿
瘤的发生发展有较强的抑制作用，而且 NDRG4蛋
白对肿瘤细胞的影响表现在 G1期延长，S和 G2/M
期缩短 , 细胞阻滞在 G1期。
5　结语
本文概述了 NDRG4基因的调控机制、在心脑
系统中的功能以及与肿瘤的关系等相关研究进展。
目前国内外关于 NDRG4基因形成的初步认识如下：
(1)NDRG4基因在心脑组织中特异性高表达，参
与心脑组织的正常发育和功能的维持；(2)NDRG4
基因的表达受 Tbx家族、HDACi、GLP-1、DNA甲
基化、RA等因素的调控，但具体机制还有待进一
步研究；(3)NDRG4基因作为一种候选抑癌基因，
与肿瘤的发生发展关系密切，可能存在抑制肿瘤和
支持肿瘤的双向作用。然而，NDRG4基因的表达
状态能否成为胚胎正常发育的早期监测指标，能
否作为生物标记物应用于肿瘤的早期诊断以及
NDRG4基因与各系统肿瘤之间的具体关系等问题
仍需要深入研究。
[参　考　文　献]
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