Ndrg3-KO 基因敲除小鼠

Ndrg3，全称为N-Myc下游调节基因3（N-Myc downstream-regulated gene 3），是NDRG基因家族的一员，该家族还包括NDRG1、NDRG2和NDRG4。NDRG基因家族属于α/β-水解酶折叠家族，在细胞增殖、分化和缺氧诱导的癌症代谢中发挥着多种生理功能。Ndrg3在细胞增殖、分化和肿瘤发生中发挥着重要作用，特别是在前列腺癌细胞中，其与细胞增殖和迁移密切相关。

Ndrg3基因在早期胚胎发育中对于同源致死性至关重要，它调节着小鼠的雄性减数分裂。Ndrg3基因在雄性生殖细胞中特异性增强表达，在细精管阶段达到峰值水平。Ndrg3基因的杂合子不足导致雄性早期成熟期间的亚不育。在Ndrg3+/-生殖细胞中，某些减数分裂事件如DSB修复和联会复合体形成受损。观察到减数分裂前期进展和精子发生的干扰。机制上，在杂合子睾丸中检测到pERK1/2信号的减弱。在体外培养的小鼠初级精细胞系统中，我们发现乳酸盐通过ERK1/2信号通路促进雄性小鼠生殖细胞中的DSB修复。Ndrg3基因的缺乏削弱了ERK的激活，这进一步导致了小鼠雄性生殖细胞中DSB修复的异常。总的来说，我们报道了Ndrg3基因调节乳酸盐诱导的ERK通路以促进雄性生殖细胞中的DSB修复，从而进一步调节减数分裂和小鼠雄性的生育能力[1]。

乳酸盐在胎儿脑中从孕中期开始水平升高，表明乳酸盐参与脑发育和神经元分化。最近的研究表明，乳酸盐作为一种信号分子，调节基因表达和蛋白质稳定性。然而，乳酸盐信号在神经元细胞中的作用尚不清楚。我们发现，乳酸盐促进SH-SY5Y和Neuro2A细胞系（人神经母细胞瘤和鼠神经母细胞瘤细胞系）神经元分化的所有阶段，表现为神经标记表达和轴突延伸率的增加。转录组分析揭示了SH-SY5Y、Neuro2A和原代胚胎小鼠神经元细胞中的许多乳酸盐反应基因集，如SPARCL1。乳酸盐对神经元功能的影响主要是通过单羧酸转运蛋白1（MCT1）介导的。我们发现，NDRG家族成员3（NDRG3），一种乳酸盐结合蛋白，在神经元分化过程中高度表达并稳定。SH-SY5Y细胞与乳酸盐处理和NDRG3敲低的联合RNA-seq显示，乳酸盐对神经分化的促进作用是通过NDRG3依赖和非依赖的方式调节的。此外，我们确定了TEA结构域家族成员1（TEAD1）和ETS相关转录因子4（ELF4）是乳酸盐和NDRG3在神经元分化中共同调节的特定转录因子。TEAD1和ELF4在SH-SY5Y细胞中分别影响神经标记基因的表达。这些结果突出了细胞外和细胞内乳酸盐作为关键信号分子在调节神经元分化中的生物学作用[2]。

NDRG3蛋白的晶体结构在2.2 Å分辨率下解析，每个非对称单位中有六个分子。NDRG3采用α/β-水解酶折叠结构，但标准的催化三联体残基被非反应性残基取代，伪活性位点周围的位阻似乎使α/β-水解酶活性失活。尽管NDRG3在氨基酸序列和结构上与NDRG2高度相似，但在与NDRG2的α6螺旋相对应的柔性环中表现出显著的差异，NDRG2的α6螺旋负责肿瘤抑制。因此，这个柔性环区域似乎在由NDRG3引起的肿瘤发生中发挥着独特的作用。总的来说，我们的研究为NDRG3的分子特性提供了结构和生物物理方面的见解[3]。

NDRG3属于N-myc下调基因（NDRG）家族，该家族包含4个旁系同源基因：NDRG1、-2、-3和-4。NDRG3的表达在睾丸和前列腺中丰富，在LNCaP细胞中，NDRG3的表达显著上调。过表达NDRG3在稳定转染的PC-3细胞中增加了它们的生长速率和迁移能力，与亲代或空载体转染的PC-3细胞相比。此外，我们发现，过表达NDRG3促进了裸鼠中异种移植肿瘤的生长。最后，我们通过免疫组化发现，NDRG3表达在58.6%（41/70）的前列腺癌标本中检测到，而在13.2%（5/38）的良性前列腺增生标本中检测到。通过微阵列和RT-PCR，我们发现NDRG3过表达上调了包括CXCL1（趋化因子配体1）、CXCL3（趋化因子配体3）和CXCL5（趋化因子配体5）在内的多种血管生成趋化因子的表达，这可能增加肿瘤的血管生成。总的来说，这些结果表明，NDRG3是一个肿瘤促进剂，其过表达可能有助于肿瘤的恶性表型[4]。

长非编码RNA1410（LINC01410）是一种新发现的lncRNA，其在骨肉瘤（OS）中的作用尚待确定。LINC01410在OS组织中过表达。此外，它被证实能够促进OS细胞的增殖和迁移。我们的研究还表明，LINC01410与miR-122-5p结合，miR-122-5p与NDRG3结合。最后，我们观察到LINC01410敲低抑制了OS细胞的增殖、侵袭和迁移。LINC01410敲低导致miR-122-5p上调和NDRG3下调。我们的结果证明了LINC01410/miR-122-5p/NDRG3轴参与了OS的进展[5]。

NDRG3的表达与HIFs的表达一样，都是由PHD酶氧依赖性调节的。对NDRG3在细胞适应缺氧中的作用了解甚少，而HIFs的作用则已得到很好的理解。在这项研究中，我们研究了NDRG3如何影响前列腺癌细胞中的缺氧反应。与HIF-1α相比，缺氧诱导的NDRG3在较晚阶段观察到。NDRG3通过抑制AKT介导的HIF1A mRNA的翻译来降低缺氧诱导的HIF-1α的表达。此外，NDRG3通过从HIF-1α解离共激活剂p300来功能性地抑制HIF-1。因此，NDRG3可能通过微调HIF-1信号通路来应对长期缺氧。在多种HIF-1α对癌症进展的影响中，我们研究了缺氧诱导的细胞迁移。在Transwell室中，NDRG3在缺氧条件下负调节前列腺癌细胞的迁移和侵袭。使用Gene Expression Omnibus（GEO）进行的生物信息学分析表明，NDRG3下调与前列腺癌转移和高表达HIF-1下游基因相关。在癌症组织阵列中，Gleason评分为8或更高的前列腺癌组织中NDRG3表达较低，并且与HIF-1α表达呈负相关。因此，NDRG3可能在缺氧微环境中具有抗转移功能[6]。

慢性髓细胞性白血病（CML）患者中，NDRG3表达显著上调。细胞计数试剂盒（CCK）-8实验证明，NDRG3促进了K562 CML细胞的增殖，并增强了伊马替尼耐药性。双荧光素酶实验表明，miR-204-5p抑制了NDRG3的表达，免疫荧光实验表明，NDRG3促进了β-连环蛋白在细胞核中的积累，从而增加了下游耐药性和细胞周期相关因子（c-Myc和MDR1）的表达。同时，细胞增殖实验表明，β-连环蛋白在细胞增殖和耐药性中发挥作用。共转染si-β-连环蛋白部分逆转了NDRG3的效果。这一发现表明，NDRG3在伊马替尼耐药性中发挥着重要作用，miR-204-5p和β-连环蛋白参与NDRG3的生物行为。本研究结果为克服CML的耐药性提供了理论支持[7]。

NDRG家族的表达被探索使用癌症基因组图谱。NDRG家族的DNA甲基化通过DNA甲基化交互式可视化数据库进行分析。NDRG家族的基因组改变通过cBioPortal进行评估。单样本基因集富集分析用于确定肿瘤中免疫细胞浸润的程度。NDRG1和NDRG3在肝细胞癌（HCC）中上调，而NDRG2下调。与表达模式一致，NDRG1和NDRG3的高表达与较差的生存结果相关（P < 0.05）。NDRG2的高表达与良好的生存结果相关（P < 0.005）。构建了一个基于NDRG的签名，该签名可以统计地将患者分层为预后。NDRG家族的基因改变百分比从0.3%到11.0%不等，NDRG1的突变率最高。NDRG 1-3的表达与各种类型的浸润免疫细胞相关。基因本体分析显示，有机酸分解代谢是与NDRG家族最相关的生物学过程。基因集富集分析表明，在NDRG1和NDRG3高表达和NDRG2低表达期间，代谢、增殖和免疫相关基因集富集。NDRG1和NDRG3的过表达和NDRG2的下调与较差的HCC总体预后相关。我们的结果可能为HCC发展中NDRG1、2和3不可或缺的作用提供新的见解，并为治疗HCC提供有希望的新策略[8]。

NDRG3在GC细胞系和组织中上调。免疫组化数据表明，NDRG3与组织学分级（p = 0.006）相关，并与患者生存相关。因此，NDRG3可能是GC预后的一个新预测因子[9]。

NDRG3基因的表达水平在乳腺癌（BC）患者中进行了研究。实时定量PCR检测了NDRG3的表达。NDRG3在BC患者中下调，特别是在疾病的晚期阶段。HER2状态与NDRG3的表达显著相关。此外，三阴性BC患者NDRG3表达水平低于其他亚型。最后，NDRG3的表达对生存有显著影响，NDRG3下调的患者与其他患者相比，无事件生存率最差。我们提出了NDRG3可能是肿瘤抑制候选基因。NDRG3下调可能参与肿瘤的发生和发展，在疾病晚期阶段的侵袭性BC中[10]。

综上所述，Ndrg3基因在多种生物学过程中发挥着重要作用，包括减数分裂、神经元分化、肿瘤发生和发展。Ndrg3基因的表达和功能受到多种因素的调节，如乳酸盐、缺氧和基因表达调控网络。Ndrg3基因的异常表达和功能改变与多种疾病的发生和发展相关，包括前列腺癌、骨肉瘤、肝细胞癌和乳腺癌。Ndrg3基因的研究有助于深入理解其在生物学过程中的作用机制，为疾病的治疗和预防提供新的思路和策略。