By GPT-5 Deep Research
TYMS在癌症治疗中的作用及与5-FU耐药机制
胸苷酸合酶（thymidylate synthase，TS，由TYMS基因编码）是嘧啶核苷酸合成的关键酶，也是经典化疗药物5-氟尿嘧啶（5-FU）及其衍生物的主要靶点[1][2]。5-FU在体内转化为活性代谢物FdUMP，可与TS和甲酰四氢叶酸形成三元复合物， 不可逆 地抑制TS活性，阻断dTMP的合成，从而导致DNA合成受损和DNA/RNA损伤[3][4]。然而，癌细胞常通过上调TS表达来逃避免死，从而产生对5-FU的耐药[5]。研究表明，5-FU耐药的肿瘤细胞中TS显著过度表达，TS活性升高与较差的化疗响应和生存率呈负相关[6][7]。例如，在结直肠癌中，高水平TS往往意味着对5-FU治疗不敏感，而降低TS表达可增强肿瘤对该药的敏感性[6][8]。多种分子机制参与了TS介导的耐药性：转录因子FOXM1 上调TS基因表达以促进5-FU耐药[7]； HSP90/Src通路 的异常激活可提高TS蛋白稳定性和表达，从而赋予癌细胞耐药能力[9]。此外，持续5-FU暴露可诱导肿瘤细胞发生上皮-间质转化（EMT）并富集癌症干细胞特性，这些变化常伴随TS水平升高，进一步削弱了化疗效果[10][6]。鉴于TS在抗代谢药物中的核心作用，近期研究也在开发新一代非经典叶酸类TS抑制剂，旨在更有效地抑制TS并克服耐药[7][11]。总之，TYMS基因直接影响抗代谢化疗的疗效，其表达水平和功能状态决定了癌症对5-FU等药物的敏感性和抗药性。
TYMS基因与肿瘤及自身免疫等疾病的关联
肿瘤领域： TYMS被认为是多种肿瘤中的促癌基因，其高表达往往与恶性进展和预后不良相关[12][13]。跨多个癌种的大样本分析显示，高水平TYMS表达与更短的总生存期和更晚的肿瘤分期密切相关[14][12]。据统计，已有超过900篇文献报道了肿瘤中TYMS表达增高与抗癌药耐药或不良临床结局之间的联系[15]。例如，在肺癌中，TS过表达会降低对培美曲塞等叶酸类抗代谢药的反应；在胃肠道肿瘤中，TS高表达通常意味着5-FU方案疗效差[16][13]。功能研究进一步证明了TYMS的致癌潜力：人为过表达人源TYMS可促使细胞发生转化，并在小鼠体内诱导肿瘤形成[17]；相反，降低TYMS水平（如使用shRNA敲低）能减缓肿瘤细胞增殖并增强抗代谢药物的疗效[8]。在Ink4a/Arf缺失 的易感小鼠中，过量的TYMS显著加速了肿瘤发生和转移，伴随基因组不稳定性的增加，而抑制TYMS可延缓肿瘤进程并延长生存期[18]。此外，新近研究在食管鳞癌中发现，TYMS过表达不仅促进细胞增殖，还通过激活Nrf2抗氧化通路减轻氧化应激，从而帮助癌细胞存活[19][20]。这些证据都支持TYMS在肿瘤发生发展中扮演重要角色，有望成为潜在的治疗靶点。
自身免疫疾病领域： 虽然TYMS主要在高速增殖的细胞中发挥作用，但其遗传变异在某些免疫相关疾病中也有研究价值。典型案例是类风湿关节炎（RA）的甲氨蝶呤治疗：甲氨蝶呤（MTX）通过抑制二氢叶酸还原酶和间接抑制TS等酶发挥免疫抑制作用。研究者发现，TYMS基因启动子区28bp串联重复多态性（TSER）和3’UTR的6bp缺失多态性会影响RA患者对MTX的响应[21][22]。在一项南印度泰米尔人RA队列中，携带3R等位基因和6bp缺失等位基因的患者对MTX治疗的缓解率较低（非响应者中3R和Δ6等位基因频率更高，p接近0.05）[22]。这提示高表达型的TYMS基因型（如3R重复）可能降低MTX疗效，需要更高剂量或联合疗法才能奏效[22][23]。另一方面，低表达型等位基因（2R/2R）虽可能使肿瘤对化疗更敏感，但在使用抗代谢药时更易出现毒副作用[24]。除RA外，TYMS多态性在系统性红斑狼疮、银屑病等需用叶酸拮抗剂治疗的疾病中也受到关注，但相关数据较少。需要强调的是，TYMS本身的胚系突变非常罕见，因完全缺失TS会严重干扰DNA合成。目前所知的一例是先天性胸苷酸合成酶缺陷：有研究报道儿科患者携带杂合的TYMS功能缺失变异，导致类先天性发育不良伴骨髓衰竭（如皮肤松解性角化不良症，DC）的表型[25][26]。这些患者体现出异常短的端粒长度和造血功能障碍，机制被认为是TYMS活性不足影响了细胞增殖和基因组稳定[26]。进一步分析显示，患者亲属虽带有相同TYMS变异却表型较轻，提示还存在调控TYMS的其他基因参与（见下文ENOSF1的讨论）[27][26]。综上，TYMS基因除与多种肿瘤密切相关外，在自身免疫疾病的药物反应以及罕见遗传疾病中也具有重要意义。
TYMS基因表达调控机制
TYMS基因表达受到多层次精细调控，包括转录调控、表观遗传调控以及非编码RNA调控等。在转录水平，TYMS是随细胞周期变化的基因，主要在S期高表达[28]。其启动子含有E2F转录因子的结合位点，E2F/RB通路是关键调控机制：当细胞进入S期，磷酸化的Rb释放E2F，使E2F1等上调包括TYMS在内的一系列DNA复制酶基因的转录[28]。因此，Retinoblastoma肿瘤抑制因子功能缺失或E2F异常活化可导致TYMS过度表达，打破细胞对dNTP合成的正常控制[28]。除了E2F外，一些致癌转录因子（如FOXM1）也被发现直接或间接促进TYMS转录，从而增强肿瘤细胞对药物的耐受[5]。在表观遗传和染色质水平，虽然关于TYMS启动子DNA甲基化的报道有限，但组蛋白修饰和染色质状态可能影响其可及性。有研究指出，组蛋白去乙酰酶(HDAC)异常活化可通过影响伴侣蛋白HSP90的乙酰化状态，稳定某些促转录因子（如Src）的活性，从而间接提高TYMS表达并导致耐药[29][30]。因此，使用HDAC抑制剂或针对这些上游信号的药物，有潜力下调TYMS表达以增强化疗效果。
更为重要的是，非编码RNA在TYMS调控中扮演了复杂角色[31][32]。大量证据表明，多种microRNA直接以TYMS mRNA为靶标，通过碱基配对降低其翻译或促进mRNA降解。例如，miR-192和miR-215等在结直肠癌中被证实可结合TYMS mRNA的3’UTR并抑制其表达；当这些抑癌miRNA水平下降时，TS蛋白水平会上升，进而降低肿瘤对5-FU的敏感性[31][33]。与此同时，长链非编码RNA（lncRNA）通过“海绵”机制影响miRNA对TYMS的调控。【MALAT1】是研究较为深入的一种lncRNA，它在多种癌症中过度表达。MALAT1可充当“竞争性内源RNA（ceRNA）”，结合并吸附特定miRNA，从而解除这些miRNA对TYMS的抑制[34][35]。已鉴定的MALAT1作用靶miRNA包括miR-197、miR-203a、miR-375等：MALAT1与它们结合使其水平下降，导致TYMS表达上调；这些miRNA在结直肠癌和胃癌中普遍低表达也印证了这一点[34]。研究还提出MALAT1与YAP1/β-catenin通路存在正反馈环，进一步强化了其对TYMS的间接调控作用[35][36]。除MALAT1外，其他如SNHG6（小核仁RNA宿主基因6）等lncRNA也通过充当miRNA海绵影响5-FU耐药，不过作用机制各异。有鉴于此，非编码RNA形成的调控网络被认为是决定TYMS蛋白水平的重要因素之一。这种复杂的网络调控可能降低癌细胞对化疗的敏感性——结论即：非编码RNA网络通过上调TYMS水平方式使癌细胞对5-FU产生耐受[33]。综上，TYMS表达受多重机制精密控制，从细胞周期信号到表观遗传修饰，再到miRNA/lncRNA协作调节，这些机制的紊乱都可能影响肿瘤生物学行为和药物反应。
TYMS作为临床生物标志物的研究进展
由于TYMS在肿瘤增殖和化疗反应中发挥关键作用，它已成为备受关注的潜在临床生物标志物。预测化疗疗效： 大量研究支持利用TYMS水平来预测抗代谢药物治疗效果。例如，在结直肠癌和胃癌患者中，肿瘤组织中TS表达量与5-FU疗效及患者生存期显著相关：TS低表达患者的治疗响应率和生存时间往往优于TS高表达者[13]。一项研究显示，同时检测5-FU代谢途径中三个基因（TYMP、DPYD和TYMS）表达，结果三者均低表达的患者中位生存期明显长于任一高表达的患者；其中尤其是TYMS蛋白高水平 明确预示着5-FU化疗的不良反应，疗效较差[13][37]。在胃癌的新辅助化疗研究中，TYMS高表达与化疗耐受和预后欠佳密切相关，而低表达则意味着更好的肿瘤缩小和生存获益[38][39]。因此，TYMS表达有望作为选择用药方案或评估预后的指标之一。临床上可通过免疫组织化学（IHC）检测肿瘤切片中的TS蛋白水平，或采用实时定量PCR测量TYMS mRNA来评估其表达[40][41]。这些检测对于指导5-FU/培美曲塞等以TS为靶的化疗药物的使用具有参考价值。
预测毒副作用和个体化用药： 除了表达水平，TYMS基因的遗传多态性同样是重要的药物基因组学标志物。最著名的是5’UTR区28bp串联重复多态性（VNTR）：具有三拷贝重复(3R)的等位基因会增强TYMS转录效率，导致患者肿瘤中TS含量增高[23]。这类患者往往需要更高剂量的5-FU才能取得相同疗效，标准剂量下疗效较差，预后也相对不理想[23]。相反，携带双拷贝重复(2R/2R)的患者TS表达偏低，5-FU对肿瘤作用更强，但也更容易出现严重毒性[24]。研究报告显示，结直肠癌患者中2R/2R基因型与更高的化疗毒性（如骨髓抑制、黏膜炎）相关，而3R/3R基因型则与疗效不佳和复发率较高相关联[23][42]。因此，术前检测TYMS基因的VNTR多态性有望预测哪些患者需要调整5-FU剂量或加强毒性监测。在Capecitabine（口服5-FU前体药）治疗中，ENOSF1基因（与TYMS相邻的反义基因）的多态性也被证明影响毒副反应：例如ENOSF1的rs2612091突变会改变该基因表达，已被关联到卡培他滨所致手足综合征发生风险增加[43]。另一个位于TYMS下游/ENOSF1内含子的多态位点rs2741171，同样与手足综合征和消化道反应风险相关[44]。由于ENOSF1反义RNA可以降低TYMS mRNA稳定性，这些变异可能通过调节TS含量来影响药物毒性[45]。综合这些发现，TYMS/ENOSF1基因区域的遗传检测正成为个体化治疗的参考依据之一。近年来的转化医学研究强调，结合TYMS表达和基因型信息，可更精确地预测患者对5-FU为基础的化疗的生存获益和治疗响应[46][39]。未来有望开发联合生物标志物模型（包括TYMS在内）来指导临床决策，实现真正的精准医疗。
TYMS基因突变与基因编辑方面的研究
基因突变研究： 正常情况下，TYMS基因是维持细胞DNA合成所必需的“管家基因”，因此体细胞中很少发现功能缺失型突变，胚系纯合突变则被认为不可存活。然而，随着高通量测序的发展，罕见的TYMS遗传变异及其致病性逐渐受到关注。2022年发表的一项研究首次报道了胚系TYMS缺陷与人类遗传病的直接关联：研究者在一组患有先天性短端粒综合征/皮肤粘膜角化不良症的儿童中发现了杂合的TYMS基因损害性变异[25][27]。这些患儿体内TS蛋白水平显著低于带相同变异的亲代携带者，提示除单一突变外还有其他因素导致了TS活性的严重下降[27]。进一步功能实验揭示了一个二基因（TYMS-ENOSF1）上位互作的机制：TYMS基因与其邻近的ENOSF1基因（编码天然的TS反义RNA及相关蛋白）共同调控体内TS的稳态[26]。在这些患者中，来自未突变父本的某些ENOSF1变异可能与来自母本的TYMS突变共同作用，导致TS水平低至致病阈值[26]。这一发现不仅拓展了我们对TYMS调控网络的认识，也为化疗药物严重毒性个体差异提供了遗传学解释：已有资料显示，一些TYMS或ENOSF1的单核苷酸多态性（SNP）与5-FU严重不耐受（如手足综合征、骨髓抑制）相关[47]。TYMS-ENOSF1二基因模型为理解这些药物超敏反应提供了生物学依据[47]。除了胚系变异，肿瘤细胞中获得性 的TYMS改变也值得注意：有报道指出在5-FU或培美曲塞长期压力下，肿瘤细胞可出现TYMS基因扩增或启动子增强，从而增加TS产量以逃逸药物作用（类似于DHFR在MTX耐药细胞中的扩增现象）[48][17]。此外，某些抗癌药筛选实验中，研究者分离出对TS抑制剂耐受的细胞株，其中可能包含TS基因点突变导致酶结构变化，对FdUMP亲和力降低。但在临床肿瘤中，此类突变尚未广泛报道。总体而言，TYMS基因突变研究目前集中于药物基因组学和罕见病两个方面：前者帮助解释和预测化疗反应，后者揭示TS在人体发育和稳态中的不可或缺性。
基因编辑和合成致死研究： 随着CRISPR/Cas9基因编辑技术的发展，科学家开始尝试直接改造TYMS基因，以研究其功能并寻求新的治疗策略。一项突破性研究利用CRISPR/Cas9敲除了人类细胞和干细胞中的TYMS基因，创造出了一种细胞增殖开关[49]。被敲除TYMS的细胞仅在培养基补充胸苷的条件下才能存活增殖，一旦去除胸苷，细胞因无法合成dTMP而停止分裂并走向死亡[49][50]。研究团队将这一系统应用于诱导多能干细胞（iPSCs），发现缺失TYMS的干细胞在加胸苷时可正常扩增并分化成功能性细胞（如胰岛β细胞），而分化成熟的细胞不再需要外源胸苷供给也能在体内存活[49][51]。该成果提供了一种无须引入外源基因的安全开关策略：可用于防止干细胞移植后的异常增殖或肿瘤形成，一旦出现问题，停用胸苷供给即可选择性清除增殖中的移植物细胞[52][53]。这项发表于2024年的研究表明，TYMS基因的编辑在再生医学和细胞疗法中具有实际应用前景。
在肿瘤治疗方面，直接编辑TYMS来对抗癌症仍面临挑战，因为TS是正常造血和肠黏膜细胞增殖所必需的酶，全身性抑制会引发严重毒性。取而代之的是利用基因编辑寻找合成致死靶点成为策略之一。例如，有研究尝试同时抑制DNA修复基因和TYMS，以诱导肿瘤细胞“无路可走”的状态：如BRCA2缺陷型肿瘤细胞对TS抑制更为敏感，两者联合作用可导致“互补致死”，显著增强化疗效果[54]。此外，上文提及的TYMS-ENOSF1调控轴也为基因疗法提供了线索：如果能通过基因编辑手段上调ENOSF1（TS的天然抑制因子）或模拟其作用，也许可选择性地下调肿瘤中的TS水平而不影响正常组织[45][55]。目前，有实验在5-FU耐药的结直肠癌细胞中导入外源反义RNA或CRISPR激活ENOSF1的表达，观察到TS蛋白降低、细胞对5-FU重新产生敏感的现象[56][55]。尽管仍处于早期探索阶段，这些研究暗示通过基因编辑间接调控 TYMS（而非彻底敲除）可能成为增强疗效的新方向。
TYMS基因与RNA连接的潜在关联
“RNA连接”（RNA ligation）通常是指RNA分子之间的连接反应，例如剪接过程中外显子的连接或由RNA连接酶催化的RNA片段拼接。在已有文献中，TYMS基因与经典的RNA连接过程并无直接关联。TS酶主要位于细胞质中催化脱氧尿苷酸转变为脱氧胸苷酸，参与DNA合成，对RNA的加工或连接并不发挥酶学功能。5-FU等药物虽然可以嵌入RNA导致异常，但那是通过扰乱RNA本身及相关酶作用实现的，并非TYMS蛋白直接介入[2][6]。然而，值得注意的是，TYMS基因座上存在一个天然反义转录本，即前述的ENOSF1基因。ENOSF1最初是因为产生反义RNA调控TS而被发现的，有研究表明该基因通过其反义RNA与TYMS mRNA互补结合，影响后者的稳定和翻译[45]。有趣的是，ENOSF1编码的蛋白（曾称为rTS蛋白）带有与2’,5’-RNA连接酶类似的结构域，推测可能在细胞中具有RNA代谢相关的酶功能[57][58]。尽管目前尚未证实ENOSF1产物具备RNA连接酶的活性，但这一结构特征提示ENOSF1/TYMS基因对在进化上可能与RNA代谢有某种联系。例如，有学者提出rTS蛋白可能合成某种信号分子，通过2’-5’寡腺苷酸通路或其他途径下调TS活性，这与经典的干扰素诱导RNA连接酶通路有相似之处[59][60]。另外，ENOSF1基因的存在显著影响TYMS的表达调控，一些变异（如rs2612091、rs2741171）通过改变ENOSF1转录或反义RNA功能，进而间接地改变了TYMS基因产物对RNA代谢药物的响应[43]。综上所述，目前并无证据表明TYMS直接参与了RNA连接酶活性或RNA拼接机制。任何TYMS与RNA连接的关联都是间接的：例如通过5-FU插入RNA触发的RNA损伤应答，或者通过其反义基因ENOSF1的RNA产物影响TYMS或其他基因的表达调控[26][47]。这一领域仍属新兴课题，未来可能有研究探索TYMS通路与RNA代谢（如tRNA或rRNA加工）的交叉点，但截至目前相关报道非常有限。如果将来发现ENOSF1编码蛋白具有RNA连接酶或类似活性，那将进一步揭示TYMS基因座与RNA代谢之间更具体的分子联系。现阶段，我们只能说TYMS基因与RNA连接不存在明确的直接关联，更多是通过反义RNA调控和代谢通路间接关联，有待进一步深入研究验证。
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