HOXB7在肿瘤中作用的研究进展.pdf 6页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn#HOXB7在肿瘤中作用的研究进展蔡华勇，孔祥俊，朱涛**（中国科学技术大学生命科学学院，合肥，230001）5摘要：越来越多的证据证明了同源域蛋白（homeodomainprotein）HOXB7在癌症中扮演了重要的角色。分子水平和细胞水平的研究都已经证明了HOXB7是一个人体中主要的调控基因，能够影响许多靶蛋白的表达水平，导致很多促癌信号通路的激活。HOXB7在肿瘤中的过表达程度和肿瘤的临床恶性程度和不良预后相关。在缺少有效治疗手段的癌症中，比如具有他莫昔芬耐药性的乳腺癌和黑色素瘤，特异性抑制HOXB7可能成为有效的治疗手段。对HOXB710在癌症中的机理研究，正在提供更多的治疗靶点。对HOXB7作为生物标记物的研究，表明了HOXB7在癌症早期诊断和预后中的重要性。关键词：肿瘤学；HOXB7；同源域蛋白；同源异型盒基因；ReviewofHOXB7TumorResearchProgression15CaiHuayong,KongXiangjun,ZhuTao(UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei,230001)Abstract:NumerousstudieshasestablishedacriticalroleforhomeodomainproteinHOXB7incancer.HOXB7isamasterregulatorygeneinhumangenomethatcouldorchestratevarietyofoncogenicpathwaysandhasinfluenceonmanydownstreamtargetgenesexpression.IthasbeenshownthatHOXB720iscorrelatedwithadvancedclinicalstagesoftumorsandpoorprogonosisofcancerpatients.Also,HOXB7isemergingaspotentpotentialtargetforinterferenceofendocrinetherapyresistanceofcancercells.Keywords:Oncology;HOXB7;homeodomainprotein;homeoboxgenes;250引言同源异型盒基因家族(homeoboxgenefamily)首先在黑腹果蝇（Drosophilamelanogaster）中被发现，其突变会导致果蝇身体部分的[1]。该家族在人类基因组中有235个成员，分为HOX基因和non-HOX基因两类，大部分分散在整个基因组中，都含有一个30高度保守的180个碱基的区域（同源异型盒，homeobox），该区域编码一个60个氨基酸的DNA结合结构域（homeodomain）[2]。同源异型盒基因家族的成员大部分作为转录因子，依赖该DNA结合结构域结合到目标基因的启动子区域，来行使功能。在人类基因组中，已经鉴定出39个HOX基因，簇集在7p15.3、17q21.3、12q13.1、2q31这四个染色体区域，分别命名为HOXA、HOXB、HOXC、HOXD，后接从1开始的35阿拉伯数字[3-5]。HOX基因编码的转录因子家族决定了个体发育过程中的细胞的“身份”（cellularidentity）[6]。许多研究表明，HOX基因家族的许多成员在肿瘤中异常表达，和肿瘤的发生发展密切相关。造成这些异常表达的机理有杂合性丢失（lossofheterozygosity）、基因扩增（geneamplification）、启动子CpG岛超甲基化（CpGislandpromoter40hypermethylation）、组蛋白去乙酰化（histonedeacetylation）等。HOX基因在成体细胞中普遍不表达，许多文章报道了在多种癌症中的再表达[7]。基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20133402120032）作者简介：蔡华勇（1985年），男，研究生，主要研究方向：非编码RNA在乳腺癌中的作用通信联系人：朱涛，男，教授，博士生导师.E-mail:zhut@ustc.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn基于HOX基因能调控多种下游基因的表达的能力，以及HOX基因参与到几乎所有重要的细胞生命过程中，不难预见HOX基因在癌症中的异常表达和癌症的发生发展的相关性。在这里我们主要介绍近年来HOX基因家族中的HOXB7的研究进展。45HOXB7在肿瘤中的过表达程度和肿瘤的临床恶性程度和不良预后相关[8]，暗示了HOXB7可能作为潜在的预后标记物和治疗靶点。尽管HOX基因簇来源于冗余性的基因组复制，HOX蛋白通过与辅助因子和其他转录因子的结合，特异地、稳定地结合到DNA上。这些辅助因子主要包括TALE家族（threeaminoacidloopextension）的PBX1-4，MEIS1-3，PREP1-2[9]。典型的例子是人黑色素瘤细胞系中，miR-221和miR-222的上调50依赖HOXB7和PBX2的结合[10]。调控HOXB7基因表达的诸多机理也多有报道，包括表观遗传学的基因甲基化状态，组蛋白的翻译后修饰，miRNA以及长非编码RNA对其的调控[11-14]。1HOXB7在各种癌症中的功能和机理研究1.1HOXB7在乳腺癌中的异常表达55首先在现象上，Hyman通过对乳腺癌中的基因表达模式的分析发现，363例原发乳腺癌病人中，10%的病人基因组存在HOXB7基因的扩增，并且该扩增和病人的不良预后正相关[15]。Sukumar发现了在乳腺癌病人中更高比例（60%）的HOXB7基因的过表达[16]。淋巴结转移的乳腺导管癌中HOXB7也存在高表达，以及表达量和癌症恶性程度的正相关[17]。60在机理上，HOXB7通过上调bFGF(basicfibroblastgrowthfactor)和激活MAPK(mitogen-activatedproteinkinase)信号通路促进癌症细胞的表皮间质样转化（EMT）[16]。这也印证了Colombo早在1996年发现的在黑色素瘤中bFGF是HOXB7的直接作用靶点[18]，以及在乳腺癌SKBR3细胞系中HOXB7的过表达会导致bFGF的转录和细胞的恶性转化[19]。65有趣的是，在MMTV-HoxB7/HER2转基因小鼠中，HoxB7抑制肿瘤的发生，但促进肿瘤的生长和向肺部的转移[20]，另外，在该体系中没有观察到HOXB7对肿瘤血管生成的明显作用，与之前报道的HOXB7可以在小鼠的异种移植体系中诱导促血管生成的因子（VEGF,Ang2,GROa,IL8）的表达[19,21]不一致，原因可能在与异种移植体系和转基因小鼠体系的差异。70最近亦有报道HOXB7依赖性的TGFβ信号通路的激活导致了细胞运动、侵袭能力的提高，同时能够招募和激活免疫系统的巨噬细胞[22]，说明HOXB7也是肿瘤细胞激活和利用自身免疫系统的重要枢纽。1.2HOXB7在DNA修复中的作用HOXB7高表达的乳腺癌细胞在放射线照射后的生存率明显高于不表达HOXB7的对照75细胞。HOXB7通过与Ku70,Ku80,DNA-PKcs等非同源性末端连接通路的因子相互作用，获取了其提高细胞DNA双链断裂（DSB，doublestrandbreak）修复的能力，同时这种能力有助与细胞积累诱发癌变的突变[23]。最新的研究揭示了同源域蛋白家族在DNA损伤修复中作用的复杂性，HOXB7和CDX2都和Ku70/80有相互作用，但对DNA修复的效果相反，HOXB7表现为提高结肠癌细胞的DNA修复能力，CDX2表现为抑制，揭示了其中可能存80在的平衡关系[24]。-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn1.3HOXB7和乳腺癌内分泌疗法耐药性Sukumar和ZhuT发现乳腺癌MCF-7细胞在他莫昔芬持续处理下，HOXB7水平持续升高，HOXB7结合到EGFR的启动子区，促进EGFR的转录。高水平的HOXB7通过RTK信号通路和ER信号通路之间的交互作用（cross-talk），促进了他莫昔芬耐药性的形成[8]。85通过对HOXB7调控的基因的全面分析，以及和ER（雌激素受体）调控的基因的对比，Jin在2015年报道了两者的相关性，表明HOXB7是ER激活HER2和其他多个下游基因的辅助因子，HOXB7在乳腺癌中的高表达是内分泌疗法耐药性（EndocrineResistance）的成因之一[25]。Heinonen通过CHIP-seq发现了乳腺癌BT474细胞基因组中超过1500个HOXB7的结合位点，并发现HOXB7倾向于结合在受其调控的基因的远端增强子区域，而不是启90动子区域[26]，对这些结合位点的细致分析表明，很多和雌激素受体（ER）调控的下游基因的调节位点重合，揭示了HOXB7在癌细胞耐药性形成过程中的作用机理。1.4其他癌症中的HOXB7HOXB7在胃癌、结直肠癌、胰腺癌、子宫颈癌、口腔癌症、肝癌、肺癌中都有报道其相对于正常癌旁组织的异常高表达。95胃癌中HOXB7的促肿瘤作用在2016年得到了确认，机理上看到了HOXB7对Akt/PTEN信号通路的调节作用[27]。不出意外的，HOXB7过表达引起的细胞增殖，主要是通过激活下游的Akt信号通路和MAPK信号通路，并且在胃癌病人中和不良预后相关[28]。结直肠癌中HOXB7的异常高表达的发现可以追溯到1993年[29]，直到最近，HOXB7被确认其表达水平和结直肠癌的临床恶性程度紧密相关[30]。100在5年生存率非常低(<4%)的胰腺导管腺癌中，HOXB7的过表达和癌细胞的侵袭能力以及区域性淋巴结浸润能力相关，并且GBP1和CCBP2可能是受其调控的下游基因[31]。miR-337在44例胰腺导管腺癌病人的样本中，被发现和HOXB7的表达负相关，但缺少机理的阐释[14]。miR-196b在子宫颈癌中被发现表达下调，并且其表达量和病人放化疗后的无疾病生存105期负相关[32]。该研究和之前发现的乳腺癌中HOXB7诱导VEGF表达[21]一起暗示了miR-196b/HOXB7/VEGF通路可能作为未来潜在的子宫颈癌抗血管生成疗法的靶点。HOXB7在口腔鳞状细胞癌细胞中的过表达会引起细胞增殖，HOXB7也和口腔鳞状细胞癌病人的不良预后相关[33,34]。2012年DiPietro发现了Barrett’sesophagus（巴雷特食管）中HOXB7的表达水平和表观遗传学组蛋白标记H3K27me3和AcH3水平的相关性110[11]。在口腔癌症中，还有的研究组看到HOXB7的肿瘤促进能力主要是通过TGFβ2/SMAD3信号通路，过表达HOXB7还会引起Bcl-2/Bax比例的升高，提高癌细胞化疗耐受力[35]。HOXB7也是四基因诊断法的基因之一(CLDN4,HOXB7,TMSB4,andTTR)，四基因诊断可以区分肝胆管型肝癌，肝细胞型肝癌，以及良性的肝功能障碍性疾病[36]。HOXB7115也可以作为肝细胞型肝癌行肿瘤切除术后的长期预后分子[37]。肺癌中，HOXB7被长非编码RNATUG1调控。特别是在非小细胞肺癌（NSCLC）中，TUG1下调并且和不良预后相关，HOXB7上调，暗示了p53/TUG1/PRC2/HOXB7通路可能作为未来非小细胞肺癌诊断和治疗的靶点[13]。少发的唾液腺肿瘤中HOXB7和HOXB9的作用也有研究组在关注，对CD105,Ki67,120HOXB7和HOXB9的免疫组化分析表明正常的癌旁组织中HOXB7也有表达，HOXB7作-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn为预后分子的区分效果不明显[38]。2HOXB7的辅助因子HOXB7需要辅助因子的帮助以更紧密更专一地结合到基因组的目标位点。在乳腺癌中，显性负性（dominant-negative）的PBX1突变体的引入会干扰HOXB7的诱导细胞恶性转化125的能力，增加凋亡，减缓细胞周期，上调p16和p53[39]。在黑色素瘤中，HOXB7更倾向与PBX家族成员结合[40]。Errico报道了在黑色素瘤中，HOXB7/PBX2对miR-221和miR-222的表达促进作用，miR-221和miR-222进一步调控下游的一系列因子（p27Kip1,ETS-1,c-KITreceptor,c-FOS），导致细胞增殖、浸润的提高，阻断细胞分化，降低细胞凋亡[10,41]。HOXB7还和PARP-1（poly(ADP)ribosepolymerase-1）有直接的相互作用，HOXB7被130PARP-1核糖基化后，抑制了其DNA结合能力[42]。另外，PARP-1也可以通过调节YinYang1（YY1）转录因子的活性来影响HOXB7的转录水平[43]。3针对HOXB7的临床应用虽然对雌激素受体阳性乳腺癌的他莫昔芬治疗和芳香化酶抑制剂治疗取得了很大的成功，仍有三分之一的雌激素受体阳性的乳腺癌患者会在15年内复发。在他莫昔芬耐药性的135乳腺癌MCF-7细胞系中存在表皮细胞间质样转化（EMT），鉴于HOXB7和EMT的关系[16]，HOXB7可能在乳腺癌病人他莫昔芬耐药性的出现过程中发挥作用。目前，这一假设已经部分的得到证实，在ER阳性的乳腺癌细胞中过表达HOXB7，可以诱导EGFR的转录，同时观察到EGFR的高度磷酸化、p44MAPK的激活、ER在Ser-118位点的磷酸化[8]。另外，前文也已提到过在他莫昔芬耐药性细胞中，HOXB7/ER复合体可以激活HER2的转录140[25]。稳定的MYC可以抑制miR-196a的转录，导致了HOXB7的上调，所以“抑制MYC”和“赫赛汀”的协同疗法可以更好的抑制肿瘤，HOXB7、HER2和MYC三者联合可以更好的预后[25]，其他的RTK(ReceptorTyrosineKinase)通路是否参与了HOXB7调控的他莫昔芬耐药性的产生过程，还需要进一步的研究。145针对HOXB7/PBX相互作用设计的小肽（HXR9）可以在不同的癌细胞中干扰HOXB7和PBX的相互作用，干扰HOXB7/PBX和DNA的结合，诱导凋亡[44]。针对性的抑制miR-221和miR-222的疗法和针对性的抑制HOXB7/PBX2二聚体形成的疗法，可能代表了未来临床应用中的新方向[10]。近20年来对卵巢癌免疫原性的理解的加深，打开了卵巢癌免疫疗法的大门。被肿瘤相150关抗原（tumor-associatedantigens）激活的体液免疫反应会产生相关的自身抗体（autoantibodies），对血液中的自身抗体的检测可能作为未来更好的肿瘤检测手段。针对p53、NY-CO-8、HOXB7三者的自身抗体的检测，结合CA-125的检测，能够提高诊断卵巢癌的敏感性和特异性[45]。4展望155尽管最近大量的基础研究和转化医学研究找到了大量潜在的癌症生物标记物（biomarkers），相当多的癌症还是在晚期才被诊断出来，病人的存活率也没有显著的提高。几十年来，对HOX基因簇中的基因和非编码RNA的研究，揭示了其在多种肿瘤中的调控作用。但是，鉴于HOX蛋白家族的高度同源性，很难保证特异性的针对某个HOX蛋-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn白的疗法不发生脱靶效应。160最近在基因治疗领域和计算生物学领域的进步，能很好的限制这种脱靶效应。通过使用siRNAs/shRNAs、核酸酶、适配体、反义寡核苷酸、lncRNAs、miRNAs等技术，现在可以稳定的、高选择性的、高效的敲低或者过表达某个基因或某些基因。特殊设计的小分子干扰HOXB7和其他蛋白质类辅助因子的结合也是未来抗肿瘤药物设计的方向之一。对HOXB7的研究会深刻的惠及未来的肿瘤早期诊断和特异性靶向药物的开发。165支持基金高等学校博士学科点专项科研基金（编号20133402120032）[参考文献](References)[1]Haria,D.andH.Naora,HomeoboxGeneDeregulation:ImpactontheHallmarksofCancer.Cancerhallmarks,1702013.1(2-3):p.67-76.[2]Rawat,V.P.S.,R.K.Humphries,andC.Buske,BeyondHox:theroleofParaHoxgenesinnormalandmalignanthematopoiesis.Blood,2012.120(3):p.519-527.[3]McAlpine,P.J.andT.B.Shows,Nomenclatureforhumanhomeoboxgenes.Genomics,1990.7(3):p.460.[4]Holland,P.W.H.,H.A.F.Booth,andE.A.Bruford,Classificationandnomenclatureofallhumanhomeobox175genes.BmcBiology,2007.5:p.28.[5]Platais,C.,etal.,TheroleofHOXgenesinheadandnecksquamouscellcarcinoma.JournalofOralPathology&Medicine,2016.45(4):p.239-247.[6]Duboule,D.,TheriseandfallofHoxgeneclusters.Development,2007.134(14):p.2549-2560.[7]Shah,N.andS.Sukumar,TheHoxgenesandtheirrolesinoncogenesis.NatureReviewsCancer,2010.10(5):180p.361-371.[8]Jin,K.,etal.,TheHOXB7proteinrendersbreastcancercellsresistanttotamoxifenthroughactivationoftheEGFRpathway.ProcNatlAcadSciUSA,2012.109(8):p.2736-41.[9]Longobardi,E.,etal.,BiochemistryoftheTaleTranscriptionFactorsPREP,MEIS,andPBXinVertebrates.DevelopmentalDynamics,2014.243(1):p.59-75.185[10]Errico,M.C.,etal.,TheabrogationoftheHOXB7/PBX2complexinducesapoptosisinmelanomathroughthemiR-221&222-c-FOSpathway.InternationalJournalofCancer,2013.133(4):p.879-892.[11]diPietro,M.,etal.,EvidenceforafunctionalroleofepigeneticallyregulatedmidclusterHOXBgenesinthedevelopmentofBarrettesophagus.ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica,2012.109(23):p.9077-9082.190[12]Marcinkiewicz,K.M.andL.J.Gudas,Alteredepigeneticregulationofhomeoboxgenesinhumanoralsquamouscellcarcinomacells.ExperimentalCellResearch,2014.320(1):p.128-143.[13]Zhang,E.b.,etal.,P53-regulatedlongnon-codingRNATUG1affectscellproliferationinhumannon-smallcelllungcancer,partlythroughepigeneticallyregulatingHOXB7expression.CellDeath&Disease,2014.5.[14]Zhang,R.,etal.,miR-337regulatestheproliferationandinvasioninpancreaticductaladenocarcinomaby195targetingHOXB7.DiagnosticPathology,2014.9.[15]Hyman,E.,etal.,ImpactofDNAamplificationongeneexpressionpatternsinbreastcancer.CancerResearch,2002.62(21):p.6240-6245.[16]Wu,X.,etal.,HOXB7,ahomeodomainprotein,isoverexpressedinbreastcancerandconfersepithelial-mesenchymaltransition.CancerResearch,2006.66(19):p.9527-9534.200[17]Makiyama,K.,etal.,AberrantexpressionofHOXgenesinhumaninvasivebreastcarcinoma.OncologyReports,2005.13(4):p.673-679.[18]Care,A.,etal.,HOXB7constitutivelyactivatesbasicfibroblastgrowthfactorinmelanomas.MolecularandCellularBiology,1996.16(9):p.4842-4851.[19]Care,A.,etal.,HOXB7:Akeyfactorfortumor-associatedangiogenicswitch.CancerResearch,2001.61(17):205p.6532-6539.[20]Chen,H.,etal.,Hoxb7inhibitstransgenicHER-2/neu-inducedmousemammarytumoronsetbutpromotesprogressionandlungmetastasis.CancerResearch,2008.68(10):p.3637-3644.[21]Care,A.,etal.,TransductionoftheSkBr3breastcarcinomacelllinewiththeHOXB7geneinducesbFGFexpression,increasescellproliferationandreducesgrowthfactordependence.Oncogene,1998.16(25):p.3285-2103289.[22]Liu,S.,etal.,HOXB7PromotesMalignantProgressionbyActivatingtheTGFbetaSignalingPathway.CancerResearch,2015.75(4):p.709-719.[23]Rubin,E.,etal.,ArolefortheHOXB7homeodomainproteininDNArepair.CancerResearch,2007.67(4):p.1527-1535.215[24]Soret,C.,etal.,DistinctmechanismsforoppositefunctionsofhomeoproteinsCdx2andHoxB7indouble-strandbreakDNArepairincoloncancercells.CancerLetters,2016.374(2):p.208-215.-5- 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