微囊藻毒素－LR與癌癥發(fā)生發(fā)展的分子機制研究進展

周麗華 王 婷

1 南京醫(yī)科大學(xué)2012級臨床專業(yè)6班，江蘇省南京市 210029； 2 南京醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院細胞生物學(xué)系

隨著人類生活方式的改變，工業(yè)化、城市化的發(fā)展以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大量使用化肥，大量的營養(yǎng)物質(zhì)注入水體，湖泊富營養(yǎng)化日益嚴重，嚴重影響了水質(zhì)和環(huán)境衛(wèi)生。天然水體富營養(yǎng)化已成為我國乃至世界所面臨的重大環(huán)境污染問題之一。目前，世界上淡水湖泊藍藻水華發(fā)生的頻率與嚴重程度都呈現(xiàn)迅猛的增長趨勢，發(fā)生的地點遍布全球各地。歐洲、非洲、北美洲和南美洲的比例分別是53%、28%、48%和4l%［1］。在我國，90年代以來，淡水水體的富營養(yǎng)化狀況更加嚴重。60%的天然淡水湖泊有不同程度的富營養(yǎng)化污染現(xiàn)象。由此造成的藍藻爆發(fā)是當(dāng)今人類面臨的嚴重問題。其中，微囊藻屬爆發(fā)引起的水體微囊藻毒素（microcystins，Mcs）污染對人類的健康的影響尤其令人關(guān)注。微囊藻毒素－LR（microcystin－LR，MC－LR）是毒性最強的微囊藻毒素之一，對自然界生物有著嚴重的毒性作用，且具有明顯的器官選擇性毒性包括肝臟毒性、腎毒性、神經(jīng)毒性等，同時與人群的原發(fā)性肝癌、大腸癌以及急性肝出血、肝壞死有關(guān)。本文就針對微囊藻毒素－LR與癌癥發(fā)生、發(fā)展的關(guān)系進行綜述。

1 微囊藻毒素－LR通過調(diào)節(jié)PP1，PP2A調(diào)節(jié)細胞的生命活動

細胞內(nèi)許多重要的生理功能都依賴于蛋白激酶和蛋白磷酸酶對磷酸化和去磷酸化的精細調(diào)節(jié)，其中，絲／蘇氨酸蛋白磷酸酶1及2A（protein phosphatase1and 2A，分別簡寫為PPI，PP2A）扮演了尤為重要的角色。PP2A參與了細胞的增殖、代謝、分化、DNA修復(fù)、凋亡等幾乎所有生理活動。在體內(nèi)至少有75種PP2A全酶的組合，這與其眾多的生理作用密切相關(guān)［2］。

PP2A是MC－LR在細胞內(nèi)的主要靶點，具有抑制細胞惡性轉(zhuǎn)化和促進細胞凋亡的功能［3，4］。MCLR直接與PP2A結(jié)合而造成PP2A活性損失，進而導(dǎo)致細胞內(nèi)蛋白過磷酸化出現(xiàn)一系列生物化學(xué)改變，是MC－LR造成細胞損傷最重要的機制［5］。MCLR對細胞內(nèi)PP2A總體活性表現(xiàn)出低濃度促進、高濃度抑制的雙重效應(yīng)，但體外實驗時只表現(xiàn)為強抑制性，這說明了MC－LR能引起細胞對PP2A的代償調(diào)節(jié)，包括產(chǎn)生神經(jīng)酰胺上調(diào)部分PP2A全酶活性［6］、PP2A／C與α4蛋白解離以代償PP2A活性損失［7］等?，F(xiàn)已證明MC－LR既能造成細胞凋亡，又具有促癌作用。細胞暴露于MC－LR后，進行凋亡還是惡性轉(zhuǎn)變的命運選擇，可能取決于細胞內(nèi)不同PP2A的活性以及細胞對PP2A的調(diào)節(jié)機制。

2 微囊藻毒素－LR與染色體不穩(wěn)定性

染色質(zhì)多倍體的形成和染色質(zhì)不穩(wěn)定性是腫瘤細胞最常見的異常現(xiàn)象，其主要產(chǎn)生于分裂時子細胞染色質(zhì)的不對稱分配［8］。Nek2（NIMA－related kinase 2）屬于絲氨酸／蘇氨酸激酶，它集中于著絲粒，通過底物磷酸化調(diào)節(jié)紡錘體的形成和分離，從而調(diào)節(jié)染色質(zhì)的分配［9］。Nek2廣泛高表達于多種腫瘤［10］。Nek2的激活主要通過自體磷酸化、蛋白磷酸酶抑制劑的加入，或者PP1的減少［11］。有研究證明微囊藻毒素－LR與PP1的結(jié)合也能激活Nek2［12］。因此，微囊藻毒素－LR的促癌作用可能通過染色體的不對稱分裂有關(guān)，進而產(chǎn)生病理性核分裂，使細胞出現(xiàn)癌細胞的特征。

3 微囊藻毒素－LR與腫瘤的侵襲轉(zhuǎn)移

最近研究表明，微囊藻毒素與腫瘤的侵襲轉(zhuǎn)移有關(guān)。腫瘤的侵襲轉(zhuǎn)移需要依靠降解細胞外基質(zhì)的基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP）。在黑色素瘤細胞MDAMB－435中，微囊藻毒素可以通過PI3－K／AKT／NFκB上調(diào)MMP－2／－9表達的促進腫瘤細胞的侵襲轉(zhuǎn)移［13，14］。AKT的磷酸化，可由PP2A和PDK1調(diào)節(jié)，AKT的Ser473主要被PDK1磷酸化，但在HEK293－OATP1B3中，微囊藻毒素－LR對PDK1磷酸化作用不顯著［15］。而PTEN作為主要的PI3－K／AKT負調(diào)節(jié)劑，可以去磷酸化PIP3為PIP2。有研究表明，微囊藻毒素－LR可以降低PTEN的表達［16］。因此微囊藻毒素主要通過強烈抑制磷酸酶PP2A的活性和抑制PTEN的表達，導(dǎo)致AKT的活化，進而促進腫瘤的侵襲轉(zhuǎn)移。

4 微囊藻毒素－LR與癌基因、抑癌基因及其表達產(chǎn)物

4.1 微囊藻毒素－LR與C－myc C－Myc蛋白由細胞內(nèi)重要原癌基因C－myc編碼，C－myc過度表達以及C－Myc在細胞內(nèi)的積聚對細胞惡性轉(zhuǎn)化起關(guān)鍵作用。MC－LR可直接通過增強C－myc表達促癌。而PP2A／B56a型全酶可實現(xiàn)C－Myc蛋白Ser62的去磷酸化，使其進入泛素一蛋白酶降解體系，從而抑制其在細胞內(nèi)的累積［17］。所以，MC－LR還可通過調(diào)節(jié)PP2A／B56a型全酶活性調(diào)節(jié)細胞惡性轉(zhuǎn)化。

4.2 微囊藻毒素－LR與Bcl－2 Bcl－2蛋白家族中既有促凋亡蛋白如Bad、Bax，也有抗凋亡蛋白如Bcl－2。MC－LR可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子p53調(diào)控bcl－2基因表達（上調(diào)促凋亡基因，下調(diào)抗凋亡基因）促進細胞凋亡。Bcl－2蛋白家族同時是PP2A／B56a型全酶的直接底物，PP2A／B56a型全酶可以通過去磷酸化Bcl－2以及Bad，使其分別處于失活和活化狀態(tài)來誘導(dǎo)凋亡［4］。MC－LR是否同CIP2A（cancerous inhibitor of protein phosphatase 2A）一樣通過抑制PP2A／B56a型全酶活性［18］而實現(xiàn)對細胞的惡性轉(zhuǎn)化尚未定論。

4.3 微囊藻毒素－LR與Rb RB蛋白家族由抑癌基因Rb編碼，為核內(nèi)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，能與E2F蛋白結(jié)合而抑制與細胞增殖相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。其成員P107和P130的激活依賴于PP2A的去磷酸化［19］。而MC－LR抑制PP2A活性，使RB蛋白處于失活狀態(tài)，導(dǎo)致細胞惡性轉(zhuǎn)化。

5 微囊藻毒素－LR與細胞凋亡

研究表明，MC－LR可以促進肝細胞的凋亡。細胞凋亡是指為維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，由基因控制的細胞自主的有序的死亡。表現(xiàn)為細胞核濃縮，細胞器密集，胞膜突起，體積縮小，DNA斷裂及形成凋亡小體［20］。其機制主要在于：

5.1 MC－LR通過激活MAPK信號通路促進細胞凋亡。當(dāng)MC－LR使α4與pp2A嚴重解離時，α4失去穩(wěn)定核心酶以及抗凋亡的作用，PP2A核心酶部分解離活性喪失，將激活MAPK信號通路（包括ERK1／2，JNK和p38），誘導(dǎo)細胞凋亡。而MAPK信號通路的抑制劑，能顯著抑制微囊藻毒素－LR的促凋亡作用［21］。

5.2 MC－LR通過上調(diào)CAPP促進細胞凋亡。神經(jīng)酰胺是細胞內(nèi)一類主要的第二信使，能傳遞多種外界刺激包括熱激、氧化應(yīng)激、UV、TNF－α等，它的一個重要作用機制是能上調(diào)細胞內(nèi)PPl和PP2A的活性從而促進細胞凋亡［22］。被神經(jīng)酰胺上調(diào)的PP2A全酶被稱作CAPP（ceramide activated protein phosphatases）［23］，包括PP2A／B55a型和PP2A／B56ct型全酶，能產(chǎn)生與細胞凋亡相關(guān)的細胞學(xué)效應(yīng)，如Bad蛋白磷酸化比例下降。

5.3 激酶鈣離子依賴性蛋白激酶Ⅱ（CaMKⅡ）在MC－LR誘導(dǎo)的凋亡過程中起關(guān)鍵作用。有研究發(fā)現(xiàn)，在微囊藻毒素－LR誘導(dǎo)的凋亡早期就發(fā)生了磷酸化蛋白數(shù)量明顯增加的現(xiàn)象，而加入蛋白激酶CaMKⅡ的抑制劑后，蛋白質(zhì)磷酸化現(xiàn)象乃至凋亡都被阻滯，證實激酶CaMKⅡ介導(dǎo)的蛋白質(zhì)磷酸化升高現(xiàn)象作用貫穿于微囊藻毒素－LR誘導(dǎo)的整個凋亡過程。Krakstad等發(fā)現(xiàn)，CaMKⅡ的激活在產(chǎn)生活性氧（ROS）之前，而CaMKⅡ的激活是通過抑制蛋白磷酸酶對它的去磷酸化，這可能是微囊藻毒素－LR通過抑制蛋白磷酸酶PP1和PP2A的活性實現(xiàn)的［24，25］。

5.4 微囊藻毒素－LR也可以通過抑制PP2A來調(diào)節(jié)P53促進細胞的凋亡。P53蛋白是一種非常重要的凋亡調(diào)節(jié)因子［26］，它也是PP2A的底物之一［27］。因此，在人胚腎HEK293－OATP1B3細胞中，微囊藻毒素－LR可以通過促進P53的Ser46磷酸化誘導(dǎo)細胞凋亡。由于p53的下游基因p21編碼的蛋白是一個依賴細胞周期蛋白的蛋白激酶抑制劑，因此，P53和P21的上調(diào)還可能跟細胞周期阻滯有關(guān)［15］。除此以外，P53可以調(diào)節(jié)Bcl－2家族調(diào)控凋亡。Bcl－2家族在細胞凋亡調(diào)控中有重要的作用，Bcl－2和bax分別是Bcl－2家族中最主要的抑制凋亡和促進凋亡蛋白。Bcl－2可阻止凋亡形成因子如細胞色素C等從線粒體釋放出來，具有抗凋亡作用，而Bax可與線粒體上的電壓依賴性離子通道相互作用，介導(dǎo)細胞色素C的釋放，具有促凋亡作用［28，29］。體外實驗表明，微囊藻毒素－LR可以上調(diào)P53和Bax的表達，降低Bcl－2的表達來促進大鼠肝細胞的凋亡［30］。

5.5 凋亡關(guān)鍵蛋白caspase－3是否參與MC－LR誘導(dǎo)的細胞凋亡可能依賴于細胞類型和毒素作用時間，尚無定論。在TNF、DNA損傷等促凋亡信號的作用下，初始型caspase被激活從而激活下游的效應(yīng)型caspase如caspase－3，使細胞質(zhì)、細胞核及細胞骨架的重要蛋白質(zhì)降解失活，從而導(dǎo)致細胞凋亡。Fladmark等用caspase－3的特異性抑制劑ZVADfmk作用于原代大鼠肝細胞后成功抑制了MC－LR誘導(dǎo)的細胞凋亡［31］，但也有實驗得出相反結(jié)論。

5.6 微囊藻毒素－LR下調(diào)CDKs，調(diào)節(jié)細胞凋亡。CDKs（周期依賴性蛋白激酶）屬于絲氨酸／蘇氨酸蛋白激酶家族，CDKs被細胞周期蛋白時相性地激活是細胞周期調(diào)控的核心［32］。MC－LR下調(diào)CDKs將導(dǎo)致細胞周期的阻滯及細胞凋亡［33］。其機制是：MC－LR通過上調(diào)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子p53從而激活其下游基因p21，編碼周期蛋白依賴性激酶抑制因子CKI，抑制CDKs使其不能被時相性地激活。

微囊藻毒素－LR由于其強促癌性而被廣泛研究。MC－LR對PP2A的強抑制作用是其細胞毒性的主要機制，其他機制大多直接或間接與PP2A活性被抑制相關(guān)，由此而產(chǎn)生的改變成為了MC－LR毒性作用最重要的分子基礎(chǔ)。MC－LR促進癌癥發(fā)生、發(fā)展的機制有：激活Nek2降低染色體穩(wěn)定性，活化AKT促進腫瘤的侵襲轉(zhuǎn)移，上調(diào)C－Myc、Bax同時下調(diào)RB及Bcl－2等。此外，腫瘤的發(fā)生與細胞凋亡的調(diào)節(jié)失控密切相關(guān)。MC－LR可以通過抑制PP2A上調(diào)P53、下調(diào)CDKs、激活CaMKⅡ以及MAPK信號通路促進細胞凋亡，還可能通過上調(diào)CAPP等促進細胞凋亡。雖然目前已經(jīng)開展了大量對微囊藻毒素毒性的研究，但是仍然存在很多問題未明了。比如：微囊藻毒素誘導(dǎo)細胞走向凋亡或惡性轉(zhuǎn)換的平衡點及其影響因素，細胞內(nèi)不同PP2A對MC－LR刺激的反應(yīng)及產(chǎn)生的細胞學(xué)效應(yīng)。

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