Smac、XIAP、caspase-3 與腫瘤發(fā)生的關系及研究進展

楊莉暉 單春光 許秋榮 趙穎 黃紅梅 王利軍 賈文學

細胞凋亡又稱程序性細胞死亡，是生物體內(nèi)細胞在特定的內(nèi)源和外源信號誘導下，其死亡途徑被激活，并在有關基因的調(diào)控下發(fā)生的程序性死亡過程，對機體的發(fā)生、發(fā)展以及自身穩(wěn)定起著關鍵性作用。細胞凋亡受抑制，使細胞生存周期延長，轉(zhuǎn)化突變的細胞積聚，最終將導致腫瘤腫瘤的發(fā)生、發(fā)展及惡變。Smac、XIAP、caspase-3在細胞凋亡的過程中起著重要的調(diào)控及效應作用。

1 Smac、XIAP、caspase-3 的結構和特征

1.1 Smac的結構和特征 Smac為第二個線粒體衍生的半胱氨酸蛋白酶激動劑(second mitochondria-derived activator of caspase)，與低等電點凋亡抑制蛋白直接結合蛋白DIABLO(direct IAP bing protein with low PI)完全等同［1，2］。人類的 Smac基因位于第12號染色體的長臂，7個外顯子組成。Smac單體是拉長的三螺旋(H1、H2、H3螺旋)結構，具有一定的曲度。兩個單體Smac通過H1螺旋的N-末端與H2螺旋的C-末端發(fā)生二聚化，形成Smac同源二聚體。Smac的二聚化對促進caspase-3前體的激活以及caspase-3酶活性有著重要的作用。Smac在人體中有廣泛的表達。在正常的人體細胞中，Smac不誘發(fā)凋亡，當細胞受損時，Smac便發(fā)揮其促進凋亡的作用。

1.2 XIAP的結構和特征 細胞凋亡過程中，凋亡蛋白抑制劑(IAP)可抑制線粒體活化，并直接結合、抑制效應caspase-3、6、7的作用，從而抑制細胞凋亡。IAP是惟一內(nèi)源性caspase抑制物，目前已發(fā)現(xiàn)人類IAP家族成員包括:NAIP、XIAP、cIAP-1、cIAP-2、survivin、apollon、LP-2、livin。X連鎖凋亡抑制蛋白(X-linked inhibitor of apoptosis protein，XIAP)定位于 Xp25，具有IAP家族的特征性結構—BIR結構域。BIR結構域是IAP家族執(zhí)行細胞凋亡抑制功能的必需氨基酸序列，是IAP與caspase、Smac結合的結構基礎。它位于IAP氨基端，由大約70個氨基酸組成。XIAP包含N端的BIR1—BIR3三個結構域和C端的RNG鋅指結構域。除了外周血液中淋巴細胞外，XIAP在人體內(nèi)全部組織內(nèi)廣泛表達。

1.3 caspase-3的結構和特征 含半胱氨酸的天冬氨酸酶(cysteine containing aspartate specific protease，caspase)是一種半胱氨酸蛋白酶，在真核細胞細胞凋亡中執(zhí)行重要任務，至今已發(fā)現(xiàn)14種哺乳類caspase，分別命名為caspase-1～caspase-14。半胱氨酸位于酶的活性中心，底物特異作用點為天冬氨酸殘基。Caspase一般以非激活的酶原形式存在于胞內(nèi)，在凋亡過程中通過亞單位聚合為多聚體或經(jīng)蛋白水解而被激活。Femander-Alnemri等［3］在1994年發(fā)現(xiàn)了 caspase-3基因，該基因定位于染色體4q33－q35.1處，caspase-3基因中存在一個安全扣調(diào)節(jié)三肽，位于大、小亞單位相結合的可變形區(qū)域中，由 Asp-Asp-Asp組成，在caspase-3觸發(fā)活化使起關鍵的作用。

2 Smac、XAIP、caspase-3在細胞凋亡中的相互作用

凋亡相關的caspase按其生化特征和功能可分為起始 caspase(上游 caspase)和效應 caspase(下游caspase)。起始 caspase 包括 caspase-2、8、9、10，其含有蛋白質(zhì)—蛋白質(zhì)相互作用的長N末端結構域，稱死亡效應區(qū)域，起始caspase與接頭蛋白的同源結構域結合，使起始caspase發(fā)生構象改變而被激活，進而進行自身切割，并剪切、激活效應 caspase。效應 caspase(caspase-3、6、7)含較短或不含結構域，以無活性的二聚體形式主要存在于胞質(zhì)中，通過剪切大、小亞單位間的特異點而激活，效應caspase互相進行切割，以級聯(lián)反應方式被激活。激活的效應caspase切割細胞內(nèi)底物，破壞細胞結構及細胞代謝，導致凋亡的發(fā)生。在細胞凋亡的途徑中，盡管起始因子各不相同，但最終都會在caspase-3會合而引起細胞結構蛋白水解，導致細胞凋亡的發(fā)生，因此caspase-3可能是整個細胞凋亡級聯(lián)反應中必經(jīng)之路，是一個關鍵調(diào)控點。研究發(fā)現(xiàn)，XIAP的BIR2通過與caspase-3的底物結合位點競爭性結合，從而抑制caspase-3的活性。BIR3結構域還可以與上游caspase-9的單體結合，形成異源二聚體，抑制其活性，在上游抑制caspase-3的激活，喪失催化caspase凋亡途徑的功能。XIAP是迄今為止已發(fā)現(xiàn)的IAP家族中作用最強的一種［4］，在 caspase凋亡途徑中，既可以抑制起始階段，又可以抑制效應階段。Smac可以與XIAP的BIR1、BIR2穩(wěn)定結合，通過破壞XIAP的第3個BIR結構域與上游caspase-9結合，并破壞Linker-BIR2與caspase-3或caspase-7之的相互作用，從而達到解除XIAP對caspase的抑制，促進細胞凋亡。同時也可以直接增強caspase-3的活性達到促進細胞凋亡的目的。

3 Smac、XIAP、caspase-3 與腫瘤的關系

3.1 Smac與腫瘤的關系 2003年，Yoo等［5］通過免疫組化技術研究發(fā)現(xiàn)，Smac在不同癌腫組織中的表達不同。在癌瘤中的陽性表達率為62%，分別為胃癌(42/60)、卵巢癌 (7/10)、結腸癌 (7/10)、肺癌(4/10)、前列腺癌(2/10)。而在肉瘤中的陽性表達率為22%，尤因肉瘤(1/2)、橫紋肌肉瘤(5/11)、惡性皮膚纖維瘤(2/7)、惡性神經(jīng)鞘病(2/8)、平滑肌肉瘤(1/6)，在血管肉瘤(8例)及脂肉瘤(8例)中未見表達。在腎細胞癌的表達情況中，分化程度越低、惡性程度越高的癌癥組織，Smac的表達率越低。在肺癌的發(fā)生發(fā)展過程中，Smac呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。提示Smac高表達可以使讓腫瘤細胞更敏感地接受凋亡刺激，促進腫瘤細胞的凋亡，提高腫瘤細胞對化療藥物的敏感程度，而Smac的低表達則有可能阻止腫瘤細胞的凋亡［6］。

3.2 XIAP與腫瘤的關系 XIAP在喉鱗狀細胞癌中高表達，與正常黏膜中的表達相比有顯著差別，且與喉癌的病理分級有關，隨病理分級增加，陽性表達率增高，差別具有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)，提示XIAP與喉鱗狀細胞癌的發(fā)生發(fā)展、預后有著密切的關系［7］。在人類乳頭狀瘤病毒感染所引發(fā)的喉乳頭狀瘤組織中，XIAP的表達要高于正常喉黏膜，說明可能在喉乳頭狀瘤的發(fā)病過程中，XIAP異常表達，抑制了細胞的凋亡過程，從而促進了乳頭狀瘤的發(fā)生發(fā)展［8］。在非小細胞肺癌中，XIAP可以抑制起始 caspase-9及效應caspase-3、caspase-7的活性，阻止細胞調(diào)亡。Hofmann等［9］運用免疫印跡及RT-PCR技術，發(fā)現(xiàn)XIAP是促進肺癌發(fā)生的一個重要因子。Shiraki等［10］研究發(fā)現(xiàn)XIAP在正常的肝細胞系及組織中的低表達，而在肝癌細胞及組織中表達水平增高，且與腫瘤的凋亡指數(shù)負相關。陶璐薇等［11］研究發(fā)現(xiàn)在肝癌細胞系及組織中XIAP mRNA及蛋白呈現(xiàn)高表達，認為XIAP可能是肝細胞發(fā)生惡性病變的重要因素。Ramp等［12，13］研究發(fā)現(xiàn)在胰腺癌組織中XIAP的表達明顯高于癌旁的胰腺組織，且與胰腺癌組織的病理分化有關，分化程度越低，XIAP的陽性表達率越高。

3.3 caspase-3與腫瘤的關系 在病理分型為低分化的鱗狀細胞癌的鼻咽癌患者中，caspase-3陽性表達率低，且表達越弱者放療敏感性越差，復發(fā)率越高，生存率越低［14］。Cor等［15］經(jīng)免疫組化法研究發(fā)現(xiàn)，在正常喉黏膜、喉部不典型增生組織及喉鱗狀細胞癌組織中，caspase-3的陽性表達率依次降低，說明caspase-3表達率降低與喉癌的發(fā)生發(fā)展有關。王克文等［16］通過免疫組化和RT-PCR技術研究發(fā)現(xiàn)，caspase-3在食管鱗狀細胞癌組織的表達率低于正常組織。徐進等［17］應用免疫組化方法檢測出在正常胃黏膜、不典型增生、胃癌組織中，caspase-3的表達率依次呈降低趨勢，而且與癌細胞的分化程度有關。Jonges等［18］發(fā)現(xiàn)，caspase-3在正常直腸黏膜、直腸腺瘤及直腸癌中的陽性表達率逐次降低，從而提示caspase-3在直腸癌的發(fā)病過程中起著一定的作用。

4 腫瘤治療的研究進展及展望

目前在腫瘤治療中，對XIAP及Smac的研究較為多見。XIAP在腫瘤組織中高表達，很多研究證實其通過抑制 caspase功能［19］、參與 NF-κB 調(diào)節(jié)［20］及參與信號轉(zhuǎn)導［21］等途徑抑制腫瘤細胞凋亡、誘導化療耐藥性，最終導致腫瘤患者預后不良。近年來，針對XIAP為靶點開展的反義寡核苷酸技術、小分子抑制物以及RNA干擾技術已成為腫瘤治療的新靶點，為腫瘤的治療提供了新的方向。目前已研究證明，XIAP反義寡核苷酸技術可以阻斷XIAP，導致caspase激活和細胞凋亡，使腫瘤對放療、腫瘤壞死因子相關凋亡傳導配基及化療藥物敏感［22］。XIAP小分子抑制劑目前有兩種類型—BIR2及BIR3。研究證明BIR2小分子抑制劑與BIR2結構域結合，抑制caspase失活，可以直接誘導腫瘤細胞的凋亡，對人前列腺癌、結腸直腸癌有明顯的抗腫瘤作用［23，24］，使兒童急性白血病細胞對化療藥物及TRAIL敏感［25］。目前BIR3小分子抑制劑的研究為Smac類似物及非肽類小分子化合物。BIR3小分子抑制劑與BIR3結構域結合，使腫瘤細胞對化療藥物敏感，克服化療耐藥性，且無明顯毒性［26－28］。更有研究發(fā)現(xiàn)，XIAP干擾技術比單純的反義技術的效率更高，可以抑制XIAP的表達，抑制腫瘤細胞增殖并促進凋亡。

Smac是天然的XIAP抑制劑，在細胞凋亡中發(fā)揮著重要的作用，高表達的Smac可以促進腫瘤細胞凋亡，增加腫瘤細胞對化療藥物的敏感性，使腫瘤細胞對凋亡刺激更為敏感。研究表明局部注射可以高表達Smac的腺病毒載體和5-Fu，使腫瘤細胞出現(xiàn)大量凋亡，腫瘤明顯縮小甚至消失［29］。類似Smac結構的小分子肽，可以與XIAP結合，解除XIAP對caspase的抑制，從而達到促進細胞凋亡，起到抗腫瘤的作用［30］。Sun 等［31，32］設計合成了系列 Smac 類似物，已證明其中的6i與6j和XIAP的BIR3結構域具有親和力。研究證明，6i可以促進化療所致前列腺癌及乳腺癌細胞的凋亡。Nikolovska-Coleska等［33］根據(jù) Smac與 XIAP的BIR3結合時的立體構象，利用微機掃描篩選出一種中藥成分—紫金牛來源的酸藤子酚，體外試驗證實，酸藤子酚可引起前列腺癌細胞的凋亡。

XIAP反義寡核苷酸技術、RNA干擾技術、Smac及由其衍生的小分子肽有望成為未來腫瘤治療的新舉措。

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