LKB1在糖尿病腫瘤患者服用二甲雙胍獲益中的作用

姜宏衛(wèi)，彭慧芳，張穎裕，馬瑜瑾

糖尿病是一種嚴(yán)重的慢性病，造成巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，我國成人糖尿病患病率高達(dá)10.9%，糖尿病前期在成人中的發(fā)生率為35.7%[1]。糖尿病患者糖代謝失調(diào)、激素紊亂、肥胖等癥狀以及某些器官的特異性機(jī)制與多種惡性腫瘤發(fā)生關(guān)聯(lián)，顯著增加糖尿病患者的腫瘤發(fā)生率和惡性腫瘤死亡率，對其治療和預(yù)后也產(chǎn)生不利的影響[2-3]。LKB1(liver kinase B1)或稱STK11(serine-threonie kinase 11)是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，AMPK[denosine 5’-monophosphate(AMP)-activated protein kinase]激活的必要因子，參與多種細(xì)胞通路的調(diào)控，在細(xì)胞代謝、細(xì)胞周期、細(xì)胞增殖、細(xì)胞極性維持等過程中發(fā)揮重要作用，也是一種重要的抑癌基因，該基因缺失、突變與多種腫瘤的發(fā)生密切相關(guān)[4-5]。

二甲雙胍是目前2型糖尿病患者的一線用藥，主要通過LKB1/AMPK通路發(fā)揮降糖作用[6]。使用二甲雙胍控制血糖可以減少糖尿病患者的腫瘤發(fā)生風(fēng)險，對腫瘤化療或放療有一定的增敏作用，還對許多腫瘤有一定的抑制作用，包括胰腺癌、肺癌、結(jié)腸癌、卵巢癌、乳腺癌[7]、前列腺癌、黑素瘤、淋巴細(xì)胞瘤等[8]。本文結(jié)合近年來研究報道，探討二甲雙胍通過LKB1或獨(dú)立于LKB1/AMPK的降糖作用機(jī)制，以及對腫瘤細(xì)胞的抑制途徑，為提高糖尿病患者二甲雙胍獲益率提供參考，同時也為二甲雙胍應(yīng)用于腫瘤患者提供理論基礎(chǔ)。

1 二甲雙胍降血糖機(jī)制

二甲雙胍可以引起細(xì)胞內(nèi)AMP/ATP比值升高，這種能量平衡的變化是激活A(yù)MPK的信號之一，活化的AMPK引起一系列下游反應(yīng)是二甲雙胍降糖作用的主要機(jī)制。AMPK是一個αβγ異源三聚體，其激活作用需在LKB1的作用下，磷酸化α亞基172位蘇氨酸(Thr)[9]，如果LKB1缺失，則無法激活。激活后AMPK會打開分解代謝通路，關(guān)閉合成代謝途徑和細(xì)胞循環(huán)，調(diào)節(jié)激素或細(xì)胞活素類(如瘦素、脂聯(lián)素、抵抗素、饑餓激素、大麻醇)對機(jī)體能量平衡的調(diào)控[10]。

LKB1/AMPK調(diào)控糖異生通路的主要靶標(biāo)分子之一是TORC2(target of rapamycin complex 2)，活化的AMPK可以磷酸化轉(zhuǎn)錄激活因子TORC2，抑制mTOR信號通路，抑制糖異生相關(guān)基因的表達(dá)，降低血糖和胰島素水平[11]；二甲雙胍可以通過抑制mTOR來抑制ISR-1(insulin receptor substrate-1)Ser636/639磷酸化和PI3K/Akt通路，減弱糖尿病患者的胰島素抗性[12]。AMPK的激活還可以抑制ACC(aceacetyl coA carboxylase)和HMGCR(3-hydroxy-3-methyl-glutaryl-coenzyme A reductase)，限制脂肪酸氧化和固醇類合成，激活PFK(phosphofructokinase-1)，促進(jìn)糖酵解作用[13]。同時活化的LKB1/AMPK可以通過SITR1(sirtuin 1)來形成對二甲雙胍降糖作用的代謝記憶[14]。

AMPK激活引起一系列的下游反應(yīng)是二甲雙胍降糖作用的主要機(jī)制，但是AMPK的活化必須有磷酸化的LKB1存在，如果LKB1受到抑制或缺失等負(fù)調(diào)控，AMPK激活也會受到抑制。敲除小鼠肝臟中LKB1基因，會增加糖異生基因表達(dá)，引起肝臟葡萄糖輸出和顯著高血糖癥狀，二甲雙胍的降血糖作用也會受到抑制[15]。多磷酸肌醇激酶(inositol polyphosphate multikinase,IPMK)在細(xì)胞能量代謝和葡萄糖相關(guān)的AMPK調(diào)控中發(fā)揮一定的作用，IPMK缺失或抑制IPMK與LKB1之間的顯性負(fù)調(diào)控作用可以減弱二甲雙胍對AMPK的激活，引入IPMK過表達(dá)載體則可以恢復(fù)二甲雙胍作用的LKB1/AMPK激活，表明IPMK是二甲雙胍引起LKB1/AMPK激活的上游調(diào)節(jié)因子[16]。二甲雙胍處理臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞，激活A(yù)MPK的同時還可以激活蛋白激酶C-zeta(protein kinase C-zeta type,PKC-zeta)，增加其轉(zhuǎn)錄，藥理或基因抑制PKC-zeta可以減弱二甲雙胍作用下LKB1/AMPK的激活，表明PKC-zeta可能是LKB1的上游激酶[17]。

圖1 二甲雙胍降糖作用分子途徑

二甲雙胍降糖作用相關(guān)的分子激活通路如圖1所示，LKB1/AMPK及其下游調(diào)控通路，胰島素等激素調(diào)節(jié)，以及基因、蛋白等不同分子水平的作用是一個互相關(guān)聯(lián)的作用網(wǎng)路[18]，而LKB1是激活A(yù)MPK的必要因子，如果細(xì)胞中LKB1受到抑制或失活，則AMPK不能被激活，依賴AMPK的下游調(diào)控路徑也會受到抑制。有報道指出，在LKB1或AMPK缺失的情況下，二甲雙胍可以獨(dú)立于LKB1/AMPK途徑發(fā)揮一定的作用，例如在AMPK缺乏的小鼠中，二甲雙胍對于其血糖仍有一定的調(diào)節(jié)作用，肝細(xì)胞中糖異生受到抑制，此時的降糖作用可能是通過調(diào)整糖異生相關(guān)基因PGC-1α(PPARγ coactivator-1α)過表達(dá)來實(shí)現(xiàn)[18]。在LKB1/AMPK失活的情況下，二甲雙胍的降糖作用是否仍然與LKB1/AMPK正常情況下有同樣的效果，尚無明確報道，對于其發(fā)揮作用的主要通路尚缺乏充足的數(shù)據(jù)支持。

2 二甲雙胍對糖尿病患者腫瘤作用情況

二甲雙胍對腫瘤有一定的治療或輔助作用，使用二甲雙胍作為降糖藥可以減少糖尿病患肝癌的風(fēng)險[19]，糖尿病子宮內(nèi)膜癌患者在服用抗癌藥物貝伐單抗同時用二甲雙胍來控制血糖時，會增加貝伐單抗的作用效果[20]。糖尿病合并實(shí)體腫瘤患者用二甲雙胍比用胰島素或磺脲類藥物有更好的生存率[21-22]。臨床上用二甲雙胍作為糖尿病腫瘤患者的降糖藥，對腫瘤發(fā)生的抑制以及腫瘤治療都有一定的積極作用，其在體內(nèi)外抑制腫瘤細(xì)胞的作用機(jī)制包括激活LKB1/AMPK通路，細(xì)胞周期阻斷或引起細(xì)胞凋亡，抑制蛋白合成，減少循環(huán)胰島素水平，抑制蛋白未折疊反應(yīng)，激活免疫系統(tǒng)，除去腫瘤干細(xì)胞等[23-24]。

2.1二甲雙胍對LKB1缺失腫瘤細(xì)胞的作用

LKB1/AMPK信號在保護(hù)細(xì)胞免受凋亡中發(fā)揮重要作用，尤其對增加細(xì)胞AMP/ATP比率的藥物起作用?；罨腁MPK信號通路可以為細(xì)胞爭取到調(diào)整AMP和ATP濃度的安全時間和相關(guān)的反應(yīng)信號而對細(xì)胞起到保護(hù)作用，如果細(xì)胞不能及時調(diào)整AMP/ATP，將會發(fā)生細(xì)胞死亡[24]。

作為腫瘤抑制因子之一，LKB1在許多腫瘤細(xì)胞中發(fā)生缺失或失活，這也是多種細(xì)胞癌變的誘發(fā)因素之一[25]。在這種情況下，AMPK則無法被激活，mTOR通路將不受抑制[26]，二甲雙胍作用于LKB1失活的腫瘤細(xì)胞時，可以調(diào)節(jié)STAT3通路，抑制腫瘤細(xì)胞血管內(nèi)皮生長因子，該途徑是獨(dú)立于LKB1/AMPK的作用途徑，同時通過對ROS的作用和IL-6自分泌的影響，產(chǎn)生與腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移和化療藥物耐藥性相關(guān)的作用[27]。對肝癌細(xì)胞，二甲雙胍的作用會對p21和p27上調(diào)，并下調(diào)cyclin D1，影響細(xì)胞周期[19]。二甲雙胍還可以通過作用于與線粒體相關(guān)的生物合成活性，影響線粒體電子傳遞鏈復(fù)合體1，而對腫瘤細(xì)胞的增殖產(chǎn)生抑制作用，缺乏有功能的線粒體的腫瘤細(xì)胞在二甲雙胍處理下表現(xiàn)為減弱對二甲雙胍引起的抑制增殖作用的敏感性[28]。其相關(guān)的作用通路及作用效果總結(jié)如圖2所示。

2.2二甲雙胍通過LKB1對腫瘤細(xì)胞的作用

同時有報道二甲雙胍對于一些癌變的細(xì)胞產(chǎn)生抑制作用必須依賴于LKB1/AMPK的作用，如果LKB1突變，則影響其作用效果[29]。用二甲雙胍處理宮頸癌細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)只有LKB1未受損，AMPK-mTOR信號通路完整的細(xì)胞系對二甲雙胍的抑制作用敏感；在LKB1缺失的細(xì)胞中轉(zhuǎn)入過表達(dá)LKB1載體，可以促進(jìn)AMPK的激活和其對mTOR的抑制作用，進(jìn)而增加細(xì)胞對二甲雙胍的敏感性，而敲除LKB1基因則會減弱細(xì)胞對二甲雙胍的敏感性[30]。對于卵巢癌細(xì)胞，二甲雙胍的作用同樣顯著依賴于激活A(yù)MPK以及其下游調(diào)控，減弱mTOR-SS6RP磷酸化，抑制蛋白轉(zhuǎn)錄和脂質(zhì)生物合成，及對細(xì)胞周期和增殖的乳腺癌腫瘤細(xì)胞MCF-7中，二甲雙胍處理引起總蛋白表達(dá)量減少的作用是通過AMPK的作用實(shí)現(xiàn)的[31]。細(xì)胞極性的保持對保護(hù)細(xì)胞免受癌變有重要作用，而對細(xì)胞極性保持起作用的SAD激酶(single anomalous dispersion kinase)、Par-1(proteinase-activated receptor 1)以及GIV/Girdin的磷酸化依賴于AMPK的激活[32-33]。二甲雙胍還可以通過LKB1/AMPK的作用在mRNA和蛋白水平上對PI3K/Akt/mTOR通路進(jìn)行下調(diào)，同時減少胰島素、胰島素樣生長因子、炎性因子、血管內(nèi)皮生長因子的產(chǎn)生，起到抗細(xì)胞分裂、抗炎、抗血管生成作用[34]。

圖2 二甲雙胍對LKB1缺失的腫瘤細(xì)胞作用通路

二甲雙胍對腫瘤細(xì)胞抑制必須通過LKB1/AMPK作用的情況在多種腫瘤細(xì)胞中均有驗證，但對LKB1缺失腫瘤細(xì)胞的抑制作用也有報道[24]。因此猜測：①在不同種類的腫瘤細(xì)胞中二甲雙胍作用途徑有所不同，或者在LKB1/AMPK功能受到抑制時，二甲雙胍通過替代通路發(fā)揮作用；②在細(xì)胞應(yīng)對二甲雙胍作用的過程中可能還有其他的上游關(guān)鍵分子發(fā)揮重要作用；③二甲雙胍作用于腫瘤細(xì)胞不僅對相關(guān)核酸、蛋白進(jìn)行調(diào)節(jié)，對激素等其他水平的調(diào)節(jié)發(fā)揮巨大的作用，尤其在LKB1/AMPK功能缺失的情況下，但具體的原因仍需要詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持。

3 結(jié)語與展望

無論是二甲雙胍的降糖作用，還是其對腫瘤細(xì)胞的抑制作用，都經(jīng)過多條信號通路互相協(xié)作，在轉(zhuǎn)錄和翻譯水平上均進(jìn)行相關(guān)調(diào)控。LKB1的突變與缺失又與腫瘤的發(fā)生發(fā)展有密切關(guān)系，同時與二甲雙胍作用的主要激活通路密不可分。那么在糖尿病腫瘤患者獲益于二甲雙胍作用的分子機(jī)制中，LKB1的決定性作用值得深入研究。這種可能存在的作用是否與腫瘤類型有必然關(guān)系，這對于糖尿病、糖尿病腫瘤患者以及單獨(dú)腫瘤患者二甲雙胍用藥的分子分型，以及對二甲雙胍的用藥指導(dǎo)及擴(kuò)大適用癥范圍有重要意義。

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