葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白及其信號通路在垂體腺瘤的研究進(jìn)展

梅濤 張建鶴 王守森

(福建醫(yī)科大學(xué)?？偱R床醫(yī)學(xué)院神經(jīng)外科，福建 福州 350025)

葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(glucose transporters, GLUT)是一種糖轉(zhuǎn)運(yùn)載體，是細(xì)胞能量代謝不可或缺的膜蛋白。葡萄糖分子能夠通過其介導(dǎo)，穿過細(xì)胞膜的脂質(zhì)雙分子層，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞對葡萄糖的攝取和利用[1]。增殖的腫瘤細(xì)胞需要更多的能量以維持增殖過程，然而，由于有限的氧供應(yīng)，腫瘤細(xì)胞必須轉(zhuǎn)移其代謝模式以適應(yīng)相應(yīng)的微環(huán)境。腫瘤細(xì)胞可通“Warburg效應(yīng)”[2]加快無氧酵解，這就需要更多的葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞，通過葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的介導(dǎo)，腫瘤細(xì)胞對葡萄糖的攝取和利用明顯增強(qiáng)。因此，GLUT往往表達(dá)上調(diào)，以滿足腫瘤快速生長對能量的需求；GLUT的調(diào)控作用，也關(guān)系到腫瘤的預(yù)后[3]，這使GLUT作為腫瘤的靶向治療成為可能。垂體腺瘤是良性腫瘤，但常表現(xiàn)出侵襲性[4]。研究GLUT與垂體腺瘤的大小、類型的關(guān)系，及在有無囊變、侵襲與非侵襲性病變中的表達(dá)的差異，有助于垂體腺瘤的診斷、預(yù)后評估以及研發(fā)新的靶向治療藥物。

一、GLUT的生物學(xué)特性

細(xì)胞攝取葡萄糖，必須在細(xì)胞膜上葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的協(xié)助下完成。GLUT含有跨膜糖蛋白和12個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，單個(gè)N-糖基化位點(diǎn)，和面向細(xì)胞質(zhì)的N-和C-末端[5]。目前已發(fā)現(xiàn)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的14個(gè)家族成員，它們在各組織中表達(dá)不同，并表現(xiàn)出不同的底物特異性。根據(jù)其同源性以及共同序列的特征，可將其分為三個(gè)亞家族：家族 1(GLUTs 1～4, 14)、家族 2(GLUTs 5, 7, 9, 11)及家族 3(GLUTs 6, 8, 10, 12, HMIT)[1]。

二、GLUT在腦內(nèi)的分布

葡萄糖是人類大腦的主要的能量來源，神經(jīng)元不能合成和儲存葡萄糖，因此，葡萄糖的攝取是神經(jīng)元維持功能所必需的。到目前為止，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)以及外周神經(jīng)中已經(jīng)鑒定了10種葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的存在，其中GLUT1和GLUT3在大腦的葡萄糖攝取中起主要作用[5]。GLUT1是腦中最豐富的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，根據(jù)其糖基化水平的不同，可分為45 kDa和55 kDa兩種同工型，高度糖基化的55 kDa同工型主要在微血管內(nèi)皮細(xì)胞中表達(dá)，而低糖基化的45 kDa同工型則位于星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞中，不存在于小膠質(zhì)細(xì)胞中[6]。腦的葡萄糖的攝取與GLUT1在微血管中的表達(dá)水平相關(guān)。GLUT3是除GLUT1之外腦內(nèi)最豐富的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，其轉(zhuǎn)運(yùn)能力比GLUT1高7倍。它存在于軸突和樹突中，其密度和分布與局部葡萄糖需求相關(guān)[6]，胰島素可刺激GLUT3轉(zhuǎn)運(yùn)到質(zhì)膜，增加神經(jīng)元對葡萄糖的攝取。GLUT5是體內(nèi)的主要果糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，果糖可以通過血腦屏障，腦細(xì)胞有可能能夠利用果糖作為能量來源[5]。上述分布在病理狀態(tài)下會有所改變，在缺血缺氧性腦病時(shí)，神經(jīng)元為了提高對缺血缺氧的耐受，可上調(diào)GLUT的表達(dá)，尤其是GLUT3，從而增加對葡萄糖的攝取[7]。目前，關(guān)于GLUT在垂體腺瘤中表達(dá)的相關(guān)研究較少有報(bào)道，但其信號通路在垂體腺瘤的發(fā)生和進(jìn)展中有著重要意義。

三、GLUT表達(dá)的信號傳導(dǎo)通路與垂體腺瘤

目前關(guān)于GLUT介導(dǎo)腫瘤能量代謝的分子機(jī)制，已有許多研究，GLUT的表達(dá)和分布由不同的信號分子和通路調(diào)節(jié)，其中較為重要的有以下幾種：低氧誘導(dǎo)因子1(hypoxia-inducible factor-1, HIF-1)信號通路、磷酸肌醇-3激酶/蛋白激酶B(phosphoinositide 3- kinase/protein kinase B, PI3K/Akt)信號通路、腺苷酸活化蛋白激酶/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(AMP-activated protein kinase/mammalian target of rapamycin 1, AMPK/mTOR1)信號通路、腫瘤抑制基因p53的調(diào)控[1,8]。

1.HIF-1的調(diào)控：HIF-1不僅在正常的葡萄糖代謝中發(fā)揮重要作用，同時(shí)也能在缺氧環(huán)境下保持局部環(huán)境的氧穩(wěn)態(tài)。有研究認(rèn)為，實(shí)體瘤中的缺氧微環(huán)境與腫瘤的進(jìn)展及藥物抗性相關(guān)，因而HIF-1對腫瘤細(xì)胞的生長有重要的調(diào)節(jié)作用，同時(shí)它也是GLUT1和GLUT3最主要的調(diào)節(jié)劑[9]。HIF-1是由α和β亞基(分別為HIF-1α和HIF-1β)組成的異二聚體轉(zhuǎn)錄因子，其中HIF-1α可被缺氧誘導(dǎo)。在缺氧情況下，HIF-1α積累，易位至細(xì)胞核并結(jié)合HIF-1β以形成活性轉(zhuǎn)錄因子HIF-1。HIF-1被認(rèn)為通過刺激多個(gè)介導(dǎo)糖酵解的基因，促進(jìn)“Warburg效應(yīng)”，在其啟動子中包含低氧反應(yīng)元件(hypoxic response elements, HRE)，包括GLUT1和GLUT3。HIF-1復(fù)合物結(jié)合HRE序列，以啟動葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因表達(dá)[10]。

垂體腺瘤的生長，跟其他腫瘤一樣，必須依賴于氧供應(yīng)。在缺氧微環(huán)境中，腫瘤細(xì)胞具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，缺氧可誘導(dǎo)HIF-1α表達(dá)，導(dǎo)致腫瘤血管生成，糖酵解酶和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(GLUT)合成加速。同時(shí)，缺氧還上調(diào)血管生成因子，例如血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)[11]。然而，與其他惡性腫瘤相比，垂體腺瘤微血管密度(microvascular density, MVD)和VEGF表達(dá)較少，血管化程度明顯小于正常的腺垂體。這表明垂體腺瘤的局部氧飽和度低于正常腺垂體，血管生成在垂體腺瘤的生長中發(fā)揮的作用可能較小，這種血管生成的缺乏可能與垂體腺瘤的緩慢生長有關(guān)[12]。血管密度和腫瘤亞型之間沒有明顯相關(guān)性，血管和腫瘤細(xì)胞中HIF-1α的表達(dá)在ACTH腺瘤中最低，在催乳素瘤中最高[12]。垂體腺瘤的侵襲性受許多因素的影響，其中血管重塑是重要因素之一，研究表明HIF-1α/VEGF通路在這一過程中有重要作用[13]。在對垂體腺瘤侵襲性的評估中，VEGF的作用目前還不清楚，證據(jù)表明VEGF可能影響腫瘤發(fā)生的途徑，包括介導(dǎo)侵襲或增加腫瘤體積。有作者認(rèn)為VEGF在侵襲性垂體腺瘤的表達(dá)增加，表明靶向VEGF受體的酪氨酸激酶抑制劑，如索拉非尼或舒尼替尼[14]，可用于治療侵襲性垂體腺瘤。VEGF在垂體腺瘤的發(fā)生和進(jìn)展中的作用的證據(jù)仍然有爭議，并且VEGF的表達(dá)還不能用作侵襲性垂體腺瘤的生物學(xué)標(biāo)志物。

2.PI3K/Akt信號通路的調(diào)控：3-磷酸肌醇激酶(phosphoinositide3-kinase, PI3K)及其下游靶標(biāo)Akt(又名蛋白激酶B, PKB)組成的信號通路PI3K-Akt，已在細(xì)胞增殖、細(xì)胞分化、血管生成中廣泛研究[15]，并且PI3K/Akt信號通路也是調(diào)節(jié)葡萄糖攝取和代謝的經(jīng)典途徑之一。許多酪氨酸激酶受體，包括表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor, EGFR)、胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor 1, IGF-1)和胰島素受體(insulin receptor, IR)，通過該途徑參與葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)。生長因子通過結(jié)合細(xì)胞膜表面的受體，將PI3K寡集到膜的表面，從而激活受體或銜接蛋白上酪氨酸的磷酸基團(tuán)，最終導(dǎo)致Akt的構(gòu)象發(fā)生變化。研究表明，PI3K- Akt信號通路可增加GLUT1、GLUT3和以及果糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GLUT5的表達(dá)[1]。人第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源物(phosphatase and tensinhomolog deleted on chromosome ten, PTEN)是一種腫瘤抑制基因，能夠負(fù)向調(diào)節(jié)PI3K-Akt信號通路。它位于Akt序列的上游，作為磷酸酶，可阻斷第二信使磷脂酰肌醇-3, 4, 5-三磷酸(phosphatidylinositol-3, 4, 5-triphosphate, PIP3)(一種PI3K的酶產(chǎn)物)的形成，從而抑制PI3K/Akt介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)[16]。PI3K-Akt參與調(diào)節(jié)GLUT，表明由PIK3或PTEN的紊亂引起的不受控制的Akt活化可能增加葡萄糖在腫瘤細(xì)胞的攝取[1]。

PI3K-Akt信號通路已被證明與垂體腺瘤的發(fā)生和發(fā)展有重要聯(lián)系[17]。在Lin等研究中，評估了353個(gè)垂體腫瘤中PIK3CA(phosphatidylinositol 3-kinase catalyticalpha)基因的突變，9%的侵襲性垂體腺瘤中有PIK3CA基因突變，在20%～40%的侵襲性和非侵襲性腫瘤中觀察到基因組PIK3CA擴(kuò)增，認(rèn)為侵襲性垂體腺瘤的發(fā)生與PI3-Akt信號通路有密切關(guān)系[17]。

3.AMPK/mTOR1通路的調(diào)控：哺乳動物雷帕霉素靶蛋白，是mTOR, PI3K相關(guān)激酶家族的非典型絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，它與幾種蛋白質(zhì)相互作用，形成兩種不同的復(fù)合物：mTOR復(fù)合物1(mTORC1)和2(mTORC2)。mTORC1的功能是調(diào)節(jié)細(xì)胞生長和能量代謝，腫瘤糖酵解與mTORC1相關(guān)[8]。它通過增強(qiáng)HIF-1的活性而影響糖酵解表達(dá)，參與腫瘤對缺氧環(huán)境的適應(yīng)性轉(zhuǎn)錄程序。mTORC1的活性由營養(yǎng)物(葡萄糖和氨基酸)或能量(ATP與AMP)調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)主要通過AMP依賴的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)介導(dǎo)，它位于mTORC1基因序列的上游，并對其有重要調(diào)節(jié)作用?；罨腁MPK磷酸化，可導(dǎo)致mTORC1的抑制[18]。腫瘤蛋白p53通過增加包括AMPK的調(diào)節(jié)性β亞基在內(nèi)的幾種蛋白的表達(dá)來調(diào)節(jié)該途徑，進(jìn)而抑制mTORC1。反過來，AMPK/mTORC1通路調(diào)節(jié)p53活性：在細(xì)胞內(nèi)葡萄糖水平較低時(shí)，AMPK可激活p53蛋白，而mTORC1激活細(xì)胞蛋白磷酸酶2A(protein phosphatase 2A, PP2A)，抑制p53蛋白[19]。

mTOR信號通路常也被稱作PI3K/Akt/mTOR，但除了其最常見的激活劑Akt之外，還有一系列其他激酶位于mTOR的上游，包括RSK激酶、Ras/MEK/ERK途徑、AMPK。而在Sajjad等[20]研究中發(fā)現(xiàn)，在其選取的53例垂體腺瘤中，mTOR都有不同程度的表達(dá)上調(diào)，其中GH腺瘤中的mTOR激活頻率最高(71%)。mTOR與垂體腺瘤的生長、侵襲及分期顯著相關(guān)，在垂體腺瘤患者中具有診斷和預(yù)后推測價(jià)值。

4.p53基因的調(diào)控：腫瘤抑制基因P53在維持基因組穩(wěn)定性和防止腫瘤形成中發(fā)揮關(guān)鍵作用。p53蛋白抑制糖酵解促進(jìn)基因的表達(dá)，包括GLUT1、GLUT3和GLUT4。它增加TIGAR(Tp53誘導(dǎo)的糖酵解及凋亡調(diào)控子)的表達(dá)，阻斷糖酵解，將葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)向戊糖磷酸鹽，提高了還原型輔酶Ⅱ(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH)的細(xì)胞內(nèi)含量，進(jìn)而提高了谷胱甘肽(reduced glutathione, GSH)還原當(dāng)量，從而清除活性氧物質(zhì)，使細(xì)胞損傷最小化。腫瘤蛋白P53還增加細(xì)胞色素c氧化酶2復(fù)合體(synthesis of cytochrome C oxidase 2, SCO2)的裝配合成和表達(dá)，增強(qiáng)線粒體呼吸[19]。但同時(shí)，p53也是最常發(fā)生突變的抑癌基因，突變后的P53能夠刺激細(xì)胞生長，促進(jìn)腫瘤的發(fā)生。研究表明，p53在侵襲性垂體腺瘤中的表達(dá)明顯高于非侵襲性垂體腺瘤，并且，p53的表達(dá)與垂體腺瘤Knosp分級呈正相關(guān)，p53基因在對提高垂體腺瘤侵襲性判斷的特異性及預(yù)后有重要價(jià)值[21]。

四、垂體腺瘤的代謝

通過正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描顯像(positron emission tomography, PET)和腫瘤細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)[22]，垂體腺瘤的腫瘤細(xì)胞是高代謝的。然而，垂體腺瘤沒有較高的血管生成活力，垂體腺瘤中的VEGF表達(dá)也沒有顯著高于正常垂體組織[22]。通過測定垂體腺瘤中的微血管密度(microvascular density, MVD)評估垂體腺瘤中血管發(fā)生，VEGF陽性和VEGF陰性的垂體腺瘤之間，MVD并無顯著差異，而在VEGF陽性不同類型的垂體腺瘤中觀察到血管直徑的差異，泌乳激素型垂體腺瘤血管直徑和周長顯著大于其它激素分泌型和無功能型垂體腺瘤。因此，VEGF在垂體腺瘤的血管結(jié)構(gòu)和血管發(fā)生中的作用是有限的，腫瘤通過調(diào)節(jié)血管結(jié)構(gòu)，而并非增加血管生成，實(shí)現(xiàn)自身代謝的增加[23]。由于血管結(jié)構(gòu)和功能異常，腫瘤氧供減少，垂體腺瘤高代謝生長，使得腫瘤組織處于缺血缺氧狀態(tài)，而所有這些因素是否可誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞GLUT的表達(dá)，使葡萄糖大量流入腫瘤細(xì)胞，以滿足其生長、代謝的需要，成為調(diào)節(jié)垂體腺瘤代謝途徑中的重要環(huán)節(jié)，具有潛在的研究意義。

五、展望

垂體腺瘤的病理生物學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)研究受到了廣泛的關(guān)注，并逐步得到開展，但更精確的機(jī)制也有待更深一步的研究，探索垂體腺瘤的潛在標(biāo)志物也有著深遠(yuǎn)的意義。葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白及其信號通路在不同垂體腺瘤中的表達(dá)或許存在差異，進(jìn)一步的研究將有助于發(fā)現(xiàn)新的治療靶標(biāo)及潛在的藥物制劑。

參 考 文 獻(xiàn)

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