內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激PERK通路在腫瘤中的研究進(jìn)展

歐陽仲瑞 柴 雙 趙海杞 綜述 劉耀華 審校

目前，腫瘤仍是威脅人類健康的主要疾病之一，腫瘤在分子水平的研究已成為當(dāng)今熱點(diǎn)。實(shí)體腫瘤在生長過程中會引起缺氧、營養(yǎng)物質(zhì)缺乏、活性氧和氮質(zhì)堆積等腫瘤微環(huán)境的變化，進(jìn)而導(dǎo)致大量未折疊或錯(cuò)誤折疊蛋白聚集于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)產(chǎn)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(Endoplasmic reticulum stress，ERS)。ERS可啟動(dòng)未折疊蛋白反應(yīng)(Unfolded protein response，UPR)并通過多種復(fù)雜機(jī)制促進(jìn)腫瘤細(xì)胞生存、增殖、侵襲及保護(hù)性自噬，同時(shí)一定程度的UPR可誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡及自噬性死亡。UPR主要通過三種信號通路應(yīng)對細(xì)胞內(nèi)ERS：蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(Protein kinase-like ER kinase，PERK)-真核細(xì)胞翻譯起始因子2α(Eukaryotic initiation factor-2α，eIF2α)-活性轉(zhuǎn)錄因子4(Activating transcriptional factor4，ATF4)通路、肌醇需求酶1α(Inositol-requiring enzyme-1α，IRE1α)-X盒結(jié)合蛋白1(X-box binding protein 1，XBP1)通路以及活性轉(zhuǎn)錄因子6(Activating transcription factor 6，ATF6)通路。其中PERK-eIF2α-ATF4通路(以下簡稱PERK通路)最為關(guān)鍵且研究較為充分，本文對PERK通路在腫瘤中的相關(guān)研究進(jìn)展做一綜述，為腫瘤治療提供新的思路。

1 PERK通路的構(gòu)成與激活機(jī)制

PERK為Ⅰ型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)跨膜蛋白，隸屬eIF2α上游激酶家族，其主要結(jié)構(gòu)包括信號肽與跨膜結(jié)構(gòu)域。細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的C端是它的主要功能區(qū)，可使eIF2α發(fā)生磷酸化，又可使PERK自身磷酸化，稱為效應(yīng)結(jié)構(gòu)域。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)側(cè)的N端具有感受ERS信號的作用，稱為傳感器結(jié)構(gòu)域。在真核生物中，有多種翻譯起始因子(eIFs)參與協(xié)助完成翻譯起始，eIF2作為通用的翻譯起始因子經(jīng)磷酸化修飾后對翻譯起始起負(fù)調(diào)控作用。eIF2的主要功能是以eIF2·GTP·Met-tRNAi三聚體的形式轉(zhuǎn)運(yùn)Met-tRNAi，其α亞基肽鏈的第51位為保守的絲氨酸殘基，能被激活的PERK磷酸化[1]。ATF4是cAMP反應(yīng)元件結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子家族成員之一，合成后轉(zhuǎn)位至細(xì)胞核內(nèi)，作為活化的轉(zhuǎn)錄因子特異性地提高某些基因如：MAP1、LC 3B、VEGFA、CHOP、cyclinD1等的轉(zhuǎn)錄水平[2]。

當(dāng)真核細(xì)胞未發(fā)生ERS時(shí)，PERK N端的管腔側(cè)與免疫球蛋白結(jié)合蛋白(Binding immunoglobulin protein，BIP)結(jié)合，形成一種結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的無活性的復(fù)合物，而無法發(fā)生磷酸化。當(dāng)發(fā)生ERS時(shí)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)大量未折疊蛋白或錯(cuò)誤折疊蛋白與PERK競爭同BIP結(jié)合，從而使PERK暴露出來，PERK發(fā)生自身二聚化與磷酸化并觸發(fā)UPR。磷酸化的PERK導(dǎo)致eIF2的α亞基上第51位絲氨酸也發(fā)生磷酸化從而抑制翻譯起始復(fù)合物中GDP與GTP的交換以降低內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)蛋白負(fù)荷[3]，同時(shí)磷酸化的eIF2α促使ATF4的表達(dá)上調(diào)。

2 PERK通路與腫瘤

2.1 PERK通路促進(jìn)腫瘤細(xì)胞生存與增殖

在實(shí)體腫瘤生長早期，腫瘤生長速度超過現(xiàn)有的脈管供應(yīng)系統(tǒng)，導(dǎo)致腫瘤微環(huán)境中關(guān)鍵營養(yǎng)物—葡萄糖和氧氣的缺乏。腫瘤細(xì)胞可通過激活PERK通路啟動(dòng)UPR提高對不良微環(huán)境的適應(yīng)能力以促進(jìn)腫瘤生存和增殖。Bi等[4]證明了在小鼠胚胎成纖維細(xì)胞(Mouse embryonic fibroblasts，MEFs)內(nèi)抑制PERK基因會降低細(xì)胞蛋白合成的抑制力與對低氧環(huán)境的耐受程度。并且他們還發(fā)現(xiàn)，將等量經(jīng)RasV12激活癌化的PERK+/+MEFs(A)和PERK-/-MEFs(B)注射入小鼠腹腔，經(jīng)過3～4周的觀察后結(jié)果顯示A組小鼠的腹腔腫瘤比B組更大且生長更為迅速。在PERK-eIF2α降低內(nèi)質(zhì)網(wǎng)對新合成蛋白折疊需求壓力的同時(shí)，ATF4通過介導(dǎo)精細(xì)的調(diào)節(jié)機(jī)制參與氧化應(yīng)激、氨基酸合成、蛋白質(zhì)折疊和分化等過程以保護(hù)腫瘤細(xì)胞免受不良應(yīng)激條件的干擾[5-6]。胡亞玲等[7]發(fā)現(xiàn)低糖條件能夠保護(hù)結(jié)直腸癌細(xì)胞抵制抗腫瘤藥奧沙利鉑(Oxaliplatin，LOHP)和5-氟尿嘧啶(5-Fluorouracil，5-FU)誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，并且誘導(dǎo)ATF4表達(dá)。同時(shí)該研究還發(fā)現(xiàn)在低糖條件下的結(jié)直腸癌細(xì)胞中敲除ATF4可以增加藥敏、誘導(dǎo)凋亡并且在ATF4過表達(dá)的結(jié)直腸癌細(xì)胞中敲除ATF4也可以增加藥敏與誘導(dǎo)凋亡。以上證明ATF4作為PERK的關(guān)鍵下游基因可能通過PERK依賴性相關(guān)機(jī)制幫助腫瘤細(xì)胞抵抗低糖微環(huán)境。PERK通路也參與促進(jìn)腫瘤復(fù)發(fā)和耐藥相關(guān)的重要機(jī)制-腫瘤休眠的激活。Pyo等研究證明ROS條件誘導(dǎo)激活的PERK通路可介導(dǎo)cyclinD1的降解，抑制PERK通路可顯著延緩cyclinD1的降解并極大縮短G2期[8]。因此，PERK通路的激活可促進(jìn)腫瘤細(xì)胞周期停滯并進(jìn)入睡眠狀態(tài)，以便腫瘤細(xì)胞從缺氧條件下恢復(fù)并降低其對化療藥物的敏感性。此外，Han等發(fā)現(xiàn)在低氧或低糖環(huán)境下BIP過表達(dá)的人腎癌細(xì)胞系中檢測到細(xì)胞增殖加強(qiáng)，而敲除PERK基因后此效應(yīng)消失[9]。以上研究說明PERK通路的激活有利于腫瘤適應(yīng)不良微環(huán)境，提高了腫瘤細(xì)胞在不良條件下的生存與增殖能力。

2.2 PERK通路促進(jìn)腫瘤細(xì)胞侵襲

侵襲性是腫瘤最重要的生物學(xué)特性之一，也是腫瘤手術(shù)根治困難及復(fù)發(fā)、轉(zhuǎn)移的重要原因。最近多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)PERK通路可通過誘導(dǎo)新生血管生成、降解細(xì)胞外基質(zhì)(Extracellular matrixc，ECM)、介導(dǎo)上皮細(xì)胞間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(Epithelial to mesenchymal transition，EMT)等促進(jìn)腫瘤細(xì)胞侵襲。血管內(nèi)皮生長因子(Vascular endothelial growth factor，VEGF)是誘導(dǎo)腫瘤血管形成作用最強(qiáng)，特異性最高的血管生長因子，在誘導(dǎo)血管生成及內(nèi)皮細(xì)胞生長、促進(jìn)腫瘤細(xì)胞侵襲及轉(zhuǎn)移等方面發(fā)揮重要作用。近年來許多研究顯示PERK通路的激活可上調(diào)腫瘤細(xì)胞VEGF的表達(dá)誘導(dǎo)腫瘤內(nèi)血管生成以提高腫瘤細(xì)胞的侵襲性[10-12]?；|(zhì)金屬蛋白酶家族(Matrix metalloproteinases，MMPs)可通過降解ECM這一重要組織學(xué)屏障促進(jìn)腫瘤侵襲。Sanda等發(fā)現(xiàn)由氧化低密度脂蛋白誘導(dǎo)激活的PERK通路可促進(jìn)MMP-9的表達(dá)和分泌[13]。EMT是在人體中占惡性腫瘤90%以上的上皮細(xì)胞癌侵襲轉(zhuǎn)移的一個(gè)重要途徑，并且與腫瘤細(xì)胞耐藥性密切相關(guān)。Feng等研究發(fā)現(xiàn)，EMT通過激活PERK通路促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞侵襲，抑制PERK降低了發(fā)生EMT的腫瘤細(xì)胞的侵襲、轉(zhuǎn)移能力。并且，他們還證明在人腫瘤組織中，EMT的表達(dá)受ECM基因及PERK通路基因表達(dá)的強(qiáng)烈影響，而與UPR的另兩條通路無關(guān)[14]。上述研究表明PERK通路不僅與腫瘤生存、增殖有關(guān)，還可通過多種方式促進(jìn)腫瘤侵襲。

2.3 PERK通路促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡

UPR具有雙重效應(yīng)，在適度的ERS條件下UPR作為一種適應(yīng)性反應(yīng)促進(jìn)腫瘤細(xì)胞生存并恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，然而當(dāng)ERS對腫瘤細(xì)胞損傷程度超過UPR的處理能力時(shí)，UPR可以促使腫瘤細(xì)胞發(fā)生凋亡[15]。介導(dǎo)UPR的PERK通路并不會直接引起腫瘤細(xì)胞凋亡，而是由PERK、eIF2α、ATF4三者形成復(fù)合物誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子CHOP表達(dá)，并使CHOP蛋白大量堆積在細(xì)胞核中，被活化的CHOP蛋白可通過調(diào)節(jié)其他相關(guān)凋亡蛋白的表達(dá)促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡[16]。李曉娟等研究證實(shí)PERK通路可促進(jìn)丹參二萜醌誘導(dǎo)的肺癌PC9細(xì)胞的凋亡，并且與CHOP蛋白的表達(dá)密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，隨著丹參二萜醌濃度的增加，對PC9細(xì)胞增殖的抑制作用增加，凋亡率顯著增高；隨著時(shí)間延長，PERK、EIF2α蛋白磷酸化水平明顯增加，8 h達(dá)到高峰；其下游蛋白ATF4表達(dá)量逐漸減低，CHOP逐漸增高，且呈劑量依賴性。PERK蛋白干擾后研究得到與干擾前相反的結(jié)果：與空載體組比較，丹參二萜醌誘導(dǎo)PC9細(xì)胞凋亡被明顯抑制；PERK、EIF2α蛋白磷酸化水平明顯降低，ATF4表達(dá)量有所增加，而CHOP表達(dá)有所降低[17]。上述研究可知，PERK通路可通過CHOP等一系列下游信號分子介導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡，但是其調(diào)節(jié)下游信號分子的具體機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。此外，Hiramatsu等在人宮頸癌細(xì)胞系、肝癌細(xì)胞系及結(jié)腸癌細(xì)胞系中發(fā)現(xiàn)PERK通過eIF2α下調(diào)抗凋亡因子XIAP合成，并通過表達(dá)ATF4促進(jìn)XIAP降解，最終促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡[18]。

2.4 PERK通路促進(jìn)腫瘤細(xì)胞自噬

當(dāng)處于缺乏營養(yǎng)和缺乏足夠的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)折疊蛋白質(zhì)的環(huán)境時(shí)，腫瘤細(xì)胞可通過ERS/UPR上調(diào)胞內(nèi)自噬相關(guān)蛋白的表達(dá)與引發(fā)自噬體的形成啟動(dòng)自噬進(jìn)程[19]。目前研究顯示ERS誘導(dǎo)與自噬相關(guān)分子途徑包括：PERK途徑、IRE 1-JNK-Bcl-2途徑及ATF6-XBP 1-ATG途徑[20]。Kouroku等的早期研究證實(shí)在小鼠胚胎癌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞中，polyQ72的積聚可激活PERK通路從而啟動(dòng)自噬進(jìn)程并且上調(diào)Atg12的表達(dá)[21]。Hasanain等在人肺癌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)α-Solanine介導(dǎo)的氧化應(yīng)激可激活PERK通路從而誘導(dǎo)自噬標(biāo)志蛋白LC3Ⅱ的表達(dá)，并且沉默PERK后可檢測到LC3Ⅱ表達(dá)水平的顯著降低[22]。Hart等在對人神經(jīng)母細(xì)胞瘤及淋巴瘤等多個(gè)遺傳模型的研究中證明c-Myc和N-Myc可激活UPR的PERK通路，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞啟動(dòng)保護(hù)性自噬，而在抑制PERK基因后能顯著降低Myc誘導(dǎo)的自噬過程、集落形成和體內(nèi)實(shí)體腫瘤生長[23]。以上證實(shí)了PERK通路的激活對于腫瘤細(xì)胞啟動(dòng)自噬進(jìn)程是必須的，但是細(xì)胞通過PERK通路啟動(dòng)自噬的具體機(jī)制仍待進(jìn)一步的研究。值得注意的是，與UPR相似自噬同樣既可以促使腫瘤細(xì)胞生存、增殖又可以促使其死亡[24]。但PERK通路在自噬促使腫瘤細(xì)胞死亡進(jìn)程中的作用未有研究詳細(xì)闡述。

2.5 PERK通路在腫瘤治療中的應(yīng)用

目前，許多研究的主要目標(biāo)是應(yīng)用藥理學(xué)手段找到一種將UPR信號從促進(jìn)腫瘤細(xì)胞表達(dá)轉(zhuǎn)化為促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡的方法。有研究顯示氟西汀通過PERK通路介導(dǎo)的CHOP依賴性細(xì)胞凋亡通路，可引起大鼠膠質(zhì)瘤細(xì)胞凋亡并增強(qiáng)其對化療藥物替莫唑胺的敏感性[25]。新生血管對腫瘤細(xì)胞增殖及侵襲具有重要意義，已有報(bào)道證明一種PERK抑制劑GSK2656157可通過降低腫瘤新生血管密度來抑制腫瘤的生長[26-27]。除化療外，PERK通路對腫瘤的放射治療也有重要影響。在乳腺癌細(xì)胞中使用放射線誘導(dǎo)激活PERK通路，磷酸化的eIF2α、ATF4和LAMP3表達(dá)水平也隨之提高，敲除上述基因后，乳腺癌細(xì)胞對放療的敏感性隨之提高。此外，Nagelkerke等研究了PERK抑制劑GSK2606414對人乳腺癌細(xì)胞的影響，結(jié)果顯示應(yīng)用該抑制劑成功地將乳腺癌細(xì)胞內(nèi)的LAMP3 mRNA表達(dá)降低了50%，并且提高了癌細(xì)胞對放療的敏感性[28]。通過以上研究結(jié)果可知，PERK通路作為腫瘤治療中的重要靶點(diǎn)，研究其相關(guān)作用機(jī)制無疑可為腫瘤放化療提供新的方向。

3 小結(jié)與展望

目前，腫瘤作為嚴(yán)重威脅人類健康的常見疾病之一，對其開展分子水平的研究以及開發(fā)新的有效治療靶點(diǎn)有著重大意義。本文綜述了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激PERK通路對腫瘤細(xì)胞生存、增殖、侵襲、凋亡及自噬的影響。針對PERK通路進(jìn)行干預(yù)將為抗腫瘤藥物的研發(fā)及腫瘤臨床治療方式的探索提供新的方向與思路。目前PERK通路及其下游信號分子在腫瘤中的作用機(jī)制尚未完全闡明，隨著方法的改進(jìn)、探索的深入，相信針對PERK通路的研究一定會為腫瘤治療開辟新的天地。

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