PAK1基因在相關(guān)腫瘤中的作用研究進(jìn)展

王藝萌，高佳，谷曉廣，張春雷

p21活化激酶1（p21-activated kinases 1，PAK1）是絲氨酸/蘇氨酸蛋白質(zhì)磷酸化激酶家族的成員，是Rho家族小鳥苷三磷酸酶（guanosine triphosphatase，GTPase）細(xì)胞周期分裂控制蛋白42（cell division control protein 42，Cdc42）和 Ras相 關(guān) 的 C3肉毒素底物1（Ras-related C3 botulinum toxin substrate 1，Rac1）的下游效應(yīng)分子[1]。PAKs家族成員均具有N端調(diào)節(jié)區(qū)域及C端高度保守的激酶結(jié)構(gòu)[2]。N端調(diào)節(jié)區(qū)域通常包括GTPase結(jié)合域及脯氨酸富集區(qū)域，根據(jù)GTP酶結(jié)合域有無(wú)自抑制區(qū)域，將PAKs分為2組，第Ⅰ組包括PAK1、PAK2及PAK3；第Ⅱ組包括PAK4、PAK5及PAK6[1]。PAKs家族被認(rèn)為在細(xì)胞增殖、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞轉(zhuǎn)化及腫瘤進(jìn)展方面等多種生物學(xué)過(guò)程中起重要作用[3-5]。研究表明，PAK1是一個(gè)潛在的癌基因，它與多種人類惡性腫瘤形成、發(fā)展及侵襲等密切相關(guān)，包括乳腺癌，肺癌，淋巴瘤及黑素瘤等[1]。

1 PAK1的結(jié)構(gòu)和功能

1.1 PAK1的結(jié)構(gòu)

PAK1基因位于人類染色體11q13.5-q14.1，包含23個(gè)外顯子，其中6個(gè)外顯子位于5′-UTR，17個(gè)外顯子編碼PAK1蛋白。該基因在人類有20個(gè)轉(zhuǎn)錄本，大小為308 bp～3.7 kb，12個(gè)轉(zhuǎn)錄本含有開放性讀碼框，編碼10個(gè)蛋白和2個(gè)小分子多肽；其余的8個(gè)轉(zhuǎn)錄本位于長(zhǎng)鏈非編碼RNA區(qū)域[2]。

PAK1的N端是調(diào)節(jié)序列，包含1個(gè)p21結(jié)合區(qū)域（p21-binding domain，PBD），1個(gè)自抑制性區(qū)域（auto inhibitory domain，AID），1個(gè)功能尚不清楚的富含酸性氨基酸的結(jié)構(gòu)域[2,6]。作為小GTP酶下游效應(yīng)分子，Cdc42和Rac1與PAK1結(jié)合的最小結(jié)構(gòu)域是位于PBD內(nèi)部的 CRIB（CDC42 and Rac interactive binding）結(jié)構(gòu)域；AID結(jié)構(gòu)域可以調(diào)控激酶的活性[2]。此外，PAK1的C端是一個(gè)催化結(jié)構(gòu)域，含有1個(gè)可以與G蛋白β亞單位結(jié)合的區(qū)域，該區(qū)域與激酶區(qū)域之間還有一些脯氨酸富含區(qū)，使PAK1能夠與其相互作用交換因子結(jié)合[7]。另外，PAK1結(jié)構(gòu)域中還包含3個(gè)核定位信號(hào)（nuclear localization signals，NLS）和多個(gè)磷酸化位點(diǎn)，7個(gè)PAK1的自磷酸化位點(diǎn)分別是絲氨酸 21、57、144、149、199、204 及蘇氨酸 423[6]。

1.2 PAK1的功能及相關(guān)信號(hào)通路

PAK1主要在腦、脾和肌肉中表達(dá)，具有調(diào)控細(xì)胞增殖和凋亡、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞骨架動(dòng)力學(xué)調(diào)節(jié)及轉(zhuǎn)化等廣泛的生物學(xué)功能[8]。近來(lái)，許多研究表明，PAK1是一個(gè)潛在的癌基因，該基因在腫瘤發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用。已報(bào)道的通過(guò)PAK1導(dǎo)致腫瘤發(fā)生、發(fā)展的信號(hào)通路包括：①調(diào)控細(xì)胞凋亡通路：PAK1通過(guò)磷酸化Bcl-2相關(guān)死亡促進(jìn)因子（Bcl-2 related death promoter，BAD），削弱BAD與B細(xì)胞淋巴瘤2（B-cell lymphoma 2，Bcl2）的相互作用，使腫瘤細(xì)胞發(fā)生凋亡抵抗[9]；②調(diào)控細(xì)胞存活通路：PAK1通過(guò)使Ras/Raf/MeK/ErK通路的激酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)活化，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖[10]；③促進(jìn)血管再生：PAK1在腫瘤細(xì)胞中過(guò)表達(dá)，促進(jìn)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）活化表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)腫瘤的增殖；④其他相關(guān)通路：PAK1通過(guò)下調(diào)相關(guān)microRNA的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)腫瘤的發(fā)生和發(fā)展[4]。

2 PAK1在皮膚惡性腫瘤中的研究

2.1 PAK1與惡性黑素瘤

惡性黑素瘤是一種來(lái)源于黑素細(xì)胞的高度惡性腫瘤，其致死率約占皮膚癌的80%[11]。2002年，文獻(xiàn)首次報(bào)道了在60%～66%的黑素瘤患者中，發(fā)現(xiàn)了體細(xì)胞中鼠類肉瘤病毒癌基因同源物B1（V-Raf murine sarcoma viral oncogene homolog B1，BRAF）的錯(cuò)義突變，最常見的BRAF突變是位于第15個(gè)外顯子區(qū)域的第600個(gè)密碼子編碼的谷氨酸被纈氨酸取代[12]。近年來(lái)，許多選擇性抑制BRAF基因的抗腫瘤藥物被研發(fā)，然而，這類藥物對(duì)于BRAF野生型的黑素瘤幾乎無(wú)效[11]。

Ong等[11]最新鑒定PAK1相關(guān)信號(hào)通路在黑素瘤發(fā)病機(jī)制中的作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，與正常皮膚組織相比，黑素瘤患者的PAK1蛋白表達(dá)水平升高，同時(shí)，PAK1基因拷貝數(shù)的擴(kuò)增更傾向出現(xiàn)在BRAF野生型的黑素瘤中，推測(cè)PAK1可能是此種亞型黑素瘤的治療靶點(diǎn)。最近的一項(xiàng)全基因組分析研究也發(fā)現(xiàn)，在所有BRAF/神經(jīng)母細(xì)胞瘤RAS病毒癌基因同源物（neuroblastoma RAS viral oncogene homolog，NRAS）野生型的肢端型黑素瘤患者中，PAK1基因均出現(xiàn)了拷貝數(shù)的擴(kuò)增[13]。既往多項(xiàng)研究顯示，絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信號(hào)通路在黑素瘤的分子機(jī)制中具有重要作用。另外，也有研究表明，PAK1是MAPK通路的關(guān)鍵組成分子[14]。在其他腫瘤細(xì)胞中也發(fā)現(xiàn)了PAK1依賴性MAPK信號(hào)通路的活化，并且抑制PAK1后的抗腫瘤效果在臨床中得到了驗(yàn)證[15]。綜合文獻(xiàn)所述，PAK1可能是通過(guò)活化MAPK信號(hào)通路在BRAF野生型黑素瘤的發(fā)病機(jī)制中起重要作用，未來(lái)可能成為該亞型黑素瘤的治療靶點(diǎn)。

2.2 PAK1與鱗狀細(xì)胞癌及癌前病變

日光性角化（actinic keratosis，AK）臨床表現(xiàn)為紅斑、斑片或丘疹，紅斑基礎(chǔ)上伴有黏著性鱗屑。近10年，AK的發(fā)病率呈持續(xù)上升趨勢(shì)[16]。AK被認(rèn)為是原位鱗狀細(xì)胞癌（squamous cell carcinoma，SCC）的癌前病變。一些研究表明，8%的AK可以進(jìn)展為侵襲性SCC，然而，目前尚缺乏作為早期篩查哪種類型AK會(huì)發(fā)展為SCC的特異性指標(biāo)[16]。Beesetti等[17]通過(guò)免疫組化的方法證明了PAK1在AK患者的皮損中高表達(dá)，并且動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到，與非暴露皮膚組織相比，經(jīng)中波紫外線（ultraviolet light midrange sunbeam spectrum，UVB）照射的無(wú)毛免疫缺陷的小鼠模型中，磷酸化的PAK1和PAK1的表達(dá)水平均升高。通過(guò)體內(nèi)體外研究發(fā)現(xiàn)UVB照射可以使PAK1活化，而被活化的PAK1由胞質(zhì)轉(zhuǎn)位到胞核，之后核內(nèi)的PAK1通過(guò)即刻早期基因結(jié)合到DNA修復(fù)蛋白激酶ATR（ataxia-telangiectasia and Rad3-related protein）的特異性啟動(dòng)子區(qū)域，作為ATR的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子發(fā)揮作用。

Chow等[18]通過(guò)免疫組化的方法發(fā)現(xiàn)PAK1在SCC中高表達(dá)，尤其是在低分化、侵襲性強(qiáng)的組織中，胞質(zhì)呈現(xiàn)彌漫的強(qiáng)陽(yáng)性。Park等[19]研究發(fā)現(xiàn)PAK1在頭頸部SCC患者中高表達(dá)，并且PAK1與腫瘤細(xì)胞的侵襲有明顯相關(guān)性，結(jié)果表明PAK1過(guò)表達(dá)可能是頭頸部腫瘤侵襲及預(yù)后差的評(píng)估指標(biāo)。另外，Yang等[20]研究也發(fā)現(xiàn)與癌前病變相比，頭頸部SCC的患者PAK1蛋白表達(dá)水平明顯增高。結(jié)合既往文獻(xiàn)結(jié)果，PAK1在日光性角化和SCC的皮損中高表達(dá)，并且PAK1可能與腫瘤的侵襲進(jìn)展明顯相關(guān)，未來(lái)可能作為此類疾病發(fā)展和預(yù)后的預(yù)測(cè)指標(biāo)。

2.3 PAK1與乳房外Paget's病

乳房外Paget's?。╡xtramammary Paget's disease，EMPD）臨床表現(xiàn)為浸潤(rùn)性紅色斑片或斑塊，其上伴有鱗屑，好發(fā)于腋窩、陰囊、肛周等區(qū)域。由于該疾病的皮損缺乏特征性，早期常誤診為炎癥或感染性疾病[21]。早期的診斷和治療對(duì)于該病的預(yù)后至關(guān)重要，延誤診斷時(shí)皮損范圍累及更廣，腫瘤細(xì)胞浸潤(rùn)真皮層或發(fā)生播散。

Qian等[22]研究分析了35例EMPD患者的石蠟切片，結(jié)果表明PAK1上游調(diào)控分子Rac1，磷酸化PAK1以及磷脂酰肌醇3激酶（phosphatidylinositide 3 kinase，PI3K）與正常組織相比，均過(guò)表達(dá)，并且侵襲性乳房外Paget's病與非侵襲性相比，p-PAK1染色更明顯。早期曾有研究提出PI3K可能與Rac1結(jié)合，促進(jìn)Rac1的活化，可以作為介導(dǎo)其活化的上游調(diào)控因子。該研究還通過(guò)Pearson相關(guān)分析證明了Rac1表達(dá)水平的增高導(dǎo)致了pPAK1表達(dá)水平的上調(diào)。此項(xiàng)研究初步提示了pPAK1在乳房外Paget's病中高表達(dá)，有可能通過(guò)PI3K-Rac1-pPAK1信號(hào)通路在疾病的發(fā)生、發(fā)展中起到作用。迄今為止，PAK1在EMPD中的機(jī)制研究較少，依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，初步推測(cè)pPAK1可能作為評(píng)估EMPD侵襲程度的一個(gè)指標(biāo)，而PAK1磷酸化水平的小分子抑制劑可能是未來(lái)治療EMPD的有效藥物。

2.4 PAK1與Kaposi肉瘤

Kaposi肉瘤（Kaposi's sarcoma，KS）是一種由混合細(xì)胞組成的多灶性血管腫瘤。KS皮損的組織病理特征是細(xì)胞增殖、炎性細(xì)胞浸潤(rùn)和新生血管形成[23]。KS相關(guān)皰疹病毒（Kaposi sarcoma-associated herpes virus，KSHV）是針對(duì)KS流行病學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)的一種病原體，KS的內(nèi)皮細(xì)胞感染此病毒被認(rèn)為其作用是促使腫瘤增生[24]。

Guilluy等[24]研究發(fā)現(xiàn)PAK1的上游調(diào)控因子Rac1以及PAK1蛋白在KS和KSHV感染的內(nèi)皮細(xì)胞中高表達(dá)。通過(guò)此研究發(fā)現(xiàn)，推測(cè)可能是KSHV K1蛋白使Rac1發(fā)生活化，Rac1作用于下游因子PAK1促進(jìn)其活化，進(jìn)而引起血管內(nèi)皮細(xì)胞鈣黏蛋白和β-連環(huán)蛋白磷酸化，最終導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞連接功能缺失和受感染的血管內(nèi)皮細(xì)胞滲透性增加，與已報(bào)道的研究提出的人類KS皮損中血管滲透性增加的學(xué)說(shuō)相一致[25]。結(jié)合文獻(xiàn)推測(cè)，PAK1蛋白及上下游相關(guān)調(diào)控因子的異常變化可能在Kaposi肉瘤發(fā)病機(jī)制中起到重要作用。

3 PAK1在其他腫瘤中的研究

3.1 PAK1在淋巴瘤中的研究

過(guò)去的幾十年，淋巴瘤的診斷類型超過(guò)30種，并且持續(xù)有新的分類出現(xiàn)。這些分類對(duì)于理解此類疾病的臨床行為具有重要意義[26]。然而，由于這類疾病的分子和臨床的異質(zhì)性，分類分期不同的患者，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)治療存在明顯差異，為臨床醫(yī)生帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。因此，迫切需要新的診斷和治療方法被應(yīng)用于此類疾病。

Walsh等[26]研究選擇3種PI3K小分子抑制劑作用于60種淋巴瘤細(xì)胞系，包括伯基特淋巴瘤（n=11）、生發(fā)中心B細(xì)胞源性彌漫性大B細(xì)胞淋巴瘤（n=19）、霍奇金淋巴瘤（n=3）以及T細(xì)胞淋巴瘤（n=3）等，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在高表達(dá)PAK1基因的細(xì)胞系中，對(duì)于PI3K抑制劑的敏感性明顯增加，進(jìn)一步使用PAK1與PI3K抑制劑共同處理細(xì)胞后，呈現(xiàn)顯著的協(xié)同作用。早期也有文獻(xiàn)報(bào)道，PI3K能夠直接活化PAK1，提出PAK1高表達(dá)可能是治療抵抗的潛在機(jī)制[27]。另外，Mao等[28]研究利用基因芯片的方法，發(fā)現(xiàn)T細(xì)胞淋巴瘤包括蕈樣肉芽腫，NK/T細(xì)胞淋巴瘤中PAK1基因拷貝數(shù)增加，但是還沒(méi)有相關(guān)的功能研究被報(bào)道。依據(jù)既往文獻(xiàn)結(jié)果，初步推測(cè)PAK1可能是某些亞型淋巴瘤包括皮膚T細(xì)胞淋巴瘤的治療靶點(diǎn)。

3.2 PAK1在乳腺癌中的研究

乳腺癌是全世界女性最常發(fā)生的腫瘤之一，近年來(lái)，隨著生活方式的改變，其發(fā)病率逐年上升，并呈年輕化趨勢(shì)。目前，乳腺癌的有效治療在臨床中依舊是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。Mertins等[29]研究發(fā)現(xiàn)，除受體酪氨酸蛋白激酶erbB-2 b亞型（receptor tyrosine-protein kinase erbB-2 isoform b, ErbB2），一些磷酸化激酶包括CDK12、PAK1、PTK2及TLK2等在乳腺癌中均存在基因拷貝數(shù)的擴(kuò)增。ErbB2促使PAK1發(fā)生活化，進(jìn)而上調(diào)細(xì)胞周期蛋白1的表達(dá)，促進(jìn)腫瘤的增生[29]。Zhan等[30]最新研究發(fā)現(xiàn)miR494在乳腺癌組織及細(xì)胞系中低表達(dá)，PAK1是miR494的直接調(diào)控的靶基因，且PAK1的表達(dá)水平與miR494呈負(fù)相關(guān)。此研究進(jìn)一步驗(yàn)證了過(guò)表達(dá)乳腺癌細(xì)胞系中的PAK1，會(huì)促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖、克隆形成和侵襲。多項(xiàng)研究也顯示，PAK1蛋白在乳腺癌中高表達(dá)，通過(guò)直接磷酸化BAD蛋白，進(jìn)一步阻止BAD-Bcl2凋亡復(fù)合物的形成，抑制腫瘤細(xì)胞的凋亡[7,9]。結(jié)合文獻(xiàn)，推測(cè)PAK1可能是治療乳腺癌的有效靶點(diǎn)。

3.3 PAK1在結(jié)直腸癌中的研究

結(jié)直腸癌在世界范圍內(nèi)的發(fā)病率逐漸上升，使其成為第三種最常見的癌癥[32]。目前，結(jié)直腸癌的治療仍以手術(shù)為主，輔以放化療，但療效一般，且對(duì)于有遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的患者，尚缺乏有效的治療措施。另外，結(jié)直腸癌的生物學(xué)行為復(fù)雜，也容易對(duì)化療藥物產(chǎn)生耐藥，故而，尋找特異性的分子標(biāo)志物，研發(fā)新的靶向藥物，對(duì)患者的治療具有重要意義。

一些研究顯示PAK1在結(jié)直腸癌的組織中高表達(dá)，尤其是在腫瘤進(jìn)展期及淋巴結(jié)受累時(shí)更明顯[33]。Huynh等[34]研究也發(fā)現(xiàn)PAK1的表達(dá)水平與結(jié)直腸癌疾病的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)，而且降低PAK1在人結(jié)腸癌細(xì)胞系中的表達(dá)后，可以抑制其下游分子細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶和蛋白激酶B的活化，進(jìn)而抑制細(xì)胞的增殖、侵襲、存活和VEGF的產(chǎn)生，推測(cè)PAK1可能是治療結(jié)直腸癌的有效靶點(diǎn)。另外，Zhu等[35]研究利用免疫組化的方法，對(duì)比結(jié)腸癌與癌旁組織PAK1的表達(dá)水平，結(jié)果顯示70%（n=30）的樣本在腫瘤組織中高表達(dá)，且其高表達(dá)水平與β-連環(huán)蛋白的大量積累密切相關(guān)，同時(shí)，體外下調(diào)PAK1表達(dá)后，也會(huì)進(jìn)一步降低總β-連環(huán)蛋白的表達(dá)水平，最終使細(xì)胞增殖受抑制。結(jié)合既往研究，推測(cè)PAK1不僅是治療結(jié)直腸癌的重要靶點(diǎn)，也是疾病進(jìn)展的關(guān)鍵指標(biāo)。

4 小結(jié)與展望

綜上所述，目前，大量研究證明PAK1在惡性黑素瘤、鱗狀細(xì)胞癌及乳腺癌等多種腫瘤中異常表達(dá)，可能與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。盡管，PAK1在相關(guān)惡性腫瘤中的確切機(jī)制尚不明確，各種研究表明，PAK1可能是監(jiān)測(cè)腫瘤進(jìn)展的有效指標(biāo)，是抗腫瘤藥物研發(fā)的新靶點(diǎn)。期待更多PAK1的深入研究，并為多種腫瘤尤其是皮膚惡性腫瘤的治療、癌前病變進(jìn)展的判斷提供新的選擇。