細胞分裂周期蛋白42在腫瘤中的作用及其分子機制研究進展

陳婉嫻，王思夢，陳張瑜，王潘集，許麗艷，李恩民，，*

(1.汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室，廣東 汕頭 515041；2.汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所，廣東 汕頭515041)

細胞分裂周期蛋白42(cell division cycle 42，CDC42)是小G 蛋白Rho 家族的核心成員，含191 個氨基酸，主要定位于細胞質(zhì)，由位于核基因組的CDC42基因編碼。有研究表明，作為細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)分子，CDC42蛋白在細胞的增殖與遷移，以及細胞的惡性轉(zhuǎn)化等生理病理過程中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用[1]。通常，CDC42蛋白在與GTP結(jié)合/活性狀態(tài)和與GDP結(jié)合/非活性狀態(tài)之間循環(huán)切換，受鳥嘌呤核苷酸交換因子(guanine nucleotide exchange factors，GEF)、GTP 酶 活 化蛋 白(gtpase activating proteins，GAP)以及鳥嘌呤核苷酸解離抑制因子(GDP dissociation inhibitor，GDI)三者的協(xié)同作用調(diào)節(jié)。GEF催化CDC42蛋白從結(jié)合GDP的非活性狀態(tài)向結(jié)合GTP的活性狀態(tài)轉(zhuǎn)變；伴隨著細胞骨架重塑，進一步激活下游的相關(guān)信號通路，最終引發(fā)細胞增殖和遷移等系列細胞功能變化。與此相反，GAP 通過將CDC42 蛋白所結(jié)合的GTP 水解為GDP，對CDC42蛋白的上述功能活性發(fā)揮負性調(diào)節(jié)作用。而GDI則鎖定CDC42蛋白使之一直結(jié)合GDP，維持其非活性狀態(tài)不變，同時還能防止CDC42蛋白定位到質(zhì)膜，阻礙其發(fā)揮功能作用。此即所謂的CDC42/GTPase循環(huán)[2]。

CDC42 蛋白在細胞中發(fā)揮功能作用取決于其在質(zhì)膜上定位。CDC42蛋白的質(zhì)膜定位依賴于其羧基端的特殊的氨基酸基序(183/KKSRRCVLL/191)。CDC42 蛋白羧基端的4 個氨基酸殘基188/CVLL/191是其翻譯后修飾的位點所在。在異戊烯基轉(zhuǎn)移酶的作用下，188 位的半胱氨酸殘基側(cè)鏈的巰基和多聚異戊二烯基間共價結(jié)合，形成硫酯鍵；同時，在蛋白內(nèi)切酶的作用下，再水解去掉末端的3個氨基酸殘基VLL，使CDC42蛋白羧基末端帶上疏水的多聚異戊二烯鏈，以利于其錨定在質(zhì)膜。另外，CDC42蛋白羧基端的二精氨酸基序(R186和R187)，在其質(zhì)膜錨著定位中，可能同樣發(fā)揮重要作用。同時，此二精氨酸基序也是CDC42蛋白在細胞惡性轉(zhuǎn)化中發(fā)揮其活性作用的前提條件[3]。

近年來，有關(guān)CDC42，作為細胞信號網(wǎng)絡(luò)開關(guān)，在腫瘤細胞的分裂增殖、侵襲遷移，以及代謝中的作用及其分子機制取得了許多重要的研究進展，是腫瘤學(xué)界的熱點研究領(lǐng)域之一。

1 CDC42在腫瘤細胞增殖中的作用及其分子機制

有實驗研究結(jié)果表明，在人體的大部分正常組織細胞中，無論是mRNA，還是蛋白，CDC42 均呈現(xiàn)低/中水平表達；然而，在腫瘤組織細胞中，CDC42 普遍表達上調(diào)，參與PAK 和N-WASP等細胞信號通路的活化，與腫瘤細胞的惡性增殖等行為密切相關(guān)[2]。

長期以來，如何應(yīng)對腫瘤細胞的惡性增殖一直是臨床腫瘤治療的難點之一。目前已知，作為細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)開關(guān)，CDC42 與多種癌蛋白在腫瘤細胞惡性增殖中的作用密切相關(guān)。早在1984 年，Brodeur 等[4]的實驗結(jié)果提示，N-MYC(N-MYC Oncoprotein)可能是神經(jīng)母細胞瘤的癌蛋白。20 年后，Lee 和Craig等[5]在實驗中發(fā)現(xiàn)，敲降CDC42蛋白的表達不但能夠明顯抑制神經(jīng)母細胞瘤的分裂增殖，而且還可能與癌蛋白N-MYC的作用有關(guān)，然而，具體的分子機制尚不清楚。

關(guān)于CDC42蛋白在腫瘤細胞分裂增殖中所發(fā)揮作用的分子機制，Libermann等[6]曾在實驗研究中發(fā)現(xiàn)，表皮生長因子受體EGFR 異常高表達或過度活化有助于多種腫瘤細胞的惡性增殖，而CDC42蛋白在其中可能扮演著EGFR活化信號向下游傳遞的中介者的角色。另外，已知EGFR 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的終止需要泛素連接酶CBL 的參與，其介導(dǎo)EGFR 的泛素化以及隨后的EGFR降解。然而，Wu和Cerione等[7]的研究發(fā)現(xiàn)，在乳腺癌等惡性腫瘤中，CBL往往是異常的，這是因為CDC42蛋白活性上調(diào)，其抑制CBL 酶的活化，阻斷了EGFR 的降解。再者，Buchwald[8]的研究發(fā)現(xiàn)，酪氨酸激酶ACK1 高表達與細胞惡性增殖密切相關(guān)，而ACK1在癌細胞中被激活是CDC42通過接收由EGFR 傳遞下來的活性信號介導(dǎo)的；ACK1 的激活可以進一步引發(fā)蛋白激酶AKT向細胞膜募集并激活，最終促進細胞的惡性增殖。另外，CDC42 蛋白還可以通過與PKC、PAR6、PAKs、IQGAP1 和前組織蛋白酶D 等互作，以MAPK/ERK 依賴性方式促進乳腺癌等惡性腫瘤細胞的增殖。與此同時，CDC42蛋白還能通過誘導(dǎo)p53蛋白的泛素化，以克服后者對細胞增殖的抑制作用[9]。再者，近年Xu 等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在人肝細胞癌中，表達上調(diào)的CDC42蛋白還能夠通過HBx/CDC42/IQGAP1通路促進癌細胞增殖。

2 CDC42 蛋白在腫瘤細胞侵襲遷移中的作用及其分子機制

侵襲遷移是惡性腫瘤細胞的本質(zhì)特征之一。惡性腫瘤細胞侵襲遷移機制的多樣性，以及惡性腫瘤細胞侵襲遷移所處微環(huán)境的異質(zhì)性，增加了臨床治療惡性腫瘤的困難。惡性腫瘤細胞在體內(nèi)的遷移是通過逐步降解其周圍的細胞外基質(zhì)，開拓遷移通道，其余的惡性腫瘤細胞追隨領(lǐng)頭的惡性腫瘤細胞，完成遷移過程[11]。為了使遷移的腫瘤細胞適應(yīng)其周圍環(huán)境的變化，腫瘤細胞的內(nèi)在結(jié)構(gòu)需要不斷重塑，基于此，快速激活時空特異性調(diào)控信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)對細胞遷移來說不可或缺，使細胞能夠?qū)ν饨绲拇碳ば孕盘栄杆僮龀龇磻?yīng)。CDC42蛋白正是這些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵的組成部分，是分子開關(guān)，在與GTP 結(jié)合和與GDP結(jié)合兩種形式之間循環(huán)切換。

Yamao 等[12]研究報道，CDC42 蛋白通過激活肌動蛋白相關(guān)蛋白，誘導(dǎo)細胞絲狀偽足中的F-Actin 的成束化，促進細胞運動。有體外研究發(fā)現(xiàn)，為了促進肌動蛋白Actin 聚合，CDC42與WASP 互作，激活A(yù)rp2/3；Arp2/3 再通過與現(xiàn)有的肌動蛋白絲F-actin結(jié)合，促進新絲合成，肌動蛋白交聯(lián)蛋白聚集這些肌動蛋白絲，再使之進一步伸長，形成絲狀偽足。與此同時，體內(nèi)研究也證明了CDC42 蛋白和WASP 在絲狀偽足形成中的作用，但其確切的分子機制尚有待深入研究。眾所周知，典型的偽足樣細胞的遷移需要黏附細胞外基質(zhì)，這有賴于肌動蛋白聚合驅(qū)動的細胞突起。細胞可以利用富含F(xiàn)-actin的偽足的扇形突起進行遷移，惡性腫瘤細胞更是如此，并伴隨著基質(zhì)金屬蛋白酶MMP 活性的增強。這種細胞遷移模式發(fā)生在腫瘤組織的微通道中，微通道被ECM 蛋白包繞；在孔徑相對較小的環(huán)境中，腫瘤細胞的細胞骨架被重塑，胞體變形收縮，同時腫瘤細胞的細胞核也適時變形，這十分利于腫瘤細胞的遷移[11]。Radu等[13]則研究發(fā)現(xiàn)，CDC42蛋白高表達，可激活其下游的效應(yīng)蛋白PAKs 激酶，誘導(dǎo)細胞微絲骨架重塑，促進細胞絲狀偽足的組裝，促進細胞的侵襲遷移。目前，已研究確知PAKs 高表達在多種惡性腫瘤的侵襲遷移中發(fā)揮著重要作用，例如，有研究發(fā)現(xiàn)，在卵巢癌、乳腺癌和膀胱癌、T 細胞淋巴瘤和膠質(zhì)母細胞瘤中，PAK1 高表達；在前列腺癌中，PAK4 和PAK6 高表達，而且PAK2異?；罨?；PAKs的高表達活化促進惡性腫瘤細胞的侵襲遷移[14]。此外，Radu等[13]還研究發(fā)現(xiàn)，PAKs參與細胞外基質(zhì)的重構(gòu)，至少一部分是由基質(zhì)金屬蛋白酶MMPs 介導(dǎo)的。遺傳學(xué)實驗結(jié)果表明，在CDC42-/-小鼠胚胎成纖維細胞中表達不能結(jié)合PAKs 的CDC42 突變體，細胞的基質(zhì)重構(gòu)將無法恢復(fù)[15]。另外，PAK1、PAK2、PAK4 和PAK5 已被證明在多種腫瘤細胞中調(diào)節(jié)MMPs的表達；與此同時，PAK4已被報道還可與MMP2 相互作用，而且下調(diào)PAK4 可使MMP2 的表達下調(diào)，隨之細胞的侵襲性也喪失[16]。

3 CDC42在腫瘤細胞代謝中的作用及其分子機制

與正常細胞相比，癌細胞具有明顯不同的代謝特點。有研究表明，與其他Rho蛋白一樣，CDC42蛋白可通過改變細胞代謝方式促進腫瘤細胞惡性演進發(fā)展。通常情況下，腫瘤細胞需要消耗更高水平的葡萄糖，并在有氧情況下分泌更多的乳酸，這一現(xiàn)象被稱為瓦伯格效應(yīng)(Warburg effect)。除了葡萄糖的高消耗外，癌細胞還消耗大量的谷氨酰胺。三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle，TCA)對細胞的增殖至關(guān)重要，因為它為生物大分子的合成提供前體分子。高谷氨酰胺消耗通過TCA循環(huán)得以補充，從而使得脂類、蛋白質(zhì)和核酸的生物合成得以持續(xù)，促進細胞增殖。與未轉(zhuǎn)化的細胞相比，CDC42-F28L 突變所致的惡性轉(zhuǎn)化的成纖維細胞的線粒體谷氨酰胺酶活性升高，這對谷氨酰胺的持續(xù)代謝至關(guān)重要。此外，小分子抑制劑通過對谷氨酰胺酶活性的抑制，可明顯抑制CDC42-F28L細胞癌性轉(zhuǎn)化，然而，對照組細胞未見顯著變化。這說明CDC42蛋白誘導(dǎo)細胞轉(zhuǎn)化的能力與其改變細胞的代謝方式有關(guān)。因此，通過改變細胞代謝方式促進癌細胞增殖可能是CDC42蛋白參與細胞惡性轉(zhuǎn)化的一種新的機制[3]。

4 CDC42 蛋白作為分子靶點在腫瘤治療中應(yīng)用前景展望

CASIN 是一種活性化學(xué)小分子物質(zhì)，化學(xué)分子式是C20H22N2O，最初是2015年，通過體外實驗方法，在篩選PIP2誘導(dǎo)肌動蛋白聚合時被發(fā)現(xiàn)的。目前已研究確認CASIN 是一種CDC42蛋白的新型的特異性抑制劑，抑制PIP2依賴性肌動蛋白的裝配。研究發(fā)現(xiàn)，CASIN對于CDC42蛋白的抑制作用是通過抑制CDC42 蛋白的核苷酸GDP/GTP 的交換而實現(xiàn)的。然而，CASIN 本身并不直接結(jié)合CDC42，同時也不影響核苷酸GDP/GTP 與CDC42 蛋白的結(jié)合與釋放，而是通過影響CDC42/RhoGDI復(fù)合物，抑制CDC42/RhoGDI復(fù)合物的活化，進而達到抑制CDC42蛋白激活的效能[17]。

近年來，有關(guān)將CDC42蛋白抑制劑CASIN用于臨床疾病治療方面的研究，最先被研究報道的疾病是過敏性氣道炎癥和哮喘，并非腫瘤[18-19]。不過，隨著CDC42 在腫瘤惡性演進中分子作用機制的不斷深入揭示，CASIN用于腫瘤治療的前景已被認知。然而，包括我們針對食管癌的前期的初步的研究在內(nèi)，相關(guān)研究尚處于臨床前研究階段。我國是食管癌等上消化道惡性腫瘤的高發(fā)國，目前臨床上尚沒有針對食管癌的特異性的靶向治療藥物可用，情形十分嚴峻。由此可見，我們選擇食管癌，在前期研究獲得初步實驗結(jié)果的基礎(chǔ)之上，進一步圍繞著CASIN 如何通過抑制CDC42 蛋白作用，抑制食管癌惡性演進，開展基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)方面的研究，其意義是不言而喻的，值得堅持深入研究下去。