CaMKⅡ在結(jié)直腸癌相關(guān)信號(hào)通路激活中作用的研究進(jìn)展

鄧成念，劉模榮

遵義醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院，貴州遵義563000

研究估計(jì)，每年約有140萬新發(fā)結(jié)直腸癌(CRC)病例，每年有694 000例CRC患者死亡，CRC成為癌癥相關(guān)死亡的第四大最常見原因[1]。近年來，CRC發(fā)病率呈逐漸增高的趨勢(shì)，這對(duì)患者的生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。鈣離子(Ca2+)在細(xì)胞內(nèi)普遍存在，其通過影響細(xì)胞內(nèi)相應(yīng)信號(hào)傳導(dǎo)從而參與細(xì)胞生長(zhǎng)、細(xì)胞骨架組織、突觸傳遞和Ca2+穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)。研究表明，鈣信號(hào)廣泛參與腫瘤的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移[2]。Ca2+/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)是一種多功能的絲氨酸/蘇氨酸激酶，其活性在Ca2+/鈣調(diào)蛋白(CaM)結(jié)合后被激活。CaMKⅡ在多種惡性腫瘤(肺癌、乳腺癌、前列腺癌、結(jié)腸癌)中高表達(dá)[3]。CaMKⅡ的磷酸化形式包括近40種不同的蛋白質(zhì)，包括酶、離子通道、激酶和轉(zhuǎn)錄因子，在各種癌細(xì)胞增殖、分化和存活的調(diào)節(jié)中起關(guān)鍵作用。CaMKⅡ是Ca2+信號(hào)最重要的傳感器和調(diào)節(jié)劑。本文對(duì)CaMKⅡ在CRC相關(guān)信號(hào)通路激活中的作用進(jìn)行綜述，以期為CRC防治提供新思路。

1 CaMKⅡ的結(jié)構(gòu)及亞型

CaMK屬鈣信號(hào)下游的多功能絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶家族，包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ四種亞型。CaMKⅡ廣泛存在于哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，且有蛋白質(zhì)底物和組織分布。CaMKⅡ?yàn)橐环N多聚體蛋白，其全酶由12個(gè)亞基聚合組成，全酶相對(duì)分子質(zhì)量為300～700 kU，亞基相對(duì)分子質(zhì)量為50～62 kU。每個(gè)亞基都具有位于N-末端的催化結(jié)構(gòu)區(qū)，與其相鄰的自動(dòng)調(diào)節(jié)區(qū)和末端的中心結(jié)合區(qū)。像其他激酶一樣，CaMKⅡ的催化結(jié)構(gòu)域具有一個(gè)ATP結(jié)合袋，可形成一個(gè)微環(huán)境，以降低水解ATP所需的能量。CaMKⅡ的自動(dòng)調(diào)節(jié)區(qū)是整個(gè)激酶分子最復(fù)雜部位，包括N端自身抑制區(qū)、C端鈣/鈣調(diào)蛋白結(jié)合區(qū)、自身磷酸化位點(diǎn)(Thr286、Thr287)。自抑制區(qū)域大部分是CaMKⅡ調(diào)節(jié)活性的關(guān)鍵，是CaMKⅡ產(chǎn)生特有活化狀態(tài)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

CaMKⅡ基因有四個(gè)(α、β、γ、δ)，每個(gè)基因編碼一個(gè)不同的CaMKⅡ同種型。CaMKⅡ亞型都具有共同的調(diào)控機(jī)制和蛋白質(zhì)靶標(biāo)，但是在組織分布上卻有所不同[4]。研究[5]表明，α和β亞型在神經(jīng)細(xì)胞的發(fā)育及功能活性中發(fā)揮重要作用；γ亞型在免疫系統(tǒng)尤其是T細(xì)胞記憶、CD8+細(xì)胞活化中發(fā)揮重要的作用[6]；而δ亞型的研究主要集中在調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)和功能[7]。故猜想CRC發(fā)生發(fā)展可能與CaMKⅡγ亞型高表達(dá)所致免疫功能紊亂有關(guān)。

2 CaMKⅡ的功能

在靜息狀態(tài)，CaMKⅡ的催化結(jié)構(gòu)區(qū)與N端自身抑制區(qū)相互重疊，可以封閉催化結(jié)構(gòu)區(qū)與底物或者ATP結(jié)合位點(diǎn)。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平周期性上升時(shí)，隨著細(xì)胞內(nèi)Ca2+增加，Ca2+與CaM結(jié)合形成鈣化CaM，與調(diào)控區(qū)的羧基端結(jié)合，CaMKⅡ構(gòu)象隨即發(fā)生改變，N端自身抑制區(qū)釋放催化結(jié)構(gòu)區(qū)結(jié)合位點(diǎn)，并且在Thr286或Thr287發(fā)生自磷酸化，Thr286位點(diǎn)自磷酸化又能促進(jìn)酶亞基相互磷酸化，亞基磷酸化后具有捕捉鈣調(diào)蛋白能力，進(jìn)而促進(jìn)全酶活化[8]。磷酸化能夠增強(qiáng)自動(dòng)調(diào)節(jié)域與Ca2+/CaM親和力及阻斷抑制域發(fā)揮抑制作用，從而產(chǎn)生激酶自主活性。所以在胞內(nèi)Ca2+濃度降低后，仍能長(zhǎng)時(shí)間保持較高的激酶活性。

3 CaMKⅡ在CRC相關(guān)信號(hào)通路激活中的作用

CRC是全球常見的癌癥之一，是受遺傳和環(huán)境因素共同影響的復(fù)雜疾病[9]。到2030年，全球每年將超過110萬例CRC患者死亡、220萬例新發(fā)[10]，這給人們生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，迫切需要了解CRC發(fā)病的分子機(jī)制，對(duì)于預(yù)防疾病及尋找相關(guān)藥物至關(guān)重要。Ca2+是普遍存在的第二信使，可作為多種細(xì)胞過程的信號(hào)分子。實(shí)際上，在正常和病理?xiàng)l件下，細(xì)胞增殖、遷移和侵襲都是通過許多復(fù)雜的Ca2+依賴性過程。其中Ca2+信號(hào)在CRC的發(fā)生發(fā)展中扮演著舉足輕重的角色[11]。CaMKⅡ是Ca2+信號(hào)最重要的傳感器和調(diào)節(jié)劑，細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度升高則是細(xì)胞增殖的重要環(huán)節(jié)，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度周期性上升時(shí)，鈣離子通過結(jié)合鈣調(diào)蛋白激活CaMKⅡ，從而激活多條相關(guān)信號(hào)通路，影響CRC的發(fā)生發(fā)展。

3.1 核因子κB(NF-κB)信號(hào)通路 NF-κB是由p50和p65亞基組成的二聚體，與B細(xì)胞抑制劑中的kappa輕多肽基因增強(qiáng)子的核因子結(jié)合，作為細(xì)胞質(zhì)中的轉(zhuǎn)錄因子。NF-κB家族成員及其調(diào)控基因與惡性腫瘤的轉(zhuǎn)化、腫瘤細(xì)胞增殖、存活、血管生成、侵襲轉(zhuǎn)移有關(guān)。NF-κB的活化不僅影響DNA損傷和致癌突變，而且還通過促進(jìn)活性氧和活性氮的產(chǎn)生而導(dǎo)致腫瘤發(fā)生。研究指出，NF-κB信號(hào)通路是CRC的病因，其充當(dāng)細(xì)胞增殖和凋亡的關(guān)鍵介質(zhì)[12]。Lee等[13]使用氯化氰處理可抑制結(jié)腸癌細(xì)胞NF-κB信號(hào)通路并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，減少結(jié)腸癌細(xì)胞的增殖和集落形成。CaMKⅡδ的激活可以調(diào)節(jié)心血管炎癥，是促炎性NF-κB信號(hào)傳導(dǎo)的必需品[14]。而CaMKⅡδ和CaMKⅡγ表達(dá)上調(diào)也可以導(dǎo)致NF-κB信號(hào)通路的激活，從而保護(hù)神經(jīng)元免受缺血性損傷[15]。CaMKⅡγ亞型在免疫系統(tǒng)尤其是T細(xì)胞記憶、CD8+細(xì)胞活化中發(fā)揮重要作用，且CaMKⅡγ對(duì)T細(xì)胞成熟及外周淋巴器官中成熟T細(xì)胞的激活至關(guān)重要。CaMKⅡγ是在巨噬細(xì)胞表達(dá)的唯一的CaMKⅡ家族成員。CRC細(xì)胞中存在著CaMKⅡγ的高活化狀態(tài)，而CaMKⅡγ的高活化可以通過介導(dǎo)NF-κB信號(hào)通路的激活從而促進(jìn)CRC細(xì)胞在體內(nèi)外的增殖[16]。但確切作用和調(diào)節(jié)機(jī)制仍不清楚。

3.2 STAT3信號(hào)通路 近年來，越來越多的證據(jù)表明，慢性炎癥導(dǎo)致許多腫瘤的發(fā)生發(fā)展。信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活子3(STAT3)等各種促炎信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路參與了炎癥向CRC的轉(zhuǎn)化。STAT3是一種潛在的細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)錄因子，通過酪氨酸殘基705(Tyr705)的磷酸化而被激活。磷酸化的STAT3轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞核，在其中轉(zhuǎn)錄涉及細(xì)胞周期進(jìn)程、增殖、遷移、侵襲和存活的各種基因的表達(dá)[17]。STAT3是許多致癌途徑的匯聚點(diǎn)，STAT3信號(hào)通路是公認(rèn)的致癌途徑，在多種生物過程中起關(guān)鍵作用，包括多種癌細(xì)胞的增殖、存活、遷移、侵襲和上皮細(xì)胞—間充質(zhì)轉(zhuǎn)化。Spitzner等[18]研究表明，STAT3在結(jié)腸癌起始細(xì)胞中被組成型激活，通過抑制STAT3表達(dá)可以提高晚期大腸癌對(duì)放療的敏感度。相應(yīng)的，乙氧基甲烷誘導(dǎo)的CRC模型中也存在STAT3信號(hào)的過度激活[19]。CaMK2γ通過增強(qiáng)STAT3的活化來促進(jìn)結(jié)腸上皮細(xì)胞的存活和增殖。CaMK2γ基因敲除小鼠結(jié)腸炎樣品中STAT3的磷酸化水平顯著降低，CaMK2γ基因敲除小鼠結(jié)腸組織中與細(xì)胞存活和增殖有關(guān)的幾種STAT3靶基因的表達(dá)降低。抑制CRC細(xì)胞系中CaMK2γ的表達(dá)也抑制了IL-6誘導(dǎo)的STAT3磷酸化[20]?？梢?，CaMK2γ基因敲除可能通過抑制IL-6誘導(dǎo)的STAT3活化來抑制結(jié)腸上皮細(xì)胞的存活和增殖。說明結(jié)腸炎相關(guān)性結(jié)腸癌(CAC)與該信號(hào)通路的失調(diào)密切相關(guān)，但仍然需要進(jìn)一步研究來確定CaMK2γ和STAT3激活之間的分子關(guān)系。

3.3 ERK1/2和p38信號(hào)通路 p38的激活介導(dǎo)炎癥和細(xì)胞凋亡，細(xì)胞外調(diào)節(jié)激酶1/2(ERK1/2)的活性主要與細(xì)胞增殖和分化有關(guān)[21]。在神經(jīng)元中，抑制CaMKⅡ活性可以抑制ERK1/2和p38磷酸化[22]。研究表明，CaMKⅡ是結(jié)腸癌細(xì)胞增殖、遷移和侵襲的必需品。通過使用CaMKⅡ抑制劑KN93可以顯著降低ERK1/2和p38磷酸化，而ERK1/2或p38的特異性抑制阻止了HCT116細(xì)胞的增殖、遷移和侵襲[23]。證明CaMKⅡ可通過ERK1/2和p38依賴性途徑介導(dǎo)結(jié)腸癌的增殖和遷移。但其具體機(jī)制尚未可知。

3.4 絲裂原激活的蛋白激酶(MAPK)信號(hào)通路 MAPK信號(hào)通路調(diào)節(jié)許多細(xì)胞功能，包括細(xì)胞增殖和凋亡。MAPK信號(hào)傳導(dǎo)可以介導(dǎo)微小RNA(miRNA)，通過信使RNA的翻譯抑制或降解來調(diào)節(jié)基因表達(dá)。許多其他miRNA已與免疫應(yīng)答的各種成分相關(guān)聯(lián)。MAPK信號(hào)通路中大約41%的基因在CRC中表達(dá)失調(diào)，包括EPK1/EPK2、c-Jun-N-末端激酶(JNKs)、p38和EPK5上游和下游的基因失調(diào)，提示MAPK信號(hào)通路可能參與了CRC發(fā)生發(fā)展[24]。CaMKⅡ的下游靶標(biāo)之一是c-Src，c-Src是一種非受體結(jié)合的酪氨酸蛋白激酶，該蛋白與結(jié)腸癌、乳腺癌和前列腺癌的發(fā)生發(fā)展有關(guān)。結(jié)腸癌中c-Src水平增加了5～8倍。最重要的是，CaMKⅡ?qū)-Src的激活與EGFR的反式激活以及隨后在血管平滑肌細(xì)胞中的MAPK信號(hào)傳導(dǎo)有關(guān)。研究表明，鈣調(diào)節(jié)的EGFR-MAPK激活是通過CaMKⅡ介導(dǎo)的[25]。MAPK途徑是CaMKⅡ調(diào)控的重要下游靶標(biāo)之一[26]。3個(gè)主要的MAPK途徑是EPK1/EPK2、JNKs和p38[27]。因此，在CRC的發(fā)生發(fā)展中可能共同存在CaMKⅡ介導(dǎo)MAPK信號(hào)通路、EPK1/2和p38信號(hào)通路，且相互交叉影響。

3.5 Wnt/β-Catenin信號(hào)通路 腺瘤性息肉病抑癌基因的失活啟動(dòng)了腫瘤的形成并調(diào)節(jié)了Wnt/β-Catenin轉(zhuǎn)導(dǎo)通路控制細(xì)胞增殖、黏附和轉(zhuǎn)移。Wnt信號(hào)的失調(diào)是CRC發(fā)生的關(guān)鍵分子事件。Wnt信號(hào)被多個(gè)Wnt配體激活，并通過規(guī)范途徑或非規(guī)范途徑進(jìn)行信號(hào)傳遞。據(jù)報(bào)道，非經(jīng)典的Wnt信號(hào)傳導(dǎo)介導(dǎo)癌細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移[28]。部分Wnt(Wnt5A、Wnt11)無法穩(wěn)定β-Catenin，還可誘導(dǎo)各種途徑的激活，如蛋白激酶C(PKC)、CaMKⅡ和JNK，并通過非規(guī)范途徑進(jìn)行信號(hào)傳遞。在HCT116細(xì)胞系中，利莫那班通過上調(diào)Wnt5A以及激活CaMKⅡ來增加非經(jīng)典Wnt/β-Catenin途徑的活性[29]。有研究表明,CRC細(xì)胞中分泌前梯度蛋白2(AGR2)可上調(diào)Wnt11表達(dá)，激活CaMKⅡ和JNK來調(diào)節(jié)CRC遷移。因此，該Wnt11-CaMKⅡ途徑(非經(jīng)典Wnt信號(hào)傳導(dǎo))在介導(dǎo)分泌AGR2增強(qiáng)的CRC細(xì)胞遷移、侵襲中起關(guān)鍵作用[30]。故Wnt/CaMKⅡ信號(hào)的激活可能是驅(qū)動(dòng)CAC發(fā)生的重要信號(hào)途徑之一。

CRC是消化系統(tǒng)常見的惡性腫瘤，其發(fā)生和發(fā)展涉及多個(gè)基因、途徑和階段。盡管早期篩查策略如結(jié)腸鏡檢查、改進(jìn)的手術(shù)方法和術(shù)后化療已在臨床實(shí)踐中廣泛使用，但CRC的病死率仍然很高。因此，為進(jìn)一步提高CRC患者的生存率，迫切需要尋找新的檢測(cè)指標(biāo)及治療靶點(diǎn)。CaMKⅡ在大腸癌中過表達(dá)，并在分化較差的大腸腫瘤中高表達(dá)，可直接或間接影響NF-κB、STAT3、EPK1/2、p38、MAPK和Wnt/β-Catenin等信號(hào)通路傳導(dǎo)，其導(dǎo)致大腸癌發(fā)生發(fā)展和增殖侵襲的機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜、相互影響，在疾病的診斷、治療與預(yù)后等方面的潛在價(jià)值仍有待研究。隨著對(duì)CaMKⅡ的深入研究，可為CRC臨床合理用藥提供新的思路。