HIF-1α在乳腺癌發(fā)生發(fā)展中的作用①

孟 越,田 晶

(桂林醫(yī)學(xué)院,廣西 桂林 541199)

乳腺癌是女性最常見(jiàn)的惡性腫瘤之一,2018年全球癌癥流行病學(xué)統(tǒng)計(jì)分析顯示,乳腺癌位居女性惡性腫瘤發(fā)病首位。我國(guó)屬于乳腺癌低發(fā)國(guó),但其發(fā)病率呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì),且發(fā)病年齡年輕化[1]。腫瘤的侵襲轉(zhuǎn)移及治療后的復(fù)發(fā)是導(dǎo)致乳腺癌患者死亡的主要原因,約有6.00%的乳腺癌患者在初次診療時(shí)已發(fā)生了轉(zhuǎn)移,而超過(guò)90.0%的患者死于腫瘤的轉(zhuǎn)移[2]。

腫瘤生長(zhǎng)迅速,其新生血管網(wǎng)存在功能與結(jié)構(gòu)異常,無(wú)法滿足癌細(xì)胞對(duì)氧的需求。因此,絕大部分實(shí)體腫瘤存在的微環(huán)境缺氧,這與腫瘤生長(zhǎng)、浸潤(rùn)、轉(zhuǎn)移等密切相關(guān)。在缺氧條件下,腫瘤細(xì)胞可通過(guò)激活一系列的信號(hào)通路和分子,以適應(yīng)微環(huán)境的改變,導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞的侵襲轉(zhuǎn)移能力和對(duì)放化療的抵抗能力增強(qiáng),其中,缺氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α,HIF-1α)是缺氧微環(huán)境下,腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生缺氧適應(yīng)性反應(yīng)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。研究表明,在正常乳腺組織中HIF-1α的表達(dá)很低甚至不表達(dá),而在乳腺腫瘤組織中HIF-1α的表達(dá)上調(diào),且在轉(zhuǎn)移癌患者中的表達(dá)高于未發(fā)生轉(zhuǎn)移的患者,提示其與乳腺癌的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)[3]。

1 HIF-1α的結(jié)構(gòu)與功能

HIF-1是由HIF-1α和HIF-1β兩個(gè)亞基組成的異源二聚體,HIF-1β亞單位是HIF-1的結(jié)構(gòu)亞基,編碼基因定位于人第1號(hào)染色體q21區(qū),并在細(xì)胞內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定表達(dá)。HIF-1α為功能性亞基,全長(zhǎng)826個(gè)氨基酸,編碼基因定位于人第14號(hào)染色體q21-24區(qū)[4]。正常情況下(組織、細(xì)胞所在環(huán)境的氧含量8.00%~10.0%),HIF-1α的半衰期極短,合成后迅速被脯氨酸羥化酶(prolyl hydroxylases,PHDs)羥基化,隨后被泛素蛋白酶的連接酶VHL(von hippel-lindau)識(shí)別、泛素化,然后降解,失去功能;缺氧時(shí)(氧含量≤2.00%),PHDs羥化活性下降,HIF-1α穩(wěn)定,移位至細(xì)胞核內(nèi),并與HIF-1β二聚化,形成HIF-1分子;HIF-1與基因組中相應(yīng)靶基因序列的缺氧反應(yīng)元件(hypoxia response elements,HREs)結(jié)合,調(diào)節(jié)下游多種基因的轉(zhuǎn)錄,如:血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、己糖激酶(hexokinase,HK)、磷酸葡萄糖異構(gòu)酶(phosphoglucoseisomerase,PGI)、M2型丙酮酸激酶(pyruvate kinase M,PKM2)、乳酸脫氫酶A(lactate dehydrogenase A,LDHA),參與癌生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移、能量代謝、新生血管的生成,以及放化療抵抗等[2]。

2 HIF-1α在乳腺癌中的作用

2.1 促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的上皮間質(zhì)化

隨著醫(yī)療水平的提高,乳腺癌患者的生存率明顯提高,但遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移患者的死亡率仍然很高。臨床資料統(tǒng)計(jì)、分析表明,未發(fā)生轉(zhuǎn)移的乳腺癌患者,5年生存率可高達(dá)93.0%;發(fā)生腫瘤轉(zhuǎn)移的患者,5年生存率僅為22.0%[5]。可見(jiàn),阻止癌細(xì)胞的侵襲轉(zhuǎn)移是改善乳腺腫瘤患者預(yù)后的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。上皮細(xì)胞間質(zhì)化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)是上皮細(xì)胞來(lái)源的惡性腫瘤細(xì)胞獲得遷移和侵襲能力的重要途徑,這個(gè)過(guò)程包括波形蛋白表達(dá)上調(diào),E-鈣黏蛋白、角蛋白表達(dá)下調(diào)。秦優(yōu)優(yōu)等[6]發(fā)現(xiàn),乳腺癌組織中HIF-1α表達(dá)升高,而E-鈣黏蛋白表達(dá)降低,與乳腺癌臨床分期、組織學(xué)分級(jí)和腋窩淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移密切相關(guān),且兩者在乳腺癌中的表達(dá)負(fù)相關(guān)。采用siRNA敲低高侵襲性乳腺癌細(xì)胞MDA-MB-231中HIF-1α表達(dá),波形蛋白磷酸化水平降低,癌細(xì)胞侵襲和遷移能力降低[7]。敲除HIF-1α的MCF-7和MDA-MB-231乳腺癌細(xì)胞,裸鼠的成瘤時(shí)間延長(zhǎng)、瘤體減小、成瘤率降低,移植瘤中EMT標(biāo)志物E-鈣黏蛋白、β-連環(huán)蛋白表達(dá)升高,波形蛋白表達(dá)下降。提示HIF-1α可促進(jìn)EMT的發(fā)生,參與乳腺癌的侵襲轉(zhuǎn)移。

微環(huán)境缺氧是惡性實(shí)體瘤的一個(gè)基本特征。缺氧條件下,HIF-1α可誘導(dǎo)多種上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子,與TWIST啟動(dòng)子中的缺氧反應(yīng)元件(HREs)直接結(jié)合后,激活乳腺癌細(xì)胞中Twist1的表達(dá)[6]。此外,HIF-1α可通過(guò)調(diào)控集落刺激因子1(CSF-1)/集落刺激因子1受體(CSF-1R),誘導(dǎo)乳腺癌細(xì)胞從EMT向混合上皮/間質(zhì)表型轉(zhuǎn)變,從而促進(jìn)癌細(xì)胞遷移[8]。下調(diào)HIF-1α可降低乳腺癌細(xì)胞中Snail和Twist1的表達(dá),抑制乳腺癌細(xì)胞的侵襲[9]。

2.2 促進(jìn)腫瘤新生血管生成

血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)可促進(jìn)腫瘤組織的新生血管生成,以滿足瘤組織的氧和營(yíng)養(yǎng)需求[10]。崔偉偉[11]研究發(fā)現(xiàn),堿性螺旋-環(huán)-螺旋轉(zhuǎn)錄因子2(sohlh2)作為上游負(fù)性調(diào)控因子,可通過(guò)抑制HIF-1α表達(dá),下調(diào)血管生成相關(guān)因子VEGF、Angpt14的合成和釋放,抑制乳腺腫瘤細(xì)胞的增殖和血行轉(zhuǎn)移。De Francesco等[12]研究發(fā)現(xiàn),胰島素樣生長(zhǎng)因子1(insulin-like growth factors-1,IGF-1)可通過(guò)IGF-1/IGF1-R軸誘導(dǎo)HIF-1α表達(dá),下游靶G蛋白偶聯(lián)雌激素受體(gprotein-coupled estrogen receptor1,GPER)和VEGF表達(dá)升高,促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖和腫瘤血管生成?？梢?jiàn),作為VEGF的上游調(diào)控因子,HIF-1α通過(guò)正向調(diào)控VEGF表達(dá),促進(jìn)腫瘤新生血管生成和乳腺腫瘤的發(fā)生、發(fā)展。

2.3 參與能量代謝

葡萄糖代謝是機(jī)體能量的主要來(lái)源,包括氧化磷酸化和糖酵解兩種形式。正常細(xì)胞往往通過(guò)前者供能,而腫瘤細(xì)胞,即使在有氧的環(huán)境中,主要仍由糖酵解供能。腫瘤細(xì)胞優(yōu)先通過(guò)糖酵解產(chǎn)生乳酸和ATP的過(guò)程稱為“有氧糖酵解”(即Warburg效應(yīng)),這為腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)提供了有利的酸性微環(huán)境,誘導(dǎo)癌細(xì)胞侵襲轉(zhuǎn)移[13]。Fu等[14]研究發(fā)現(xiàn),HIF-1α可與糖酵解關(guān)鍵酶磷酸甘油酸激酶(PGK1)形成一個(gè)正向的前反饋環(huán)路,刺激乳腺癌的發(fā)生和轉(zhuǎn)移。干擾磷酸葡萄糖異構(gòu)酶(phosphoglucose isomerase,PGI),可抑制乳腺癌細(xì)胞MCF-7中HIF-1α的表達(dá),削弱PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路,糖酵解相關(guān)酶(如:HKII、PKM2和LDHA)的表達(dá)減少,癌細(xì)胞的有氧糖酵解進(jìn)程受阻,ATP生成減少,降低乳腺癌細(xì)胞的能量代謝[15]。以含溴結(jié)構(gòu)域的蛋白BRD7誘導(dǎo)HIF-1α泛素化,HIF-1α降解,糖酵解關(guān)鍵酶LDHA表達(dá)下調(diào),乳腺癌細(xì)胞的糖酵解途徑受阻,癌細(xì)胞的侵襲能力下降[16]。相反,當(dāng)以核因子E2相關(guān)因子2(NRF2),一種氧化還原敏感性轉(zhuǎn)錄因子,激活乳腺癌細(xì)胞中HIF-1α 活性,HK2、PFKFB3、PKM2和LDHA等糖酵解因子的表達(dá)升高,腫瘤組織的糖酵解作用增強(qiáng)[17]。

2.4 調(diào)控細(xì)胞凋亡

過(guò)表達(dá)HIF-1α可顯著抑制“三陰性”乳腺癌MDA-MB-231細(xì)胞中上皮細(xì)胞相關(guān)因子的表達(dá),如E-CAD、細(xì)胞角蛋白18(CK18)和CK19。CK18水平降低,可影響上皮細(xì)胞的成熟與分化,抑制腫瘤細(xì)胞凋亡,這就為臨床治療“三陰性”乳腺癌提供了新的靶點(diǎn)和策略[18]。竹葉提取物或PGI通過(guò)PI3K/Akt、MAPK/ERK通路,抑制乳腺癌MCF-7細(xì)胞中HIF-1α表達(dá),癌細(xì)胞周期停滯在G2/M期,caspase-3表達(dá)升高,癌細(xì)胞發(fā)生凋亡[19]。

2.5 增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞耐藥性

腫瘤耐藥是臨床腫瘤治療中的常見(jiàn)問(wèn)題,也是抗腫瘤治療失敗的關(guān)鍵原因之一。Pan等[20]研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)激活A(yù)MPK,抑制HIF-1α-P-gp信號(hào)通路,十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)可下調(diào)多耐藥基因1(multidrug resistancegene 1,MDR1)的表達(dá),顯著增強(qiáng)耐藥乳腺癌細(xì)胞對(duì)阿霉素(DOX)的化學(xué)敏感性。而在HER2陽(yáng)性乳腺癌靶向治療中,HER2靶向抗體曲妥珠單抗的耐藥性產(chǎn)生則與STAT3介導(dǎo)的HIF-1α-HES-1信號(hào)通路抑制密切相關(guān)[21]。針對(duì)ER陽(yáng)性乳腺癌患者,ER拮抗劑他莫昔芬被廣泛應(yīng)用,但用藥期間獲得性耐藥的出現(xiàn)導(dǎo)致部分患者癌癥復(fù)發(fā),甚至死亡。研究發(fā)現(xiàn),他莫昔芬經(jīng)HIF-1α介導(dǎo),上調(diào)乳腺癌細(xì)胞中的上皮癌胚抗原1(lncRNA,UCA1)表達(dá),引發(fā)癌細(xì)胞對(duì)他莫昔芬的耐藥性;上調(diào)UCA1可減少HIF-1α的負(fù)性調(diào)控因子miR-18a表達(dá),增加HIF-1α的表達(dá),進(jìn)一步誘導(dǎo)UCA1的表達(dá),增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞的耐藥性[22]。Carlos等[23]研究發(fā)現(xiàn),芳香化酶抑制劑來(lái)曲唑可激活癌細(xì)胞內(nèi)HER2表達(dá),通過(guò)PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路,激活下游靶點(diǎn)HIF-1α的表達(dá),導(dǎo)致乳腺癌耐藥蛋白(BCRP)表達(dá)上調(diào),誘導(dǎo)癌細(xì)胞對(duì)來(lái)曲唑的耐藥性。Wang等[24]應(yīng)用HIF-1α抑制劑PX-478抑制HIF-1α表達(dá),可恢復(fù)乳腺癌細(xì)胞MCF-7對(duì)多烯紫杉醇(DTX)的敏感性,這為乳腺癌的治療提供了新策略。Hoda等[25]認(rèn)為,腫瘤治療中出現(xiàn)藥物耐藥性可能主要取決于腫瘤細(xì)胞類型和治療中所用的化療藥物兩個(gè)方面。研究中發(fā)現(xiàn),在三陰性乳腺癌細(xì)胞MDA-MB-231中,敲除轉(zhuǎn)錄激活因子3(STAT3)基因,順鉑耐藥性逆轉(zhuǎn),對(duì)HIF-1α的功能有明顯抑制作用。因此,HIF-1α并不是MDAMB-231癌細(xì)胞發(fā)生順鉑耐藥的原因。

綜上所述,乳腺腫瘤組織中HIF-1α的表達(dá)升高,可抑制細(xì)胞凋亡,促進(jìn)癌細(xì)胞上皮間質(zhì)化、腫瘤新生血管的生成及細(xì)胞的有氧糖酵解,并且誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞耐藥性。因此,HIF-1α逐漸被認(rèn)為是腫瘤患者不良預(yù)后的獨(dú)立危險(xiǎn)因素,其表達(dá)水平的高低可以影響腫瘤患者的預(yù)后。因此,HIF-1α可作為抗乳腺癌治療的分子靶點(diǎn)。