腺苷酸激酶4在惡性腫瘤中的研究進展*

牛良晨 綜述 李力 審校

腺苷酸激酶（adenylate kinase，AK）是一種廣泛存在的催化核苷酸磷酸化交換反應的酶。迄今為止，已在脊椎動物中鑒定出8 種AK 家族同工酶（AK1～AK8）［1］，它是一個單體磷酸轉(zhuǎn)移酶，催化可逆磷?；D(zhuǎn)移反應，調(diào)節(jié)細胞內(nèi)ATP 濃度。AK 的表達形成一個完整的信號網(wǎng)絡(luò)，連接能量的需求/供應和代謝過程。AK通過將末端磷酸基團從ATP轉(zhuǎn)移到腺嘌呤核糖核苷酸（adenosine monophosphate，AMP），形成兩個腺嘌呤核苷二磷酸（adenosine diphosphate，ADP）分子，參與核酸合成和細胞能量代謝［2］。AK 大量存在于高能源需求的細胞質(zhì)中，病理情況下可溶性AK的活性高度特異性上調(diào)［3］。AK 亞型（AK1、AK2、AK4、AK6）在調(diào)控腫瘤細胞代謝、代謝信號以及細胞遷移和侵襲等方面發(fā)揮重要作用。在腫瘤初始階段，多種因素抑制AK磷酸化轉(zhuǎn)移和AMP生成，進而通過腺苷酸-活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）信號傳導，AK→AMP→AMPK 通路信號的下調(diào)可導致細胞周期、生長和增殖失去控制［4］。AK4在缺氧耐受、抗腫瘤藥物耐藥、調(diào)節(jié)線粒體活性等方面也發(fā)揮重要作用［5-6］，并被用作抗癌治療的潛在靶點。例如，AK4表達水平可以通過調(diào)節(jié)線粒體活性來影響抗癌藥物的敏感性［7］。盡管對基本功能進行了廣泛的研究，但其與腫瘤之間的AK4 關(guān)系尚未得到進一步的探索。疾病的發(fā)生發(fā)展都伴隨著能量代謝的改變，因此，對AK4的研究可以有助于了解疾病的病理機制，同時為臨床治療提供新方法、新思路，尤其是對惡性腫瘤的治療有重要意義。

1 AK4的基本功能和作用機制

人類AK4 基因于1992年被鑒定［8］，是腺苷酸激酶家族的第四種酶，目前認為其主要在心、腎、肝等富含線粒體的組織中表達［9］。Noma等［10］通過電泳分析測得AK4 的分子量為29 kDa，并測得多個AK4 轉(zhuǎn)錄本，其最長的轉(zhuǎn)錄本大小約為8.0 kb，在腎臟和心臟中表達最高，在肝臟中中度表達，在大腦中弱表達，而在胎盤和肺中，AK4 mRNA 幾乎檢測不到。進一步的亞線粒體分餾表明AK4 位于線粒體基質(zhì)中，這是線粒體靶向信號的特征［10-11］。AK4 被認為是特異性地作用于能量代謝，而不是控制體內(nèi)腺嘌呤核苷酸的平衡［12］。在Khatri等［13］的研究中，已知AK4參與了代謝的調(diào)控，并且AK4 的表達明顯與轉(zhuǎn)錄調(diào)控和代謝過程有關(guān)。據(jù)報道，缺氧條件下培養(yǎng)胚胎腎細胞，應激反應蛋白AK4 的水平有所增加［14］，提示AK4 可能在細胞缺氧耐受中發(fā)揮作用。Synnergren等［15］研究發(fā)現(xiàn)AK4重疊表達于表皮衍生細胞和心臟祖細胞中，在低氧暴露24小時后，AK4在該兩種細胞中被上調(diào)，進一步證實AK4 在細胞的缺氧耐受中發(fā)揮作用。但實驗均為體外細胞模型，其結(jié)果說服力有限。而在HEK293 細胞中針對AK4 的RNA 干擾（RNA interference，RNAi）可抑制增殖，促進凋亡；該研究同時表明，在缺氧條件下HepG2 細胞的AK4 水平降低，細胞增殖明顯減少，細胞凋亡增加。因此，AK4 水平的降低與細胞凋亡相關(guān)［16］。該結(jié)果可推測不同的AK4 水平反映了不同的基礎(chǔ)壓力水平，從而導致細胞對額外壓力的不同反應。國內(nèi)有研究表明，AK4在張氏肝細胞中高表達，而沉默AK4后細胞增殖速度顯著降低，細胞周期阻滯在S期，G2期細胞明顯減少［17］，可推測促進細胞增殖是AK4 的基本功能之一。AK4被確定為線粒體RNAi篩查中細胞ATP水平的關(guān)鍵調(diào)節(jié)器，敲除AK4 使ATP 水平提高25%以上同時降低ATP/ADP 比值；AK4 可能通過感知線粒體ATP/ADP比值和調(diào)節(jié)腺苷酸轉(zhuǎn)位酶（adenine nucleotide translocase，ANT）的轉(zhuǎn)運活性來維持線粒體腺嘌呤核苷酸池；AK4 敲除可以誘導AMPK 的產(chǎn)生，表明AK4 的正常功能會影響細胞中AMPK 的激活［6］。總之，上述研究表明AK4調(diào)節(jié)細胞能量電荷和AMPK的激活，是細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的重要調(diào)節(jié)因子。

有報道稱AK4與線粒體基質(zhì)上的ADP/ATP轉(zhuǎn)位子和電壓依賴性陰離子通道（voltage-dependent anion channel，VDAC）相互作用，從而調(diào)節(jié)線粒體膜通透性和線粒體基質(zhì)與細胞間ADP/ATP 交換［14］。AK4可能通過與ANT/VDAC 復合物相互作用，調(diào)節(jié)電子傳遞鏈（electron transport chain，ETC）產(chǎn)生的活性氧外排，從而提高細胞內(nèi)活性氧水平，促進有氧糖酵解，減少體內(nèi)細胞缺氧壞死［18］。研究表明，表皮生長因子受體（epidermal growth factor receptor，EGFR）蛋白的含量隨著AK4 表達的減少而減少，降低了細胞對EGFR 抑制劑的敏感性［19］。該研究先利用生物信息學系統(tǒng)對AK4 基因特征進行分析再以實驗驗證，使結(jié)果更有說服力?？偠灾?，AK4不但在細胞基本生理功能中發(fā)揮作用，在細胞病理過程中也扮演重要角色。

AK4在大腦中的高表達，提示其與大腦功能密切相關(guān)。有研究利用靶向蛋白質(zhì)組學定量分析率先發(fā)現(xiàn)，AK4 與認知功能下降有關(guān)，且其作用無法用阿爾茲海默癥病理或其他病理學解釋［20］。其隨后的研究證明，AK4 的豐度越高，認知衰退更快，但AK4 蛋白與老年人運動功能無關(guān)［21-22］，該研究利用了大量臨床標本，使結(jié)果更加可信，但并未進一步證明AK4與認知功能之間的關(guān)系。其他方面，Wang 等［23］發(fā)現(xiàn)AK4亦是機械敏感基因，骨細胞中AK4 的表達對重力和高磁場的改變非常敏感。因此，對AK4 基因的研究將有助于了解骨量丟失的機制，為預防和治療骨量丟失或骨質(zhì)疏松癥提供潛在的靶點。Tang等［24］研究發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)性紅斑狼瘡-誘導多能干細胞中，AK4蛋白和其mRNA 被上調(diào)，合成代謝普遍加速，這可能導致系統(tǒng)性紅斑狼瘡；Edhager 等［25］發(fā)現(xiàn)AK4 蛋白參與的能量重編程、細胞存活和增殖等，與短鏈?；o酶A脫氫酶缺乏癥和相關(guān)代謝紊亂有關(guān)?？傊?，雖然對AK4 有了初步認識，但其相關(guān)研究較少，具體作用機制仍不清楚，有待開展更多更深層次的研究。

2 AK4對惡性腫瘤發(fā)生發(fā)展的影響

腫瘤的發(fā)生都伴隨著代謝的改變，而AK4 作為能量代謝酶，在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用不言而喻。研究表明，腺苷酸激酶家族蛋白在侵襲性轉(zhuǎn)化過程中異常上調(diào)［5，26］。之后有研究通過比較基因表達譜，發(fā)現(xiàn)AK4 在高侵襲性腫瘤中有明顯的過表達［27］，因此可以認為AK4 促進了腫瘤細胞代謝，該研究為AK4 在腫瘤領(lǐng)域的研究奠定了基礎(chǔ)。AK4 是參與多種腫瘤發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵酶，并被用作抗癌治療的潛在治療靶點［28］。AK4 提高細胞內(nèi)活性氧水平可促進體內(nèi)腫瘤細胞的轉(zhuǎn)移，且可以施加反饋調(diào)節(jié)缺氧誘導因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α），而AK4-HIF-1α 正反饋環(huán)操作取決于細胞內(nèi)活性氧水平，該反饋環(huán)會穩(wěn)定HIF-1α蛋白質(zhì)和誘導上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)變（epithelial-to-mesenchymal transition，EMT）；在缺氧條件下AK4 增加HIF-1α 蛋白表達和誘發(fā)EMT［18］。因此推測AK4可能通過兩種形式促進癌癥發(fā)展：一是通過增加HIF-1α表達來增加腫瘤細胞的缺氧耐受能力，二是通過增加胞內(nèi)活性氧水平和糖代謝促進腫瘤細胞轉(zhuǎn)移。過表達的AK4不僅能保護腫瘤免于缺氧壞死，還能增強腫瘤的轉(zhuǎn)移能力，這與只有具有增強的抗氧化防御系統(tǒng)的腫瘤細胞才能利用氧化應激促進轉(zhuǎn)移的觀點一致。AK4 的過表達可能同時引發(fā)對細胞內(nèi)氧化應激和抗氧化能力增加的代謝適應，進而促進HIF-1α 介導的EMT 和轉(zhuǎn)移［18］。該研究利用數(shù)據(jù)庫結(jié)合體內(nèi)外實驗，較全面地分析了AK4促進癌癥進展的機制。小核仁RNA宿主基因11（small nucleolar RNA host gene 11，SNHG11）和HIF-1α 作用機制相似，SNHG11 可以與AK4 基因啟動子中的HRE位點結(jié)合，增加其轉(zhuǎn)錄，從而增加AK4表達，促進結(jié)直腸癌的侵襲和轉(zhuǎn)移［29］。Jan 等［27］的研究發(fā)現(xiàn)，AK4表達的缺失抑制了肺癌細胞系的侵襲潛能，而AK4過表達促進了肺癌細胞系的體內(nèi)外侵襲；AK4 通過下調(diào)激活轉(zhuǎn)錄因子3（activating transcription factor 3，ATF3）的方式促進肺癌腫瘤生長、轉(zhuǎn)移及復發(fā)；此外，當AK4 在肺癌細胞中過表達時，涉及到侵襲和轉(zhuǎn)移過程的靶標基質(zhì)金屬蛋白酶2（matrix metalloproteinase-2，MMP2）表達上調(diào)，提示腫瘤侵襲性增加，但對細胞的生長和增殖尚無顯著影響，因此AK4可以作為預測腫瘤轉(zhuǎn)移能力的生物標志物，可能有助于開發(fā)針對高侵襲性腫瘤的更好治療方案。綜上所述，AK4 在多數(shù)腫瘤中過表達，通過促進細胞代謝而促進腫瘤發(fā)展，且其過表達總是預示著較差的結(jié)果，因此對AK4的研究有重要的臨床意義，將有助于腫瘤早期診斷和預后評判。

3 AK4對腫瘤診斷、治療和預后的影響

隨著不斷發(fā)現(xiàn)AK4 在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用，其在腫瘤領(lǐng)域的診斷、治療等方面的價值亦逐漸受到人們重視。有關(guān)肺癌的研究表明，過表達AK4 與肺腺癌預后不良有關(guān)；通過將肺腺癌細胞系中AK4 mRNA的表達狀態(tài)與藥物敏感性數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，該研究提出高水平AK4 的肺癌細胞可能對EGFR 靶向治療敏感［19］，提示AK4或可作為抗癌治療的增敏靶點，不足之處是該推測暫無相關(guān)試驗證實。Jan等［18］的研究分析發(fā)現(xiàn)，AK4 可以作為一個關(guān)鍵因素決定HIF-1α在預測肺癌患者預后中的作用，與單獨用HIF-1α相比，結(jié)合AK4和HIF-1α表達預測非小細胞肺癌患者預后更不理想。該研究提出，用withaferin-A 逆轉(zhuǎn)AK4基因信號可能成為治療轉(zhuǎn)移性肺癌的新策略，為轉(zhuǎn)移性肺癌的治療提供了理論依據(jù)。有報道指出，AK4 在肺癌細胞中的表達顯著升高，敲低AK4 可使肺腫瘤細胞遷移能力明顯降低，同時順鉑抑制肺癌細胞增殖和促進凋亡的作用進一步增強，即耗竭AK4可抑制肺癌進展并提高肺癌細胞對順鉑的敏感性［30］，為肺癌患者順鉑耐藥的后續(xù)治療帶來一線希望。在對胰腺導管癌的研究中，李辰運等［31］對臨床病例及標本進行分析發(fā)現(xiàn)，AK4的異常表達與腫瘤分期、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移、神經(jīng)受侵、脈管內(nèi)瘤栓相關(guān)，AK4的過表達提示胰腺癌患者分期較晚和預后不良。利用同樣的方法，龐亮等［32］對肌層浸潤性膀胱癌的研究發(fā)現(xiàn)，在不同性別、年齡、腫瘤分期和分級、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和復發(fā)的患者中AK4 表達無明顯差異，AK4 僅表達于膀胱癌組織，而在癌旁組織中無表達，且AK4的表達率隨腫瘤進展而增高。該研究為AK4判斷膀胱癌患者預后提供了臨床依據(jù)，而AK4在膀胱癌診斷、治療中的作用仍未見報道，值得進一步研究。Xin等［33］發(fā)現(xiàn)AK4的表達與膀胱癌患者預后不良呈正相關(guān)，其研究結(jié)果表明AK4 可以促進細胞增殖，抑制AK4 可以降低膀胱癌的細胞活力；動物模型發(fā)現(xiàn)，小鼠膀胱癌細胞T24和5637中下調(diào)AK4可抑制腫瘤的形成和轉(zhuǎn)移，也抑制腫瘤的增殖和侵襲；AK4 消融術(shù)在體內(nèi)抑制膀胱癌的增殖和轉(zhuǎn)移。該研究為AK4治療膀胱癌提供了分子生物學的理論基礎(chǔ)。因此，AK4可能是膀胱癌預后的潛在生物標志物，也是膀胱癌新的治療靶點。

據(jù)報道，AK4 在HER-2 過表達型乳腺癌中呈現(xiàn)異常高表達，且其異常過表達提示HER-2 過表達型乳腺癌患者的TNM 高分期和淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移，提示預后不良［34］。Zhang等［35］的臨床病理研究亦支持此觀點，并進一步指出AK4表達與患者的年齡和腫瘤分級等特征無明顯相關(guān)，體外實驗表明，AK4可促進HER-2陽性乳腺癌細胞的增殖和侵襲，而AK4 消融可抑制HER-2 陽性乳腺癌細胞的增殖和侵襲。有研究表明，AK4 過度表達可增加活性氧和p38 磷酸化水平，并抑制線粒體凋亡，從而導致乳腺癌他莫昔芬耐藥；而抑制AK4 表達，可使乳腺癌細胞對他莫昔芬重新敏感［36］。以上研究表明AK4在乳腺癌的發(fā)展和耐藥中發(fā)揮重要作用，為乳腺癌的治療提供了潛在靶點，因此，更進一步的臨床研究十分必要。通過生物信息學分析，Wang 等［37］首次提出AK4 是子宮內(nèi)膜癌的獨立預后標志物，其表達與較差生存顯著相關(guān)，為預測子宮內(nèi)膜癌患者的生存提供了理論依據(jù)，但該分析并未加以實驗驗證。Lanning等［6］發(fā)現(xiàn)AK4表達和拷貝數(shù)與膠質(zhì)瘤患者生存期呈負相關(guān)，推測AK4 是用于預測膠質(zhì)瘤患者預后的潛在靶點。因此，認為AK4可以用來預測癌癥患者的預后，AK4過表達提示預后較差，總生存期較短。Zang 等［38］發(fā)現(xiàn)AK4 基因是miR-199a-3p的靶基因，miR-199a-3p負調(diào)控AK4的表達，而AK4 的表達水平與食管癌的放療耐藥呈正相關(guān)，該研究為解決食管癌放療耐藥提供了理論依據(jù)，因此，AK4 的臨床研究將會有重要的臨床應用價值。Lei等［39］證明了AK4的表達水平與骨肉瘤細胞系的多藥耐藥有關(guān)，并推測可能受miR-199a-3p的調(diào)控，該研究進一步證明AK4 表達與骨肉瘤細胞耐藥呈正相關(guān)。但是Chen等［40］在口腔癌放療抵抗的研究結(jié)果卻相反，AK4雖然促進口腔癌細胞增殖、遷移、侵襲，抑制細胞凋亡和細胞周期停滯，但卻增強了口腔癌細胞的放射敏感性。因此，AK4雖然可以促進腫瘤發(fā)展，但在不同腫瘤耐藥中的作用不能一概而論。綜上所述，可以推測AK4 可通過調(diào)控腫瘤細胞的增殖和侵襲而觸發(fā)腫瘤的進展，這可能是過表達的AK4促進腫瘤細胞生長代謝的結(jié)果。因此，AK4可以作為降低腫瘤細胞代謝的靶點，從而干預腫瘤發(fā)展，增加腫瘤細胞對藥物的敏感性，為腫瘤系統(tǒng)治療帶來希望。

4 小結(jié)與展望

綜上所述，AK4主要通過其表達量變化參與細胞生理和病理代謝過程。在正常細胞中，AK4可以通過調(diào)節(jié)胞內(nèi)ATP、活性氧等物質(zhì)的濃度來調(diào)節(jié)細胞增殖和細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)；在腫瘤細胞中，AK4通過增加細胞代謝適應、增強細胞糖代謝而避免腫瘤細胞凋亡和促進其增殖。AK4在惡性腫瘤中多為過表達，雖然其表達與多數(shù)腫瘤的分期無明確關(guān)系，但是AK4 過表達可以促進腫瘤的增殖、侵襲和遷移，改變腫瘤對治療的敏感性，且過表達多提示預后不良和生存期較短。目前的研究已表明，AK4可作為判斷惡性腫瘤預后的指標；在腫瘤治療方面，干預AK4可抑制腫瘤的增殖和侵襲，增加腫瘤細胞對藥物的敏感性。AK4的研究提供了治腫瘤療的潛在靶點，其臨床價值值得更深入的研究。