PGC-1α在肺癌中的研究進展

金銘 陳金亮 張冬梅 陳建榮南通大學第二附屬醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科 600;南通大學第二附屬醫(yī)院臨床實驗中心 600

肺癌是世界上發(fā)病率和病死率最高的惡性腫瘤,是一個重大的公共衛(wèi)生問題,每年有新病例120萬和死亡病例159萬。在組織學上,可以區(qū)分為小細胞肺癌和非小細胞肺癌(non-small cell lung cancer,NSCLC),NSCLC是最常見的肺癌惡性形式,占全世界肺癌病例的80%～90%[1]。盡管肺癌在早期發(fā)現(xiàn)和標準治療方面取得了進展,但由于發(fā)現(xiàn)晚、轉移早,大約10%的肺癌患者在確診后能有5年的生存率,其仍是世界上癌癥相關死亡的首要原因[2]。基于腫瘤中存在的基因改變,新的靶向治療開始出現(xiàn),研究重點逐步放到腫瘤細胞代謝的關鍵途徑上。近年來,過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptorγcoactivator 1α,PGC-1α)在肺癌中的研究越來越廣泛。研究顯示,PGC-1α與肺癌密切相關,在肺癌細胞的增殖、遷移、凋亡及化學耐藥中均發(fā)揮調(diào)節(jié)作用,研究PGC-1α在肺癌中的作用將有助于尋找新的治療靶點。

1 PGC-1α的基本特性

PGC-1α基因位于人類4號染色體上,含有798個氨基酸殘基,并能與核受體過氧化物酶體增殖激活受體γ(peroxisome proliferators-activated receptorγ,PPARγ)共同作用的蛋白質分子[2]。PGC-1α的N-末端通過幾個LXXLL基序與多種轉錄因子相互作用,而PGC-1α的C-末端則與TRAP/DIP/Mediator復合物相互作用。此外,PGC-1α還具有一個富含絲氨酸/精氨酸的結構域和RNA結合基序,在m RNA剪接中發(fā)揮重要作用[3]。

PGC-1α是多種核受體和轉錄因子的共激活因子,主要在氧化組織中高度表達,如棕色脂肪組織、心臟、肝臟、腎臟、骨骼肌和中樞神經(jīng)系統(tǒng)等[4]。PGC-1α在棕色脂肪組織中誘導適應性產(chǎn)熱,在肝臟中誘導糖異生,在肌肉中誘導纖維類型轉換,在心臟中誘導脂肪酸氧化[5]。PGC-1α的表達和活性受多種轉錄因子調(diào)控,以維持其在不同代謝需求下的時間和組織特異性功能。PGC-1α蛋白通過與核受體PPARγ、細胞核呼吸因子1(nuclear respiratory factor 1,NRF-1)、細胞核呼吸因子2(nuclear respiratory factor 2,NRF-2)、糖皮質激素受體、甲狀腺激素受體、雌激素相關受體α(estrogen related receptorα,ERRα)及血管內(nèi)皮生長因子等多種轉錄因子共同作用調(diào)節(jié)靶基因的表達,以發(fā)揮其生物學效應(圖1)[6]。PPARγ以其在脂肪生成,產(chǎn)熱和有絲分裂發(fā)生中的作用而聞名,而NRF-1、NRF-2和ERRα對于線粒體的生成、抗氧化防御和對代謝應激的快速反應具有重要意義。此外,PGC-1α的活性受磷酸化、去乙?；?、乙酰化、甲基化和泛素化等多種翻譯后修飾的調(diào)節(jié)[7],這些修飾是影響PGC-1α轉錄活性和穩(wěn)定性的主要因素。例如,AMP活化蛋白激酶AMPK和P38等應激感受器可以促進PGC-1α活性,而AKT磷酸化則抑制其活性[8-9]；沉默信息調(diào)節(jié)因子2同源物1(silent information regulator 2 homolog 1,SIRT1)通過賴氨酸殘基和賴氨酸乙酰轉移酶乙?；せ頟GC-1α,并使PGC-1α失活；蛋白精氨酸甲基轉移酶1將C末端的精氨酸殘基甲基化后可使PGC-1α激活[10]。

圖1 PGC-1α的調(diào)控機制[6]

2 PGC-1α與腫瘤

PGC-1α是線粒體生物發(fā)生和能量代謝的主要調(diào)控因子,包括對氧化磷酸化、脂肪酸的合成、脂質代謝和活性氧(reactive oxygen species,ROS)水平的調(diào)節(jié)[11]。眾所周知,PGC-1α與糖尿病、肥胖、肌肉、肝臟脂肪變性、神經(jīng)退行性變和心血管疾病等密切相關,其可在細胞處于惡劣條件下維持代謝的平衡,在預防慢性疾病方面發(fā)揮著保護作用[12]。除了參與機體多種生理和病理的進程外,PGC-1α還可以通過多種途徑參與調(diào)節(jié)腫瘤發(fā)生發(fā)展的進程。首先,PGC-1α共同促進抗氧化基因的表達,保護癌細胞免受作為電子傳遞鏈的ROS的影響[13]。其次,PGC-1α能夠調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮生長因子的表達[14]。另外其在促進葡萄糖和脂肪酸分解代謝的同時,還能促進糖異和脂肪生成,是癌癥發(fā)生的重要參與因素[15]。

最初,PGC-1α被認為是一種通過促進線粒體氧化和有氧糖酵解發(fā)揮作用的潛在抑癌因子,但隨著研究的深入,越來越多的證據(jù)表明PGC-1α還可作為促癌因子。例如,研究人員通過PGC-1α敲除實驗觀察到細胞生長受到抑制,PGC-1α通過激活前列腺癌細胞中的雄激素受體,從而改變癌細胞的代謝,導致線粒體生物合成增加以及葡萄糖和脂肪酸氧化,促進癌細胞生長[16]。此外,在砷誘導的皮膚癌患者的腫瘤樣本中PGC-1α表達增加,這可能與促進癌細胞增殖和增強線粒體生物生成有關[17]。Bhala等[18]研究表明,PGC-1α通過誘導脂肪生成酶(乙酰輔酶A羧化酶和脂肪酸合成酶)在轉基因PGC-1α小鼠中促進癌癥發(fā)生和腫瘤生長,PGC-1α基因敲除小鼠可降低化學誘導的肝癌和結腸癌的發(fā)生,提示PGC-1α可能刺激腫瘤的發(fā)生。PGC-1α是腫瘤發(fā)生過程中的新興蛋白,其在腫瘤中的作用仍存在爭議。

3 PGC-1α與肺癌

肺癌是全球癌癥相關死亡的最主要原因,其病死率為所有惡性腫瘤的最高者。多項研究報道,肺癌是由細胞增殖和程序性細胞死亡之間的失衡引發(fā)的,這兩者都依賴于能量代謝的適當調(diào)節(jié),這種依賴性導致了線粒體功能障礙與癌癥相關的分子機制之間具有一定聯(lián)系。例如ROS的高生成、葡萄糖代謝的改變和肺癌細胞凋亡功能的改變等,以上因素都與PGC-1α的功能有關。在肺癌中,PGC-1α的表達和活性增加與肺癌細胞的代謝密切相關,可以促進腫瘤細胞的生長、侵襲、遠端擴散和化療耐藥,PGC-1α在肺癌中起著至關重要的作用。

3.1 PGC-1α介導肺癌的增殖和遷移 癌細胞可以通過PGC-1α增強氧化磷酸化、線粒體生物合成和耗氧速率,促進線粒體呼吸以增加ATP的產(chǎn)生,為癌細胞提供快速增殖的能 量 需 求[19]。Han等[20]證 實 了PPARβ/σ可 以 上 調(diào)PGC-1α的表達,進一步研究發(fā)現(xiàn),PGC-1α使腫瘤抑制因子AMPK失活,同時刺激PI3K/AKT誘導NSCLC的增殖和生存反應。Taguchi等[21]研究發(fā)現(xiàn)野生型P53肺癌中的PGC-1α的表達水平顯著高于突變型P53肺癌,在H1944肺腺癌細胞中,通過PGC-1α敲除實驗觀察到肺癌細胞的增殖受到抑制,提示PGC-1α可能成為P53野生型肺癌的潛在治療靶點。突變型P53蛋白通常具有促腫瘤功能,可以與促腫瘤轉錄因子結合并增強其活性,提高腫瘤細胞的存活率和遷移能力[22]。Basu等[23]研究發(fā)現(xiàn),在肺癌細胞中使用siRNA敲低PGC-1α后,癌細胞的增殖受到了抑制,并通過Boyden小室進行侵襲實驗,結果顯示肺癌細胞的侵襲能力受到抑制,證實了突變型P53通過結合和調(diào)節(jié)PGC-1α的能力來促進肺癌細胞的遷移和轉移。

眾所周知,轉化生長因子-β(transcriptional growth factorβ,TGF-β)是一種多效性生長因子,與細胞的增殖、衰老、凋亡和分化等過程密切相關,其在腫瘤細胞的侵襲和遷移中發(fā)揮著關鍵作用[24],Sohn等[25]研究發(fā)現(xiàn),在肺癌細胞中,TGF-β可誘導降低腫瘤細胞PGC-1α及其靶基因的表達,如轉錄因子NRF-2、ERR-α和PPAR-γ等調(diào)節(jié)線粒體生物發(fā)生。研究報道,上皮-間質轉化(epithelial mesenchymal transition,EMT)是通過延長基于微管的突起和抑制細胞增殖來促進腫瘤細胞向間質基質的浸潤,越來越多的證據(jù)表明EMT在腫瘤的進展、傷口愈合、侵襲和組織纖維化以及胚胎的發(fā)生中具有重要作用,而PGC-1α是EMT發(fā)揮作用的關鍵調(diào)節(jié)因素[26]。PGC-1α可以通過EMT在NSCLC中發(fā)揮關鍵作用。張佳欣[27]研究發(fā)現(xiàn),在肺癌細胞中,TGF-β1通過下調(diào)SIRT 1及PGC-lα的表達使線粒體合成受阻,線粒體功能障礙,從而促進EMT的發(fā)生,導致腫瘤細胞進一步發(fā)生遷移。

3.2 PGC-1α與肺癌細胞的凋亡 線粒體在能量的動態(tài)平衡中起核心作用,是細胞死亡級聯(lián)反應的控制點,PGC-1α作為線粒體功能的關鍵調(diào)節(jié)因子在細胞生存中發(fā)揮重要作用,其可通過多種機制防止細胞凋亡[28]。研究發(fā)現(xiàn),ROS的產(chǎn)生可以通過誘導抗氧化酶的機制介導細胞的凋亡或對治療產(chǎn)生抵抗力,而PGC-1α可以通過誘導超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶的表達參與ROS的解毒,PGC-1α誘導這些抗氧化酶的能力對于保護ROS誘導的細胞損傷和細胞死亡密切相關[29]。眾所周知,腫瘤抑制因子P53通過誘導DNA修復、細胞周期調(diào)節(jié)、氧化應激反應和絲裂原活化蛋白激酶信號相關基因的表達,從而激活抗凋亡通路[30]。近期研究發(fā)現(xiàn),PGC-1α在調(diào)節(jié)P53介導的肺癌細胞的凋亡中起關鍵作用。在代謝應激條件下,PGC-1α能夠與P53形成復合物共同激活細胞周期抑制因子的轉錄,同時促進線粒體生物合成相關基因的表達。此外,在PGC-1α敲除的細胞中氧化應激會導致P53誘導的凋亡產(chǎn)生,該反應通過促進P53的前期抑制和代謝靶的優(yōu)先反式激活來增強P53的細胞周期阻滯和代謝功能[31]。另一方面,PGC-1α表達的增加可以通過維持氧化磷酸化和糖酵解之間的平衡來防止P53誘導的細胞凋亡[32]。

研究發(fā)現(xiàn),SIRT1/PGC-1α/NRF-2信號轉導通路與細胞的氧化和炎癥應激有關,在肺癌細胞中,下調(diào)SIRT1/PGC-1α/NRF-2軸可以誘導CHOP和DR5的表達,進而增強癌細胞對TRAIL誘導的腫瘤細胞的凋亡。細胞色素C氧化酶(cytochrome coxidase,COX)是線粒體呼吸鏈中的一種復合體,COX7A1為其中一種亞型,據(jù)報道,Mishra等[33]發(fā)現(xiàn)COX7A1基因在肺癌患者中的表達高度下調(diào),與非小細胞肺癌之間存在密切聯(lián)系。Zhao等[34]進一步的結果表明,COX7A1過表達可通過下調(diào)PGC-1α和上調(diào)NOX2來阻斷自噬通量,抑制NSCLC細胞的增殖和集落形成能力,以促進癌細胞凋亡。

3.3 PGC-1α與肺癌的化學耐藥 線粒體功能障礙與腫瘤的發(fā)生發(fā)展有關,包括干擾癌細胞能量代謝、活性氧的產(chǎn)生以及誘導細胞應激反應等。多項研究報道,在肺癌、肝癌、卵巢癌等癌細胞中,發(fā)現(xiàn)線粒體功能障礙與化療藥物的抗藥性有關,PGC-1α通過與特定的核轉錄因子(NRF-1、NRF-2和ERRα)相互作用進而影響線粒體呼吸、活性氧防御系統(tǒng)和脂肪酸代謝來對抗癌細胞死亡[35]。PGC-1α在營養(yǎng)剝奪、氧化損傷和化療的刺激下被激活,促進了腫瘤細胞的生物合成,并誘導了癌細胞對化療藥物的耐藥性。紫杉醇作為一線化療藥物之一被廣泛用于非小細胞肺癌、乳腺癌和卵巢癌等腫瘤的治療。已知紫杉醇耐藥的分子機制與多藥耐藥蛋白的過度表達、β-微管蛋白亞型的改變和凋亡途徑的調(diào)控等密切相關[36]。在最新的研究中,Zhou等[37]研究結果顯示PGC-1α在紫杉醇耐藥肺癌細胞中的表達顯著上調(diào),同時,NRF-1、NRF-2、ERRα和PPARα均上調(diào),在肺癌細胞中PGC-1α及其下游基因的表達隨著紫杉醇慢性毒性的增加而增加,在這種情況下,線粒體生物發(fā)生途徑受到刺激,以損害和維持紫杉醇耐藥癌細胞中的線粒體。由上可知,PGC-1α與特定的核轉錄因子結合對線粒體融合、分裂和生物學功能產(chǎn)生影響,而這些變化可以導致腫瘤細胞發(fā)生紫杉醇耐藥。

Cruz-Bermúdez等[38]研究發(fā)現(xiàn),通過轉染siRNA敲低PGC-1α或使用氧化磷酸化抑制劑(二甲雙胍和魚藤酮)降低PGC-1α的表達,可使順鉑的作用增強。而增加PGC-1α的表達水平,肺癌細胞的順鉑敏感性降低,可以減少CDDP誘導的凋亡反應,PGC-1α的表達、癌細胞內(nèi)線粒體質量與順鉑誘導的肺癌細胞凋亡有關。線粒體質量的增加和氧化磷酸化功能增加是肺癌對順鉑治療耐藥的復發(fā)機制,重要的是,順鉑耐藥的NSCLC細胞可以通過抑制PGC-1α或線粒體抑制劑進行靶向治療。此外,有趣的是,Hirpara等[39]研究發(fā)現(xiàn),NSCLC細胞對吉非替尼的耐藥性與PGC-1α與TFAM表達上調(diào)、超復合體Ⅰ和Ⅱ的形成、耗氧速率以及線粒體質量的增加有關。值得注意的是,某些耐藥癌細胞對PGC-1α相關的代謝活動具有依賴性,抑制PGC-1α的表達可以使這些細胞對治療重新敏感,改善肺癌患者的預后,這意味著PGC-1α在肺癌的分子分類和治療中可以作為一個有希望的靶點。

3.4 PGC-1α與肺癌的代謝重編程 新陳代謝的失調(diào)是癌細胞的重要標志。在腫瘤發(fā)生的過程中,癌細胞的能量代謝發(fā)生變化,即使在氧氣存在的情況下,癌細胞也會通過糖酵解快速氧化葡萄糖以產(chǎn)生所需的ATP,從而損害氧化磷酸化,這種從線粒體代謝到糖酵解代謝的代謝轉換,即所謂的Warburg效應[40]。在營養(yǎng)耗竭或壓力大的微環(huán)境中為癌細胞提供了生長和存活的能力,這種代謝變化稱為代謝重編程。為了適應缺氧、營養(yǎng)匱乏、ROS增加或p H改變,三羧酸循環(huán)和線粒體呼吸相協(xié)調(diào),這些代謝適應對凋亡具有抵抗力,是維持細胞快速增殖、遷移和侵襲所必需的[14,41]。PGC-1α作為細胞代謝的主要調(diào)節(jié)因子,在腫瘤的代謝重編程中發(fā)揮重要作用。研究表明,當腫瘤中的營養(yǎng)和氧氣供應發(fā)生變化時,癌細胞依賴糖酵解或氧化磷酸化,這些變異將改變癌細胞的能量狀態(tài)。近年研究報道,PGC-1α不僅可作為共激活因子發(fā)揮作用,其自身也受癌基因和轉錄因子的調(diào)控,PGC-1α和這些轉錄因子可以形成信號 軸。例 如,PML/PGC-1α/PPARα、MITF/PGC-1α和PGC-1α/ERRα,它們在調(diào)節(jié)特定癌癥類型的代謝適應方面發(fā)揮重要作用[5]。在腫瘤細胞中,PGC-1α與其相互作用的信號通路(AMPK、MTORC1)、轉錄因子(HIF-1α)以及蛋白質的表達(葡萄糖轉運體)受到干擾,以調(diào)節(jié)新陳代謝,改變了癌細胞的能量狀態(tài)[6]。

受體相互作用蛋白1(receptor-interacting protein 1,RIP1)是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶,具有細胞增殖、存活和死亡的功能。Chen等[32]研究發(fā)現(xiàn),RIP1/PGC-1α的信號轉導通路在維持肺癌細胞的代謝穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著重要作用,RIP1的丟失會導致PGC-1α表達下調(diào),損害線粒體氧化磷酸化,使糖酵解加速。然而,過度的糖酵解降低了細胞的NAD+的表達水平,導致自發(fā)性DNA損傷和P53介導的癌細胞增殖受到抑制。因此,RIP1維持的糖酵解對肺癌細胞能量的穩(wěn)態(tài)和DNA完整性至關重要,干預RIP1介導的糖酵解途徑可用于肺癌的治療。Cruz等[38]研究發(fā)現(xiàn),不同侵襲性的肺癌細胞株可表現(xiàn)出不同的代謝水平,在肺癌細胞中,PGC-1α的表達水平與GAPDH/MT-CO1比值呈負相關,研究證實了肺癌細胞糖代謝的途徑發(fā)生了改變,除此之外,還發(fā)現(xiàn)依賴氧化磷酸化的肺癌細胞對新陳代謝靶向藥物更加敏感。因此PGC-1α可以用來預測肺癌患者對糖代謝靶向治療的反應。

4 展望

PGC-1α是線粒體生物發(fā)生和能量消耗的主要調(diào)節(jié)因子,PGC-1α作為一種核受體和其他轉錄因子的共激活因子,其在適應性代謝反應中發(fā)揮核心作用。此篇綜述主要從參與肺癌的增殖遷移、細胞凋亡、化學耐藥及代謝重編程等四個機制方面介紹了PGC-1α。肺癌是全球癌癥相關死亡的最高者,且與PGC-1α的關系十分密切,PGC-1α可能具有作為潛在的肺癌早期診斷、治療、轉移和預后標志物的重要作用。但是PGC-1α在肺癌中的調(diào)控作用及影響腫瘤細胞的生長、遷移、侵襲的分子機制仍不明確,對于PGC-1α的研究有助于進一步闡明肺癌的發(fā)生發(fā)展機制,并可能為肺癌的診斷及治療方法提供新的靶點。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突