PRKAA1/AMPKα1在消化系腫瘤中的研究進(jìn)展

雍桃, 劉杰, 魏秋亞, 樊勇

在我國(guó)，消化道腫瘤高發(fā)且預(yù)后較差。據(jù)國(guó)家癌癥中心2022年2月發(fā)布的最新全國(guó)癌癥統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[1]顯示：結(jié)腸癌、胃癌、肝癌在我國(guó)最常見的癌癥中分別排名第二、第三、第四。其中，肝癌、胃癌、結(jié)直腸癌、食管癌的死亡率排名僅次于肺癌。手術(shù)治療加化療為消化道腫瘤的首選治療方式。但對(duì)于腫瘤晚期的患者來說，傳統(tǒng)治療方式效果欠佳。目前，腫瘤發(fā)生發(fā)展的機(jī)制尚未完全研究清楚，因此，尋找新型分子標(biāo)志物、推動(dòng)抗癌創(chuàng)新藥物的發(fā)展，將有利于降低國(guó)家未來的癌癥負(fù)擔(dān)，護(hù)衛(wèi)人民健康。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，PRKAA1參與人體惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展的多種生物過程。本文就PRKAA1基因的結(jié)構(gòu)及其在消化道腫瘤中的相關(guān)研究進(jìn)行綜述。

1 PRKAA1基因的結(jié)構(gòu)

PRKAA1基因編碼的蛋白屬于絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶家族，它是5′-prime-AMP-activated protein kinase(AMPK)的一個(gè)催化亞基。AMPK是一種細(xì)胞能量狀態(tài)的感應(yīng)器，幾乎在所有真核細(xì)胞中都有表達(dá)。它是一個(gè)復(fù)雜的三聚體復(fù)合物(圖1)，由一個(gè)催化亞基α和兩個(gè)調(diào)節(jié)亞基β以及γ組成。其中α亞基由一個(gè)激酶結(jié)構(gòu)域和被上游激酶激活的調(diào)節(jié)性T環(huán)殘基172(Thr172)組成；β亞基上存在糖原結(jié)合域(glycogen binding domain,GBD)，只有β亞基與糖原(Glycogen，圖1中簡(jiǎn)稱Gn)結(jié)合，且與α和γ亞基共同表達(dá)的情況下，AMPK才成為正常的具有調(diào)節(jié)活性的復(fù)合物，因此，β亞基被稱為AMPK異三聚體形成的支架；另外由于γ亞基上存在4個(gè)串聯(lián)的胱硫氨酸-β合酶(cystathionine beta-synthase，CBS)結(jié)構(gòu)域，可以結(jié)合腺嘌呤核苷酸，因此它主要感知微環(huán)境中(adenosine mono phosphate,AMP)與(adenosine triphosphate,ATP)比率的變化[2]。在人類中，發(fā)現(xiàn)有2個(gè)α催化亞基，分別是由PRKAA1和PRKAA2基因編碼的α1和α2亞基，其中PRKAA2主要存在于肝臟、肌肉、下丘腦等主要代謝器官、組織中；而PRKAA1是在血管細(xì)胞和白細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的催化亞型[3]；有2個(gè)β調(diào)節(jié)亞基，即PRKAB1和PRKAB2基因編碼的β1和β2；有3個(gè)γ亞基，分別由PRKAC1、PRKAC2、PRKAC3基因編碼的γ1、γ2、γ3。AMPK作為細(xì)胞能量感受器，能感受細(xì)胞內(nèi)AMP濃度及AMP/ATP比值的變化。當(dāng)細(xì)胞能量缺乏時(shí)，細(xì)胞內(nèi)AMP/ATP比值上升，導(dǎo)致AMPK表達(dá)上調(diào)，進(jìn)而通過一系列復(fù)雜而又精細(xì)的調(diào)節(jié)機(jī)制最終使能量代謝恢復(fù)平衡。研究發(fā)現(xiàn)，在低能量狀態(tài)下，AMPK通過PRKAA1基因激酶結(jié)構(gòu)域Thr172亞基的磷酸化來完成自身的活化。高糖刺激則主要通過活性氧(reactive oxygen species,ROS)依賴性AKT(又稱PKB)使AMPKa在S485/491位點(diǎn)磷酸化，從而完成AMPKα隨后的泛素化和降解[4]。

圖1 AMPK三聚體復(fù)合物及其部分激活過程 AMPK是由催化亞基α以及調(diào)節(jié)亞基β、γ組成的三聚體,AMPK的激活主要依賴于其上游激酶(liver kinase B1,LKB1) 肝激酶B1 和(calcium-calmodulin-dependent protein kinase kinase,CAMKK2) 鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶激酶2的激活，它們是通過AMPKα亞基Thr172位點(diǎn)的磷酸化來激活A(yù)MPK,此外，AMP/ATP比值降低會(huì)通過影響AMPKγ亞基激活A(yù)MPK,進(jìn)而調(diào)節(jié)代謝來恢復(fù)能量平衡

2 PRKAA1在消化系腫瘤中的研究

PRKAA1作為能量感受器AMPK的一個(gè)亞基，我們好奇它在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中的作用是否也與能量代謝息息相關(guān)。首先，我們從GEPIA2數(shù)據(jù)庫(kù)[5]中得知PRKAA1在消化道腫瘤中呈差異表達(dá)(圖2)，但具體的作用機(jī)制尚不完善。本文整理了現(xiàn)有消化道腫瘤的研究中PRKAA1具體是如何參與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展。

現(xiàn)有研究表明，PRKAA1具體作用與所處的特定環(huán)境條件有關(guān)。在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)比較充足的情況下，PRKAA1基因表達(dá)量較高時(shí)腫瘤細(xì)胞的增殖和生長(zhǎng)代謝受限。這使得PRKAA1表現(xiàn)出“抑腫瘤”的一面；例如Wu等[6]發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可通過上調(diào)磷酸化AMPKα誘導(dǎo)細(xì)胞G1周期阻滯而抑制膀胱癌細(xì)胞增殖。Jones等[7]也發(fā)現(xiàn)在營(yíng)養(yǎng)限制的條件下，PRKAA1的激活可導(dǎo)致G1期細(xì)胞周期阻滯，進(jìn)而通過P53軸影響細(xì)胞增殖。

另一方面，基因毒性損傷會(huì)通過Ca(2+)/CaMKK2信號(hào)通路激活細(xì)胞核中的AMPKα1亞型，以提高腫瘤細(xì)胞的生存。當(dāng)細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)受限時(shí)，PRKAA1基因呈高表達(dá)反而可以保護(hù)細(xì)胞免于死亡，它可以促進(jìn)細(xì)胞對(duì)低能量狀態(tài)的適應(yīng)；如Jeon等[8]的研究指出，將細(xì)胞內(nèi)ATP水平降低至一定水平的能量應(yīng)激條件下，AMPK激活，PRKAA1基因表達(dá)量增加，可促進(jìn)肺癌細(xì)胞的增殖。Xu等[9]也發(fā)現(xiàn)黃芪甲苷可通過抑制AMPKα的活化從而降低肺癌的生長(zhǎng)、侵襲、遷移和血管生成，但該研究并未指明肺癌細(xì)胞此時(shí)所處的能量狀態(tài)。An等[10]在調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Treg細(xì)胞)中進(jìn)行的一項(xiàng)研究指出：AMPKα1的激活通過維持腫瘤浸潤(rùn)Treg細(xì)胞中FOXP3的穩(wěn)定性來促進(jìn)腫瘤的生長(zhǎng)，因此在Treg細(xì)胞中選擇性抑制PRKAA1可能是一種有效的抗腫瘤治療方法。另外肝臟損傷和能量剝奪也可以通過激活A(yù)MPKα1來增強(qiáng)腫瘤炎癥，進(jìn)而促進(jìn)腫瘤的發(fā)生發(fā)展[11]。大量的研究數(shù)據(jù)表明PRKAA1在腫瘤中發(fā)揮的作用遠(yuǎn)比我們想象中要復(fù)雜。

2.1 食管癌(esophageal squamous cell carcinoma，ESCC) 食管鱗狀細(xì)胞癌是ESCC中公認(rèn)的一種侵襲性惡性腫瘤。PRKAA1在ESCC組織和細(xì)胞中的表達(dá)量明顯高于正常組織和細(xì)胞。從現(xiàn)有的研究看來，PRKAA1在ESCC中主要發(fā)揮促癌基因相關(guān)作用；例如He 等[12]發(fā)現(xiàn)LINC00473通過抑制miR-497-5p/PRKAA1軸來抑制ESCC細(xì)胞的增殖、遷移和上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)過程。Lu等[13]也通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了香櫞激酶(citron kinase，CIT)通過上調(diào)PRKAA1基因的表達(dá)來促進(jìn)ESCC細(xì)胞的增殖。PRKAA1有著保守的磷酸化區(qū)域，其功能比較穩(wěn)定，可進(jìn)一步提高腫瘤細(xì)胞的生存能力，促進(jìn)其抗凋亡能力，因此可以在ESCC細(xì)胞的增殖、生長(zhǎng)以及分化的信號(hào)通路方面發(fā)揮重要作用。這也將有很大可能成為ESCC一種新的治療方向。

圖2 GEPIA數(shù)據(jù)庫(kù)中PRKAA1在消化道惡性腫瘤中的差異表達(dá) 紅色為腫瘤標(biāo)本，黑色為正常標(biāo)本從GEPIA數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取的PRKAA1基因在消化道腫瘤中的表達(dá)提示，PRKAA1基因在消化道各腫瘤中呈差異表達(dá)，其中在食管癌中差異最明顯(P<0.05)

2.2 胃癌(gastric cancer，GC) 目前，遺傳變異已經(jīng)被廣泛證明與GC發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)，尤其是涉及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的多態(tài)性。有一項(xiàng)病例對(duì)照研究[14]指出：PRKAA1基因多態(tài)性rs13361707CC、rs10074991GG、rs461404GG、rs154268CC與GC風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān)。但是該研究樣本量太小，且都是基于已發(fā)現(xiàn)多態(tài)性潛在功能的研究，缺乏與單倍分析的關(guān)聯(lián)評(píng)估。此外，PRKAA1被發(fā)現(xiàn)通過多種信號(hào)通路參與GC的發(fā)生發(fā)展。在缺氧條件下，環(huán)狀RNA(circRNAs)通過miR-873-5p/PRKAA1軸，促進(jìn)GC細(xì)胞的增殖、遷移、侵襲和糖酵解[15]。Zhang等[16]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明NF-jBp50-PRKAA1信號(hào)通路的激活促進(jìn)了GC細(xì)胞侵襲和遷移。Kun等[17]認(rèn)為胃泌素可以誘導(dǎo)PRKAA1基因在GC細(xì)胞中表達(dá)，從而增加GC細(xì)胞的自噬和增殖。但是Yan等[18]進(jìn)行的基于全基因組關(guān)聯(lián)研究和功能分析的Meta分析卻指出，使用siRNA來抑制PRKAA1在BGC823和SGC7901細(xì)胞中的表達(dá)后，細(xì)胞的增殖、遷移等惡性表型被促進(jìn)?？梢奝RKAA1在GC中機(jī)制的研究仍存在爭(zhēng)議。

2.3 結(jié)直腸癌(colorectal cancer，CRC) 根據(jù)世界衛(wèi)生組織國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)(IARC)在2020年發(fā)布的數(shù)據(jù)表明，CRC已成為僅次于肺癌的全球第二大癌癥。癌胚抗原(carcinoembryonic antigen，CEA)和糖類蛋白199(CA19-9)雖然是最早應(yīng)用于CRC診斷的血清標(biāo)志物，但其敏感性和特異性不強(qiáng)，無法成為有效的篩查指標(biāo)。因此CRC早期診斷標(biāo)志物的探索仍然相當(dāng)重要。PRKAA1在結(jié)腸癌(colorectal cancer,CRC)中高表達(dá)，且這種高表達(dá)狀態(tài)與生存期差息息相關(guān)。長(zhǎng)鏈非編碼RNA是重要的癌癥調(diào)控因子，Liang等[19]報(bào)道在CRC細(xì)胞中，LINC01315通過調(diào)控miR-205-3p的表達(dá)進(jìn)而上調(diào)miR-205-3p的靶基因PRKAA1的表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)及侵襲。Wang等[20]報(bào)道了PRKAA1在應(yīng)激條件下具有維持高水平的還原性谷胱甘肽從而來維持還原氧化反應(yīng)穩(wěn)態(tài)的功能，這一功能促進(jìn)了體外代謝應(yīng)激下細(xì)胞的生存，可能會(huì)導(dǎo)致疾病復(fù)發(fā)和預(yù)后不良，因此他們認(rèn)為PRKAA1基因可作為預(yù)后的一個(gè)預(yù)測(cè)因子。

2.4 胰腺癌(pancreatic cancer，PC) PC是消化道常見的腫瘤，也是消化道惡性程度最高的腫瘤，其進(jìn)展迅速，但起病隱匿，早期癥狀不典型，因此迫切需要新的早期診斷標(biāo)志物以及治療手段。RNA測(cè)序結(jié)果顯示PRKAA1在正常胰腺中表達(dá)量很低，但在PC組織中呈明顯高表達(dá)。Kato等[21]在人PC細(xì)胞株P(guān)ANC-1和ASPC-1中進(jìn)行的AMPKα干擾實(shí)驗(yàn)證明：干擾AMPK的反義RNA可抑制PC細(xì)胞在裸鼠體內(nèi)的生長(zhǎng)，并提出AMPK可作為抑制腫瘤生長(zhǎng)和侵襲治療策略的靶點(diǎn)。Zhao等[22]也發(fā)現(xiàn)，miR-148b通過靶向AMPKα1抑制PC的增殖和遷徙，并能增強(qiáng)化療的敏感性。這兩項(xiàng)研究均表明在PC中PRKAA1基因表現(xiàn)出癌基因的特性。但是Ye等[23]在探索Isoorientin通過AMPK信號(hào)通路在PC中抗腫瘤特性的過程中檢測(cè)到了PRKAA1的抗腫瘤活性，并指出腫瘤抑制因子TSC2和p53是AMPK的下游靶點(diǎn)。這與前兩項(xiàng)研究中PRKAA1基因在PC中的促癌作用結(jié)果不一致。但同時(shí)也不排除其與其他信號(hào)通路之間的復(fù)雜聯(lián)系的影響。由于PRKAA1的激活會(huì)促進(jìn)PC的進(jìn)展和轉(zhuǎn)移，因此開發(fā)針對(duì)AMPK激活引起的癌癥的特定AMPK抑制劑將非常重要。

2.5 肝癌(hepatic carcinoma，HCC) HCC是消化道最常見的惡性腫瘤之一，其死亡率在男性中占第五位，女性中占第七位[24]。盡管近幾年在治療方法上有了很大的進(jìn)步，但臨床上仍出現(xiàn)較多的術(shù)后復(fù)發(fā)和肝內(nèi)/肝外轉(zhuǎn)移，這是HCC患者預(yù)后不良的原因之一[25-26]。在腫瘤形成的最初階段，癌細(xì)胞經(jīng)常經(jīng)歷缺氧而導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)受限的環(huán)境。自噬作為適應(yīng)機(jī)制被激活[27-28]。Kwon等[29]研究發(fā)現(xiàn)：半胱天冬素可通過調(diào)控(silent information regulator 1，SIRT1)/PRKAA1，進(jìn)而通過衰老介導(dǎo)的自噬受損導(dǎo)致HCC細(xì)胞死亡，發(fā)揮抗腫瘤作用。但自噬與腫瘤進(jìn)展和癌癥治療存在復(fù)雜的矛盾關(guān)系，自噬到底能否成為腫瘤的治療靶點(diǎn)還有待進(jìn)一步研究。

3 PRKAA1的應(yīng)用

目前，研究人員已經(jīng)研發(fā)出多種不同化學(xué)結(jié)構(gòu)和作用范圍的AMPK激活劑和抑制劑用于臨床前研究。僅作用于AMPKα亞基的抑制劑和激活劑見表1。除了已知的激活劑如5-Aminoimidazole-4-carboxamide1-β-D-ribofuranoside(AICAR)、A-76966等外，越來越多的活性天然產(chǎn)物從植物界被發(fā)現(xiàn)，許多有效的AMPK激活劑來自傳統(tǒng)草藥。AICAR、糖尿病一線用藥二甲雙胍以及阿司匹林均可作為AMPK的激活劑，已經(jīng)被證實(shí)至少部分通過AMPK信號(hào)通路發(fā)揮其抗腫瘤特性[30-31]。在眾多現(xiàn)有的抑制劑中，大多為非特異性，可以同時(shí)靶向其他很多分子，因此迫切需要新的方法協(xié)助研制高特異性的PRKAA1抑制劑，以助于更好服務(wù)于腫瘤相關(guān)研究。

表1 部分靶向AMPKα亞基的抑制劑和激活劑

4 小結(jié)

消化系統(tǒng)腫瘤發(fā)病率和死亡率呈逐年上升的趨勢(shì)，嚴(yán)重影響著人們身體健康。雖然傳統(tǒng)治療方式如手術(shù)切除、放療、化療等都取得了很大進(jìn)展。但效果仍不理想，因此尋找早期診斷標(biāo)志物，篩選新的靶標(biāo)是我們急需攻克的難題。就消化道腫瘤而言，在ESCC、HCC、CRC中已證實(shí)PRKAA1的高表達(dá)會(huì)促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖、侵襲和遷移。由于PRKAA1對(duì)消化道腫瘤的促進(jìn)作用，抑制PRKAA1的藥物備受關(guān)注。遺憾的是，目前尚沒有靶向PRKAA1的藥物。PRKAA1不僅僅參與消化道腫瘤的發(fā)生發(fā)展，還可以作為判斷腫瘤預(yù)后情況的指標(biāo)。然而未來還需要通過更深入的研究，來探索PRKAA1與惡性腫瘤發(fā)生發(fā)展之間的關(guān)系，并開發(fā)靶向于PRKAA1的相關(guān)藥物，進(jìn)而通過改變腫瘤細(xì)胞周期、抑制腫瘤細(xì)胞抗凋亡能力、降低腫瘤耐藥性等方法來減緩甚至抑制腫瘤生長(zhǎng)，最終實(shí)現(xiàn)治療消化道惡性腫瘤的目的。

從理論來看，癌癥晚期腫瘤細(xì)胞競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)與空間，細(xì)胞能量缺乏則PRKAA1激活，從而有利于腫瘤細(xì)胞的存活。但現(xiàn)有的研究認(rèn)為PRKAA1既有促癌一面，亦有抑癌一面，PRKAA1在各種腫瘤中具體如何發(fā)揮作用，是癌癥初期機(jī)體營(yíng)養(yǎng)尚充足時(shí)發(fā)揮抑癌作用，還是癌癥晚期營(yíng)養(yǎng)缺乏時(shí)發(fā)揮促癌作用？我們考慮PRKAA1可能會(huì)通過調(diào)節(jié)癌細(xì)胞的生長(zhǎng)速率來匹配它們的能量供應(yīng)，并促進(jìn)基因組的穩(wěn)定性，從而支持癌細(xì)胞的生存。PRKAA1發(fā)揮作用時(shí)，AMPK其他亞基如α2、β、γ等對(duì)PRKAA1的影響如何？因此，在這方面進(jìn)一步的研究和探討，將為腫瘤的靶向治療提供新的靶標(biāo)和新途徑，為腫瘤患者帶來新的希望。