磷脂酰肌醇-4-磷酸酯代謝酶及抑制劑研究進(jìn)展*

李艷平，李 晨

（中國(guó)人民解放軍陸軍軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院藥劑科，重慶 400042）

磷酸肌醇（PIs）又稱磷脂酰肌醇磷酸酯，是磷脂酰肌醇（PtdIns）的磷酸化產(chǎn)物。PtdIns的肌醇部分包含5個(gè)羥基，其中第3，4，5位羥基被激酶磷酸化后，形成7種磷酸肌醇。磷脂酰肌醇-4-磷酸酯（PI4P）由4位羥基磷酸化生成，廣泛分布于高爾基體、溶酶體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、晚期內(nèi)體、質(zhì)膜［1］。PI4P作為一種膜磷脂，在維持細(xì)胞功能穩(wěn)定中起著重要作用，其代謝是一個(gè)復(fù)雜、多酶調(diào)控的生物過(guò)程。PI4P代謝酶在炎癥、腫瘤、病毒復(fù)制中的作用研究已取得一定進(jìn)展，相關(guān)抑制劑的研發(fā)也在推進(jìn)中?，F(xiàn)綜述如下。

1 PI4P的生理功能

PI4P主要分布在高爾基體，是囊泡運(yùn)輸、信號(hào)傳導(dǎo)和代謝功能的主要調(diào)節(jié)劑［2］。囊泡萌發(fā)是高爾基體到質(zhì)膜運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵步驟，PI4P影響高爾基體囊泡產(chǎn)生的主要作用機(jī)制：1）PI4P與高爾基體磷蛋白3（GOLPH3）結(jié)合后，誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)高爾基體膜彎曲，為高爾基體到質(zhì)膜的有效囊泡運(yùn)輸創(chuàng)造條件［3］。2）四磷酸適配蛋白與PI4P結(jié)合，靶向高爾基體，形成PI4P-四磷酸適配蛋白域而作用于膜運(yùn)輸［4］。3）高爾基體相關(guān)蛋白激酶Cε通過(guò)與PI4P相互作用而調(diào)節(jié)高爾基體囊泡的形成［5］。PI4P含量的改變直接或間接作用于高爾基體的囊泡運(yùn)輸、信號(hào)傳導(dǎo)等功能。研究發(fā)現(xiàn)，核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3（NLRP3）與反式高爾基體上的PI4P結(jié)合，促進(jìn)凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白（ASC）聚集，激活NLRP3，且NLRP3與PI4P結(jié)合募集在反式高爾基體發(fā)生在NLRP3炎性體激活前［6］。該研究首次揭示了反式高爾基體與炎癥激活之間的聯(lián)系。

2 PI4P的代謝酶及抑制劑

2.1 總體研究情況

PI4P是PtdIns的磷酸化產(chǎn)物，也是磷脂酰肌醇（3，4）-雙磷酸酯［PI（3，4）P2］和磷脂酰肌醇（4，5）-雙磷酸酯［PI（4，5）P2］的前體物質(zhì)［2］。作為磷酸肌醇的重要中間產(chǎn)物，調(diào)控PI4P穩(wěn)態(tài)的代謝酶共有6種，分別為磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）、磷脂酰肌醇-4-激酶（PI4K）、磷脂酰肌醇-4-磷酸-5-激酶（PI4P5K）3種脂質(zhì)激酶，以及磷脂酰肌醇磷酸酶1（SAC1）、磷酸肌醇5-磷酸酶（PI5-phosphatases）、磷酸酶和張力蛋白同源物（PTEN）3種磷酸酶。PI4P代謝轉(zhuǎn)化過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 PI4P代謝轉(zhuǎn)化過(guò)程N(yùn)ote：refers to the lipid kinases，and refers to the phosphatases.Fig.1 Metabolism and transformation process of PI4P

2.2 單項(xiàng)研究情況

2.2.1 PI4K

PI4K可促進(jìn)PtdIns肌醇環(huán)D-4羥基磷酸化，是生成PI4P的主要激酶，抑制其活性能下調(diào)PI4P表達(dá)，即使后續(xù)通路中PI3K及PI4P5K代償性增加，由于前體物質(zhì)PI4P的缺少，PI（3，4）P2和PI（4，5）P2仍會(huì)減少。不同物種的PI4K存在一定差異，如酵母和果蠅可編碼Lsb6，Pik1，Stt43種不同的PI4K；哺乳動(dòng)物細(xì)胞中有4種不同的PI4K亞型，分別為PI4KⅡα（PI4K2A，Lsb6），PI4KⅡβ（PI4K2B），PI4KⅢα（PI4KA，Stt4），PI4KⅢβ（PIK1，PI4KB）。細(xì)胞不同部位的PI4P由不同的PI4K催化生成，如：1）高爾基體上的PI4P主要由PI4KⅢβ催化產(chǎn)生，PI4KⅡα和PI4KⅡβ也有催化作用［2，7］；2）在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、溶酶體運(yùn)輸中起調(diào)節(jié)作用的是PI4KⅡα與其同系物PI4KⅡβ［8］；3）PI4KⅢα負(fù)責(zé)質(zhì)膜上PI4P的合成［9］。PI4K除與乳腺癌［10］、肺腺癌［7］、前列腺癌［11］等腫瘤細(xì)胞遷移和增殖有關(guān)外，還是治療病毒感染及瘧疾的重要 新 靶 點(diǎn)。其 中，PI4K的 抑 制 劑UCT943（1）［12］、MMV390048（2）又名MMV048［13］作為抗瘧藥均已進(jìn)入臨床研究階段，已發(fā)現(xiàn)PI4KⅢβ和PI4KⅢα的相關(guān)抑制劑T-00127-HEV1（3）、PIK93（4）等有抗病毒作用［14］，表明均具備新型抗病毒復(fù)制藥物的潛力?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖2。

圖2 PI4K抑制劑化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.2 Chemical structures of PI4K inhibitors

2.2.2 SAC1

SAC1包含1個(gè)由500個(gè)氨基酸組成的保守結(jié)構(gòu)域，稱為SAC結(jié)構(gòu)域，體外具有磷酸酶活性［15］，與PI4K相互拮抗，可使PI4P肌醇環(huán)D-4位去磷酸化為PtdIns，從而減少PI4P的生成。SAC1可順式作用于PI4P，后者通過(guò)氧固醇結(jié)合蛋白1從反式高爾基體轉(zhuǎn)移至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，與膽固醇反向交換，調(diào)控特定位置的PI4P庫(kù)［16］；SAC1能反式作用于PI4P，主要通過(guò)四磷酸適配器蛋白1介導(dǎo)，但作用強(qiáng)度遠(yuǎn)小于順式［17］。SAC1失活會(huì)導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)及高爾基體膜上的PI4P濃度顯著提升。目前，4種PI4K亞型生成的PI4P是否均受SAC1調(diào)控尚存爭(zhēng)議。SHCORR等［18］的研究發(fā)現(xiàn)，酵母中SAC1充當(dāng)PI4KⅢβ的拮抗劑。TAHIROVIC等［19］的研究發(fā)現(xiàn)，SAC1的失效會(huì)導(dǎo)致PI4KⅢα特異生成的PI4P增加。在SAC1突變的果蠅中，敲低PI4KⅢα可抑制PI4P的增加，而敲低PI4KⅢβ則不能［20］。在哺乳動(dòng)物中，SAC1作用于何種PI4K產(chǎn)生的PI4P庫(kù)目前尚無(wú)定論。在酵母中，SAC1基因的表達(dá)與肌醇水平無(wú)關(guān)，但對(duì)PI4P水平高度敏感。細(xì)胞內(nèi)PI4P的增加會(huì)上調(diào)SAC1啟動(dòng)子的活性［21］，有利于確保PI4P的穩(wěn)定性，但目前尚不清楚上述反饋的控制機(jī)制。

SAC1在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體間的穿梭能有效響應(yīng)外界條件，控制膜特異性PI4P的富集，從而幫助細(xì)胞更好地適應(yīng)外界環(huán)境的變化。營(yíng)養(yǎng)缺乏或饑餓狀態(tài)下，SAC1通過(guò)外被體蛋白（COP）Ⅱ囊泡募集到高爾基體，使高爾基體上PI4P減少，從而阻止其分泌、運(yùn)輸，延緩細(xì)胞生長(zhǎng)［22］。營(yíng)養(yǎng)充足時(shí)，SAC1依賴COPⅠ囊泡從高爾基體轉(zhuǎn)運(yùn)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，高爾基體上PI4P富集，增加分泌運(yùn)輸，使細(xì)胞快速生長(zhǎng)［23］。

SAC1在早期非轉(zhuǎn)移性乳腺癌中表達(dá)增加，在晚期轉(zhuǎn)移性乳腺癌中表達(dá)降低［24］。敲低SACI導(dǎo)致參與聚糖加工的甘露糖苷酶Ⅱ和N-乙酰氨基葡萄糖轉(zhuǎn)移酶-Ⅰ分布到異常的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)［25］，提示SAC1的喪失可能與腫瘤進(jìn)展有關(guān)。此外，人體細(xì)胞中SAC1功能喪失會(huì)誘導(dǎo)染色體不穩(wěn)定和非整倍性［26］。

2.2.3 PI4P5K

PI4P5K可磷酸化PI4P，使其轉(zhuǎn)化為PI（4，5）P2，且PI4P5K作為T(mén)淋巴細(xì)胞受體激活的分子傳感器，能控制突觸中肌動(dòng)蛋白的募集，確保T淋巴細(xì)胞受體信號(hào)傳導(dǎo)和細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞分泌，構(gòu)成機(jī)體抗病毒、抗腫瘤免疫的重要防線［27］。人體中PI4P5K有α，β，γ 3個(gè)亞型，分別由PIP5K1A，PIP5K1B，PIP5K1C編碼。在癌癥中，腫瘤抑制因子p53及人類RAS小GTP酶家族中的KRAS，NRAS，HRAS常發(fā)生突變，PIP5K1A可增加突變p53的穩(wěn)定性，進(jìn)而增強(qiáng)其致癌活性［28］，還能介導(dǎo)致癌性KRAS信號(hào)傳導(dǎo)和腫瘤細(xì)胞增殖［29］。另外，PIP5K1A作用于PI3K/AKT/PTEN途徑可調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖、凋亡、遷移等功能，其與雄激素受體相互作用與前列腺癌的發(fā)生相關(guān)［30］。由此推測(cè)，PIP5K1A可作為抗腫瘤治療靶點(diǎn)。氧化應(yīng)激時(shí)腺苷酸活化蛋白激酶和蛋白激酶C協(xié)同作用可誘導(dǎo)PIP5K1B磷酸化而降低其活性，促使細(xì)胞凋亡［31］。PIP5K1B基因突變被發(fā)現(xiàn)可能與霍奇金淋巴瘤多藥耐藥性有關(guān)［32］。PIP5K1C參與囊泡運(yùn)輸、鈣信號(hào)傳導(dǎo)、細(xì)胞黏附等多種生物學(xué)過(guò)程，與小泛素樣修飾劑結(jié)合可驅(qū)動(dòng)角質(zhì)細(xì)胞遷移和生長(zhǎng)，對(duì)于傷口修復(fù)具有重要意義［33］。此外，PIP5K1C在大腸癌高表達(dá)，通過(guò)激活A(yù)KT-STAT3信號(hào)通路，從而促進(jìn)腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)［34］。

抑制PI4P5K活性會(huì)減少PI4P向PI（4，5）P2的轉(zhuǎn)化及后續(xù)PI（3，4，5）P3的生成。目前，PIP5K1A抑制劑僅有ISA-2011B（5），是一種二酮哌嗪稠合的C-1吲哚-3-基取代的1，2，3，4-四氫異喹啉衍生物。研究發(fā)現(xiàn)，其在轉(zhuǎn)移性乳腺癌［35］及轉(zhuǎn)移性前列腺癌［36］的靶向治療中具有重要作用。STR?TKER等［37］通過(guò)體外篩選程序發(fā)現(xiàn)，具有2-氨基-3-氰基-4氫-吡喃苯醌骨架的化合物能有效抑制PIP5K1A。目前，尚無(wú)PIP5K1B的有效抑制劑。WRIGHT等［38］通過(guò)高通量篩選發(fā)現(xiàn)了幾種有效的PIP5K1C抑制劑，其中最有效的是UNC3230（6），但其溶解度有限，需要進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)。PI4P5K抑制劑的研究還有很大空間。PI4P5K抑制劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖3。

圖3 PI4P5K抑制劑化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.3 Chemical structures of PI4P5K inhibitors

2.2.4 PI5-phosphatases

PI5-phosphatases與PI4P5K相互拮抗調(diào)控PI4P的表達(dá)水平，抑制PI5-phosphatases可減少由PI（4，5）P2去磷酸化產(chǎn)生的PI4P。PI5-phosphatases主要分為4類，Ⅰ型有INPP5A，Ⅱ型 有SYNJ1，SYNJ2，OCRL，INPP5B，INPP5J，SKIP 6種，Ⅲ型 有SHIP1和SHIP2，Ⅳ型 有INPP5E，其中僅Ⅰ型不具有脂質(zhì)磷酸酶活性。OCRL，INPP5B，SYNJ1/2，SKIP，INPP5J，INPP5E去磷酸化PI（4，5）P2生成PI4P，可調(diào)控細(xì)胞的遷移、黏附、侵襲等功能［39］。PI5-phosphatases與多種人類遺傳疾病密切相關(guān)，其中SHIP2與視神經(jīng)發(fā)育不良有關(guān)［40］；OCRL突變與Lowe綜合征有關(guān)。FESTA等［41］研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致疾病的機(jī)制是突變的OCRL破壞了溶酶體途徑的磷酸肌醇穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致位于腎近端小管內(nèi)的細(xì)胞功能異常。OSBORN等［42］研究發(fā)現(xiàn)，SKIP突變會(huì)導(dǎo)致先天性肌營(yíng)養(yǎng)不良綜合征。SOMASUNDARAM等［43］統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，部分克羅恩病患者中SHIP1蛋白水平顯著降低，表明SHIP1與克羅恩病有關(guān)。此外，SHIP2，INPP5J等還在鱗狀細(xì)胞癌、胃癌、黑素瘤中作為腫瘤抑制因子［44］。

PI5-phosphatases中，SHIP1和SHIP2抑制劑研究較多，目前未發(fā)現(xiàn)針對(duì)PI5-phosphatases其他亞型的有效抑制劑。SHIP1抑制劑3α-Aminocholestane（7）能誘導(dǎo)酪氨酸激酶激活，從而克服人急性淋巴細(xì)胞白血病耐藥性的問(wèn)題［45］。SHIP2抑制劑SHIP2-IN-1（8）可降低β-淀粉樣蛋白誘導(dǎo)的tau蛋白過(guò)度磷酸化而改善阿爾茨海默病模型小鼠的記憶障礙。除神經(jīng)系統(tǒng)疾病方面的作用外，SHIP2抑制劑AS 1949490（9）被發(fā)現(xiàn)可增加胰島素誘導(dǎo)的Akt磷酸化，增強(qiáng)葡萄糖代謝。ICHIHARA等［46］在AS 1949490（9）結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種新型的有效SHIP2抑制劑CPDA（10），發(fā)現(xiàn)其在增強(qiáng)胰島素誘導(dǎo)的Akt磷酸化方面表現(xiàn)出較AS1949490（9）更高的效價(jià)，可有效改善3T3-L1脂肪細(xì)胞中的胰島素抵抗。但其藥代動(dòng)力學(xué)參數(shù)不理想，生物利用度差，多種SHIP2抑制劑未被選用。研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍可直接結(jié)合并降低SHIP2磷酸酶活性而增強(qiáng)葡萄糖的攝取，并起到腎臟保護(hù)作用［47］。上述PI5-phosphatases的化學(xué)結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖4。研究表明，現(xiàn)有臨床藥物進(jìn)行研究或許能發(fā)現(xiàn)有效的PI5-phosphatases抑制劑。

圖4 PI5-phosphatases抑制劑化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.4 Chemical structures of PI5-phosphatases inhibitors

2.2.5 PI3K

PI3K是關(guān)鍵的脂質(zhì)激酶，可磷酸化肌醇環(huán)的3-OH，是控制細(xì)胞增殖、運(yùn)動(dòng)、代謝信號(hào)通路的重要物質(zhì)。哺乳動(dòng)物有8種PI3K同工酶（4個(gè)Ⅰ類同工型，3個(gè)Ⅱ類同工型和1個(gè)Ⅲ類同工型）［48］。其中，Ⅰ類主要將PI（4，5）P2轉(zhuǎn)化為PI（3，4，5）P3，有PI3Kα，PI3Kβ，PI3Kδ，PI3Kγ 4個(gè)亞型；Ⅱ類生成PI3P及將PI4P轉(zhuǎn)化為PI（3，4）P2，有PI3K-C2α，PI3K-C2β，PI3K-C2γ 3個(gè)亞型；Ⅲ類產(chǎn)生PI3P，只有PIK3C3（Vps34）1個(gè)亞型。抑制Ⅱ類PI3K可減少PI4P向PI（3，4））P2的轉(zhuǎn)化，使PI4P表達(dá)增加。

在實(shí)體瘤中，編碼PI3K的基因常發(fā)生突變，PI3K及其同工酶很可能成為相關(guān)腫瘤的有效治療靶標(biāo)。乳腺癌及其他腫瘤中，PIK3CA常發(fā)生雙突變，雙突變腫瘤對(duì)PI3Kα抑制劑作用更敏感［49］。此外，抑制PI3Kδ可在減少血液系統(tǒng)腫瘤細(xì)胞增殖的同時(shí)保持正常免疫細(xì)胞的生物功能［50］。PI3Kγ抑制后可降低腫瘤微環(huán)境巨噬細(xì)胞的炎性反應(yīng)，延緩腫瘤進(jìn)展［51］。除了抗腫瘤作用，PI3K抑制劑對(duì)生長(zhǎng)障礙、免疫缺陷也有治療作用。PI3Kα特異性抑制劑對(duì)PIK3CA突變導(dǎo)致的過(guò)度生長(zhǎng)綜合征有顯著療效［52］。編碼PI3Kδ的PIK3CD基因突變是原發(fā)性免疫缺陷的病因，選擇性PI3Kδ抑制劑CDZ173（11）可能成為治療該病的有效藥物［53］。肌管性肌病是一種嚴(yán)重的小兒磷酸肌醇（PIP）代謝性神經(jīng)肌肉疾病，目前尚無(wú)治療方法。在小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，PI3K-C2β抑制劑可改善小鼠的運(yùn)動(dòng)功能，并延長(zhǎng)其壽命［54］。

Wortmannin（12），LY294002（13），LY3023414（14），PI-103（15）等均為廣譜PI3K抑制劑。在腫瘤方面有4種臨床批準(zhǔn)的PI3K抑制劑，分別為PI3Kα特異性抑制劑BYL719（16）［55］、PI3Kα和PI3Kδ雙重抑制劑BAY 80-6946（17）［56］、PI3Kδ抑制劑Idelallsib（18）［57］、PI3Kδ和PI3Kγ雙重抑制劑IPI-145（19）［58］，均對(duì)PIK3CA突變?nèi)橄侔?、白血病、惰性非霍奇金淋巴瘤、難治性頑固性淋巴瘤顯示良好的治療作用。研究發(fā)現(xiàn)，胰島素信號(hào)傳導(dǎo)增加可降低PI3Kα抑制劑的功效，改善胰島素反饋有望提高PI3K抑制劑作為腫瘤治療藥物的功效［59］?？梢?jiàn)，對(duì)PI3K抑制劑的進(jìn)一步研究有望給某些難治性疾病帶來(lái)新的治療方案。PI3K抑制劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖5。

圖5 PI3K抑制劑化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.5 Chemical structures of PI3K inhibitors

2.2.6 PTEN

PTEN是一種3-磷酸酶，具有脂質(zhì)和蛋白雙重磷酸酶活性，與PI3K磷酸化PI4P生成PI（3，4）P2相反，PTEN可使PI（3，4）P2去磷酸化生成PI4P，廣泛分布于細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，參與細(xì)胞生長(zhǎng)、蛋白質(zhì)合成及DNA修復(fù)。研究發(fā)現(xiàn)，PTEN不僅在胞內(nèi)定位，也存在于細(xì)胞外基質(zhì)中，其胞外分泌是對(duì)腫瘤細(xì)胞異常增殖的一種應(yīng)答［60］。PTEN是編碼PI3K基因突變癌癥常見(jiàn)的抑癌基因。在前列腺癌模型小鼠中，PTEN的缺失導(dǎo)致PI（3，4）P2的高表達(dá)，并使其在增生上皮細(xì)胞中累積，揭示PTEN充當(dāng)了腫瘤抑制因子的另一種作用機(jī)制［61］。

3 展望

PI4P在治療相關(guān)疾病的研究中已取得一定進(jìn)展，但其代謝酶調(diào)控疾病的具體分子機(jī)制仍不明確，這方面的深入研究對(duì)于藥物研發(fā)及疾病治療有顯著意義。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，癌癥的惡化往往伴隨PI3K，PI4K，PI4K5P等激酶的高表達(dá)，或SAC1，PI5-phosphatases，PTEN等磷酸酶的缺失，是否意味著降低激酶活性和增加磷酸酶活性可有效控制癌癥進(jìn)展。PI4P作為磷酸肌醇代謝網(wǎng)絡(luò)的中間產(chǎn)物，以其為相關(guān)疾病的治療靶點(diǎn)或許效果更好，但當(dāng)調(diào)節(jié)PI4P的某個(gè)代謝酶被抑制后，其他5個(gè)代謝酶如何進(jìn)行代償調(diào)控，相應(yīng)通路是否均會(huì)發(fā)生改變，相關(guān)研究甚少，有待進(jìn)一步探究。雖已有4種PI3K抑制劑作為抗腫瘤藥物被批準(zhǔn)上市，但單用的抗腫瘤效果并未到達(dá)預(yù)期，亟須探究適宜的提高療效、降低副作用的聯(lián)合用藥方案。另外，PI4K代謝酶相關(guān)抑制劑對(duì)瘧原蟲(chóng)、病毒的特異性是其發(fā)展為臨床藥物的關(guān)鍵。其他代謝酶抑制劑對(duì)于相關(guān)疾病的治療作用仍處于初級(jí)研究階段，有待更多的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、臨床實(shí)驗(yàn)對(duì)其安全性及有效性進(jìn)行研究。