蛋白質(zhì)糖基化在肺癌發(fā)生發(fā)展中的作用

徐圣善，王志剛，盧珠明

根據(jù)2020年世界癌癥報告，肺癌發(fā)病率居惡性腫瘤第二位（占總病例的11.7%），病死率居惡性腫瘤首位（占癌癥死亡總數(shù)的18%）［1，2］，已成為一個迫切需要解決的全球性的公共衛(wèi)生問題［3］。據(jù)統(tǒng)計，只有15%的肺癌病例在可在早期發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)患者在被診斷為肺癌時已經(jīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)移［4］。針對于肺癌的臨床診斷，計算機斷層掃描有較高的敏感度，但對早期肺癌診斷的特異性低；血清腫瘤標志物：癌胚抗原（CEA），神經(jīng)元特異性烯醇化酶（NSE），糖類抗原125（CA125）及鱗狀上皮細胞癌抗原（SCC）的敏感度較低，常不能作為肺癌早期診斷的有效工具［5］。因此，開發(fā)高敏感度和特異性的生物標志物，對于肺癌的早期診斷、預(yù)后評估及靶向治療至關(guān)重要。

糖基化是發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體中的一系列酶促反應(yīng)，在身體中約50%～70%的蛋白質(zhì)是糖基化的，在各種細胞活動中起著生長、轉(zhuǎn)化及粘附的重要作用［6］。糖基化是蛋白質(zhì)最常見和最復(fù)雜的翻譯后修飾，糖鏈中寡糖殘基的種類、數(shù)目以及糖苷鍵的位點差異等均可導(dǎo)致糖鏈的多樣性［7］，糖基化修飾的改變也存在著多種機制，包括糖基轉(zhuǎn)移酶和糖苷酶的表達水平變化及在分泌途徑的定位變化、分子伴侶活性的提高以及代謝的變化［8］。有諸多研究中表明了異常的糖基化修飾與癌癥的發(fā)生、進展及轉(zhuǎn)移密切相關(guān)［9-12］。糖基化修飾可通過以下方式調(diào)控腫瘤微環(huán)境的基質(zhì)成分：①通過促進生長因子受體的激活、調(diào)控細胞內(nèi)激酶途徑來觸發(fā)持續(xù)的增殖信號［13，14］；②調(diào)節(jié)細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，避免細胞程序性死亡［15］；③負向調(diào)節(jié)p53 和RB 基因，規(guī)避生長抑制［16-18］；④損害血管系統(tǒng)及基質(zhì)屏障的完整性，促進上皮細胞向間質(zhì)轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致腫瘤的侵襲及遠處轉(zhuǎn)移［19］；⑤招募循環(huán)淋巴細胞到外周淋巴結(jié)，調(diào)節(jié)多種炎癥介質(zhì)的活性，導(dǎo)致腫瘤的炎癥［20］。糖基化已成為了研究人員探索腫瘤診斷的生物標志物的熱點。本文就異常糖基化在肺癌中的發(fā)生進展的作用進行概述。

1 糖基化的類型及異常糖基化在肺癌的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移的重要作用

蛋白質(zhì)糖基化被認為是惡性腫瘤和其他疾病的重要標志，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)糖基化通過多種復(fù)雜的糖基化信號通路確定腫瘤性質(zhì)，不同的腫瘤表型與糖基化有關(guān)如凋亡、細胞遷移、酪氨酸激酶受體（RTK）信號、血管生成、基質(zhì)酶活性、腫瘤細胞外基質(zhì)的粘附等。

1.1 N-糖基化

N-糖基化是指糖鏈與蛋白質(zhì)天冬氨酸上的氨基基團通過共價連接而形成的糖蛋白，參與了多個重要的生物過程，包括折疊蛋白質(zhì)、將蛋白質(zhì)定位于細胞內(nèi)或外、參與細胞與細胞之間的相互作用。在癌癥中，高度支化的N-聚糖是N-糖基化一種常見的結(jié)構(gòu)改變。參與分支N-連接糖的合成并與癌癥有關(guān)的糖基轉(zhuǎn)移酶有β1，6-N-乙酰葡糖胺轉(zhuǎn)移酶和β1，4-N-乙酰葡糖胺轉(zhuǎn)移酶。β1，6-N-乙酰葡糖胺轉(zhuǎn)移酶是一種由MGAT5 基因編碼，可以催化天冬酰胺連接的寡糖分支結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵酶。一項對于肺癌的研究表明，β1，6-N-乙酰葡糖胺轉(zhuǎn)移酶的表達水平下調(diào)與Ⅰ期非小細胞肺癌的預(yù)后不良有關(guān)，還發(fā)現(xiàn)了在轉(zhuǎn)移酶高表達的非小細胞肺癌樣本中增殖標志（Ki-67）的表達明顯低于轉(zhuǎn)移酶低表達的腫瘤，也間接印證了轉(zhuǎn)移酶低表達水平組預(yù)后差的原因［21］。β1，4-N-乙酰葡糖胺轉(zhuǎn)移酶可以減弱EGF 受體的信號傳導(dǎo)，促進受體的內(nèi)吞作用，并能在不同的細胞系中增加MAPK 信號的傳遞。MAPK 通路與細胞的增殖和凋亡密切相關(guān)，對腫瘤的進展起著至關(guān)重要的作用。

1.2 O-糖基化

O-GalNAc 修飾是發(fā)生在絲氨酸、蘇氨酸羥基末端連接的乙酰氨基葡萄糖上的單糖基修飾，是細胞質(zhì)和細胞核中最豐富的翻譯后修飾之一［22］。它調(diào)節(jié)著重要的生物過程，包括細胞信號傳導(dǎo)、蛋白質(zhì)的磷酸化、降解與定位、基因轉(zhuǎn)錄、細胞增殖、代謝等，被科研工作者稱為“營養(yǎng)傳感器”［23-26］。有諸多研究證明了O-GalNAc 修飾與癌癥的發(fā)生、進展有關(guān)，包括參與腫瘤細胞的增殖［13］、上調(diào)血管內(nèi)皮生長因子A、影響基質(zhì)的金屬蛋白酶［27，28］，促進細胞的侵襲和轉(zhuǎn)移［29］。

在快速生長的癌癥中，為了滿足腫瘤對能量需求和生物合成增加的需求，細胞的新陳代謝會發(fā)生明顯改變，與正常組織相比，癌細胞熱衷于消耗葡萄糖，并產(chǎn)生較高的乳酸水平。這種現(xiàn)象在許多惡性腫瘤中可被觀察到，被稱為“沃伯格效應(yīng)”［30］。并且大量的葡萄糖不僅流入了有氧糖酵解，還增加了進入己糖胺生物合成途徑的流量，最終產(chǎn)物是一種關(guān)鍵的代謝物-尿苷二磷酸，可增強O-GlcNAc 轉(zhuǎn)移酶（OGT）的活性并增加O-GlcNAc修飾。OGT 調(diào)節(jié)了許多致癌基因和腫瘤抑制基因起著添加O-GlcNAc 修飾片段的作用［23，31］。研究表明在肺鱗癌組織中的O-GalNAc 修飾水平與OGT表達水平與鄰近的正常組織相比明顯升高［32］。進一步的研究說明了O-GlcNAc 修飾水平的變化通過缺氧誘導(dǎo)因子1/葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白機制介導(dǎo)，在非小細胞肺癌細胞系中抑制OGT 會導(dǎo)致O-GalNAc修飾水平的下降，從而導(dǎo)致癌細胞的錨定依賴性生長和體外細胞侵襲能力的顯著下降。這些結(jié)果表明了O-GalNA 修飾可能促進肺癌的發(fā)生。

糖酵解酶的O-GalNAc 修飾不僅能調(diào)節(jié)糖酵解，還可以使肺癌細胞的代謝狀態(tài)發(fā)生改變。在人類非小細胞肺癌細胞系中，O-GlcNAc 糖基化通過阻斷果糖-2，6-二磷酸與酶變構(gòu)位點的結(jié)合以及干擾磷酸果糖激酶1（PFK1）亞基的低聚體化來抑制PFK1的活性，從而影響糖酵解途徑通量［33，34］。在缺氧條件下，非小細胞肺癌細胞系中的PFK1 的糖基化以時間依賴的方式被觸發(fā)，而在氧化應(yīng)激條件下，PFK1 的O-GlcNAc 糖基化可將葡萄糖從糖酵解重新流向磷酸戊糖途徑，產(chǎn)生大量的NADPH為細胞的各種合成反應(yīng)提供還原力及在紅細胞中保證谷胱甘肽的還原狀態(tài)，防止活性氧的損害［35，36］。因此，PFK1 糖基化為癌細胞提供了一種選擇性的生長優(yōu)勢，使其有能力迅速適應(yīng)變化的需求。這項研究還表明，PFK1 糖基化發(fā)生在該酶的絲氨酸529 位點，阻斷PFK1 在此處的糖基化，可以減少肺癌細胞在體內(nèi)及體外的增殖。這種通過O-GlcNAc 糖基化調(diào)控代謝酶的機制成為了一種潛在的治療癌癥的方法。

1.3 粘蛋白

粘蛋白是在管腔上皮表面表達的大型糖蛋白，具有保護粘膜上皮的生物屏障功能。粘液蛋白家族由含有高比例脯氨酸、蘇氨酸和絲氨酸的串聯(lián)重復(fù)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)組成（構(gòu)成PTS 結(jié)構(gòu)域），分為分泌型或跨膜粘蛋白?？缒ふ车鞍卓赏ㄟ^傳遞生長及生存信號維持上皮層的完整性，并且其作為上皮細胞壓力反應(yīng)的一個組成部分，有助于破壞極性和細胞與細胞之間的相互作用，從而使上皮細胞向間質(zhì)轉(zhuǎn)化［37］。

粘液蛋白1（MUC）1 是粘蛋白家族成員之一，它在非小細胞肺癌中高度表達［38］，也是STAT3 的一個下游靶點，可激活PI3K/AKT 通路［39］，調(diào)節(jié)肺癌細胞的生長和侵襲［40］。MUC1 已經(jīng)成為一個用于開發(fā)肺癌疫苗的研究熱點。TG4010 是一種靶向MUC1 抗原的治療性疫苗，通過病毒載體修飾表達MUC1 和白細胞介素-2，誘導(dǎo)及增強細胞的免疫應(yīng)答反應(yīng)。在一項針對于進展期的非小細胞肺癌患者的隨機、雙盲、安慰劑對照的IIb 期試驗中，發(fā)現(xiàn)在一線化療的基礎(chǔ)上加入TG4010 相比于一線化療加安慰劑，顯著改善了患者的無進展生存期［41］。

據(jù)估計85%～90%的肺癌是由吸煙引起的，并且罹患癌癥的風(fēng)險與吸煙程度有關(guān)。最近的一項研究表明將正常人類支氣管上皮細胞暴露在香煙煙霧提取物中，會導(dǎo)致MUC1 的N 端產(chǎn)生變異的糖鏈［42］。隨后，CSE誘導(dǎo)MUC1-N端脫落與MUC1-C端相互作用。研究得出，在香煙煙霧提取物的暴露下會導(dǎo)致上皮鈣粘蛋白、細胞極性喪失和細胞連接的中斷，這些都是上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化的主要標志，也是癌變的重要特征。這些研究結(jié)果表明MUC1 的糖基化在肺癌發(fā)生中的潛在作用。

1.4 巖藻糖基化

巖藻糖基化是糖蛋白、糖脂寡糖修飾中最常見的修飾方式，包括N 聚糖、粘蛋白型O 糖以及直接與蛋白質(zhì)絲/蘇氨酸殘基羥基上相連的巖藻糖，參與許多生物過程：淋巴細胞歸巢、免疫反應(yīng)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的修飾［43］。巖藻糖基化是由巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶（FUTs）家族催化的，由13 個成員組成，包括FUT1 至FUT11。

FUT8 是唯一負責(zé)α1，6-連接核心巖藻糖化的酶，是調(diào)節(jié)許多蛋白質(zhì)功能的核心。在肺癌中異常的EGFR 通路活性是重要的致癌驅(qū)動因素，當EGF 受體缺少核心巖藻糖化，會使其配體的結(jié)合親和力顯著下降，并抑制相應(yīng)的下游信號傳導(dǎo)途徑［44］。此外，F(xiàn)UT 8 的上調(diào)與非小細胞肺癌的轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。在肺癌細胞系中的沉默F(xiàn)UT8 的表達可顯著抑制腫瘤在體外侵襲、增殖及體內(nèi)的轉(zhuǎn)移和生長［45］。一項研究表明，肺腺癌細胞系CL1-5相比于CL1-0 具有更高的侵襲能力，且CL1-5 具有更高的巖藻糖基化，它的Fut8 表達水平顯著高于CL1-0，說明巖藻糖基化與腫瘤的侵襲力相關(guān)［46］。兩項非小細胞肺癌患者的隊列研究發(fā)現(xiàn)Fut8 表達水平與較短的無病生存期與總生存期有關(guān)［45，47］。這些結(jié)果表明，核心巖藻糖基化與肺癌增殖、侵襲、轉(zhuǎn)移以及疾病預(yù)后密切相關(guān)。靶向腫瘤中Fut8 可能成為治療肺癌的新策略。

2 糖基化在肺癌的臨床應(yīng)用

2.1 糖基化蛋白作為肺癌早期診斷的生物標志物

目前，檢測血液中的糖蛋白已用于早期診斷癌癥的生物標記物。眾所周知的肝癌標志物甲胎蛋白、前列腺癌的前列腺特異性抗原和甲狀腺癌的甲狀腺球蛋白都是硅藻酸化的糖蛋白。此外，CEA 用于跟蹤結(jié)直腸癌的治療效果，CA125 廣泛用于卵巢癌的篩查，NSE、IDH1 和CA125 被用于診斷肺癌。然而，它們在早期檢測肺癌中靈敏度和特異度較差。有研究表明，與正常組織相比，腫瘤組織中糖基轉(zhuǎn)移酶（GnTs）的高表達可激活細胞外膜上的受體酪氨酸激酶，促進ERK 細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，從而促進腫瘤細胞的生長和轉(zhuǎn)移?？梢酝ㄟ^固相化學(xué)酶法及質(zhì)譜破碎技術(shù)可以提高糖蛋白的鑒定通量、覆蓋深度和鑒定部位的準確性，從而將這些糖蛋白作為肺癌診斷的生物標志物［49］。

2.2 糖基化在肺癌的治療應(yīng)用

糖類結(jié)合物是新一代的治療性生物標志物，蛋白質(zhì)的糖類形式可以提供更多的預(yù)測性信息。目前基于聚糖的治療方法包括免疫治療、基于抗體的治療、聚糖模擬物和納米載體［49］。最新的研究進展闡述了一種針對于癌癥的新型的靶向治療方式：糖基化機制的小分子抑制劑，有著較容易被各種類型的細胞吸收的優(yōu)點，它的作用機制是干擾前體的代謝或干擾細胞內(nèi)的活動。幾項基于糖基化抑制劑的臨床試驗也正在進行：①半乳糖凝集素抑制劑GR-MD-02 與帕博利珠單抗聯(lián)合使用應(yīng)用于非小細胞肺癌的治療。②巖藻糖基化抑制劑SGN-2FF 應(yīng)用于肺鱗狀細胞癌的治療［50］。糖基特異性靶向蛋白納米顆?？梢韵拗泼摪行?yīng)，增強抗腫瘤的特異性。

3 小 結(jié)

開發(fā)有效的早期診斷、探索更多的靶向治療方案是克服癌癥的關(guān)鍵。糖基化的任何微小修改都可能影響細胞表面受體的定位和穩(wěn)定性及其對信號分子的敏感性，影響細胞功能，這可能支持腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移，影響免疫反應(yīng)，此外有多項研究表明異常糖基化是腫瘤發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動因素，參與腫瘤增殖、侵襲及轉(zhuǎn)移。特定的糖結(jié)構(gòu)在腫瘤細胞中特異性表達，例如Tn 和T 抗原、超巖藻糖化。深入的研究使得探尋糖的模式及結(jié)構(gòu)變化去挖掘有價值的癌癥生物標志物成為了可能［51］。然而，目前針對于糖基化的研究處于基礎(chǔ)階段，仍然存在著一些挑戰(zhàn)：如何確定糖基轉(zhuǎn)移酶的表達模式和水平、識別特定部位的糖結(jié)構(gòu)及檢測其在蛋白質(zhì)中的豐度等；此外，由于多個糖基轉(zhuǎn)移酶的異構(gòu)體可以編碼一個糖基位點，確定它對生物分子機構(gòu)和功能的影響也十分困難。總之，糖基化為個體化的綜合治療提供了新的策略，希望在抗癌斗爭中通過對異常糖基化的進一步研究，開發(fā)行之有效的診斷、預(yù)后和治療靶點，為腫瘤患者帶來曙光。