丙酮酸脫氫酶激酶4與非小細(xì)胞肺癌耐藥研究進(jìn)展

王雪純 梁愛玲 劉勇軍

1廣東省醫(yī)學(xué)分子診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（廣東東莞 523808）；2廣東醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院（廣東東莞 523808）；3廣東醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室（廣東東莞 523808）

2021年的GLOBOCAN全球癌癥統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2020年肺癌成為世界第二常見的癌癥，但肺癌仍然是癌癥死亡的主要原因，在2020年約有180萬人死亡，占全部癌癥死亡病例的18%。在男性中，肺癌的發(fā)生率（14.3%）和死亡率（21.5%）都高居榜首。在女性中，肺癌發(fā)生率（8.4%）僅次于乳腺癌（24.5%）和結(jié)直腸癌（9.4%），死亡率（13.7%）僅次于乳腺癌（15.5%），成為女性癌癥中的第二大殺手［1］。在我國，肺癌是整個(gè)人群中最常見的惡性腫瘤，同時(shí)也是男性最常見的癌癥［2］。非小細(xì)胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）占比超過肺癌總體五分之四，因其患病群體龐大而倍受關(guān)注。近年來隨著診斷技術(shù)和治療手段的提高，NSCLC患者的生存率提高［3］，但盡管面對越來越強(qiáng)的靶向治療，耐藥細(xì)胞的出現(xiàn)仍是無可避免［4］。

腫瘤的發(fā)生發(fā)展和糖代謝密切相關(guān)，代謝物交換和細(xì)胞間通訊造成的腫瘤代謝異質(zhì)性在促進(jìn)轉(zhuǎn)移中起著重要作用，并導(dǎo)致臨床耐藥性，因代謝而改變的腫瘤微環(huán)境對于腫瘤的生長、轉(zhuǎn)移和耐藥也起著不可忽視的作用［5］。丙酮酸脫氫酶激酶4（PDK4）作為丙酮酸脫氫酶激酶（pyruvate dehydrogenase kinases，PDKs）家族四大亞型的一員，與其他亞型的相同之處是：皆可通過使丙酮酸脫氫酶（pyruvate dehydrogenase kinase，PDH）失去活性，導(dǎo)致丙酮酸進(jìn)入乳酸代謝途徑，但PDK4相較于其他亞型以其能夠磷酸化多個(gè)PDH位點(diǎn)的特性，在腫瘤防治中更具吸引力。PDK4既有致癌作用，又有抑癌作用，且其在腫瘤中的異常表達(dá)與耐藥的發(fā)生也有著密切的聯(lián)系［6］。

1 PDK4概述

人體正常組織中，丙酮酸在PDH的催化下變成乙酰輔酶A，從而進(jìn)入三羧酸循環(huán)為組織供能。但在腫瘤細(xì)胞中，PDH的催化作用常常受到抑制，其活性的降低將會促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的有氧糖酵解，即Warburg效應(yīng)。這種效應(yīng)能夠促進(jìn)腫瘤生長和轉(zhuǎn)移，重要原因之一是活性氧（reactive oxygen species，ROS）的降低［7］。PDH被PDKs磷酸化利于Warburg效應(yīng)的進(jìn)展，即促進(jìn)細(xì)胞能量代謝傾向于乳酸的生成而非TCA循環(huán)［8］。以阿拉伯?dāng)?shù)字1-4命名的四種PDK亞型已經(jīng)在哺乳動(dòng)物組織中得到鑒定，并在眾多研究中被預(yù)測為各種惡性腫瘤、糖尿病、肥胖癥和心力衰竭等一系列人類頑疾的藥物靶點(diǎn)，這些PDKs作為線粒體激酶，磷酸化多個(gè)PDH位點(diǎn)從而轉(zhuǎn)換著不同的代謝方式［9］。

PDK4存在于線粒體基質(zhì)，是一種線粒體蛋白。過去對PDK4的研究常常圍繞其在糖尿病代謝調(diào)節(jié)［10］中的作用并與神經(jīng)性疼痛［11］、動(dòng)脈粥樣硬化患者血管鈣化［12］等方面有關(guān)?，F(xiàn)在認(rèn)為PDK4參與真核生物的許多生理和病理過程，特別是PDK4異常表達(dá)導(dǎo)致許多癌癥的發(fā)生和發(fā)展［13］。

2 PDK4與腫瘤

2.1 PDK4與腫瘤增殖 PDK4作為有氧糖酵解的關(guān)鍵參與者，在除肝癌外多種惡性腫瘤中高表達(dá)并被證實(shí)為致癌基因。2018年，GUDA等［14］發(fā)現(xiàn)PDK4在乳腺癌細(xì)胞中異常高表達(dá)，并與miR-211水平呈負(fù)相關(guān)。miR-211過表達(dá)降低了乳腺癌細(xì)胞的細(xì)胞外酸化率，并將能量來源轉(zhuǎn)移到線粒體的氧化磷酸化，降低了PDK4的表達(dá)水平。這可能使得靶向miR-211抑制PDK4成為乳腺癌治療的新策略。LI等［15］研究表明N6-甲基腺苷（N6-adenosine-methyl，m6A）可以正向調(diào)節(jié)宮頸癌和肝癌細(xì)胞中PDK4的表達(dá)，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的有氧糖酵解，加速腫瘤細(xì)胞的增殖并影響到癌細(xì)胞的化療敏感性，嚴(yán)重影響患者預(yù)后。這說明RNA修飾和細(xì)胞代謝之間可能存在某種聯(lián)系，對于未來揭示腫瘤內(nèi)在轉(zhuǎn)錄與代謝的交叉調(diào)控有一定啟示作用。LIU等［16］也同樣發(fā)現(xiàn)PDK4在宮頸癌細(xì)胞中高表達(dá)，且PDK4與長鏈非編碼RNA LINC00662呈正相關(guān)，LINC00662可通過上調(diào)PDK4的表達(dá)促進(jìn)宮頸癌細(xì)胞增殖和侵襲。MIAO等［17］發(fā)現(xiàn)抑制miR-5683可以上調(diào)PDK4的表達(dá)促進(jìn)有氧糖酵解，從而增強(qiáng)了胃癌細(xì)胞的增殖并減少凋亡，因此過表達(dá)miR-5683可能成為胃癌治療的新方法。2021年LIU等［18］同樣發(fā)現(xiàn)PDK4高表達(dá)，并且這種高表達(dá)與胃癌細(xì)胞增殖相關(guān)的各種生物學(xué)行為，以及胃癌患者的患病程度和預(yù)后有著高度聯(lián)系，這為設(shè)計(jì)新的胃癌治療手段提供了新的路徑。在2022年發(fā)表的新研究［19］中，PDK4被鑒定為與人類前列腺癌（prostate cancer，PC）相關(guān)的miR-32靶點(diǎn)，并在PC中低表達(dá)。高表達(dá)的miR-32抑制了PDK4表達(dá)且誘導(dǎo)了PC更高的代謝活性，反之，過表達(dá)PDK4降低了糖酵解速率并能抑制PC細(xì)胞生長。2020年DUAN等［20］實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一種名為鄰苯二甲酸丁芐酯（又名BBP）的致癌化學(xué)藥品處理后，能夠增加急性髓細(xì)胞白血?。╝cute myeloid leukemia，AML）細(xì)胞中PDK4的表達(dá)，并促進(jìn)細(xì)胞的有氧糖酵解。抑制PDK4可抑制BBP誘導(dǎo)的AML細(xì)胞增殖。上述研究幾乎一致表明通過PDK4高表達(dá)促進(jìn)了有氧糖酵解，增加了乳酸生成和減少線粒體能量代謝，表現(xiàn)出促癌作用。盡管大多數(shù)研究認(rèn)為高表達(dá)的PDK4有致癌作用，但也有研究發(fā)現(xiàn)在肝癌細(xì)胞中PDK4是低表達(dá)，在體外通過促進(jìn)細(xì)胞線粒體功能來促進(jìn)肝癌細(xì)胞的增殖。2021年SI等［21］研究表明 miR-9-5p直接靶向 PDK4下調(diào)其表達(dá)，促進(jìn)肝癌細(xì)胞線粒體能量代謝，進(jìn)一步促進(jìn)細(xì)胞增殖和細(xì)胞周期進(jìn)入，加速了肝癌的發(fā)展。

2.2 PDK4與腫瘤侵襲、遷移 PDK4在乳腺癌、膀胱癌，甲狀腺癌細(xì)胞中的異常表達(dá)不僅能夠促進(jìn)細(xì)胞的惡性增殖，還有助于腫瘤細(xì)胞的遷徙和轉(zhuǎn)移。LECLERC等［22］觀察到PDK4的表達(dá)在結(jié)直腸癌轉(zhuǎn)移細(xì)胞和患者外周血中顯著升高并伴隨PDK甲基化水平的降低，降低PDK4的表達(dá)使hif1基因的表達(dá)下調(diào)，而HIF-1作為血管內(nèi)皮生長因子的主要激活因子能夠增加結(jié)直腸癌細(xì)胞的遷移和侵襲特性。這說明在結(jié)直腸癌細(xì)胞中降低PDK4的表達(dá)降低結(jié)直腸癌細(xì)胞的遷移和侵襲，提示PDK4與結(jié)直腸癌細(xì)胞的遷移和侵襲有一定的關(guān)聯(lián)。并且直接檢測外周血PDK4甲基化水平也為診斷結(jié)直腸癌增加了新的維度。另有研究［23］發(fā)現(xiàn)環(huán)狀RNAcircCCDC66可通過miR-211-5p/PDK4軸促進(jìn)甲狀腺癌細(xì)胞增殖、遷移和侵襲能力。circCCDC66可能通過海綿作用降低miR-211-5p的表達(dá)，促進(jìn)PDK4的表達(dá)，從而影響甲狀腺癌細(xì)胞的增殖和侵襲性。關(guān)于PDK4表達(dá)水平與癌細(xì)胞侵襲程度成正比的例子不勝枚舉，但也有實(shí)驗(yàn)證明miR-9-5p是通過下調(diào)PDK4促進(jìn)肝癌細(xì)胞線粒體能量代謝，促進(jìn)肝癌的增殖、侵襲和遷移［21］。PDK4在不同腫瘤中的不同效果證明了它功能的復(fù)雜性，但其內(nèi)在分子機(jī)制仍未十分清楚。推測可能與基因的突變與融合、非編碼RNA調(diào)控和蛋白質(zhì)翻譯后修飾或腫瘤內(nèi)環(huán)境的相互作用有關(guān)。

2.3 PDK4與腫瘤凋亡 在腫瘤逃避凋亡的各種因素中，代謝正逐漸成為關(guān)鍵因素之一；且代謝和凋亡途徑之間明顯存在交叉，PDK4能夠通過調(diào)節(jié)促凋亡蛋白和抗凋亡蛋白的功能來調(diào)控腫瘤細(xì)胞的凋亡［24］。有研究發(fā)現(xiàn)在非小細(xì)胞肺癌中，PDK4作為抑癌基因miR382-5p的靶點(diǎn)，可被circ_0005962通過調(diào)控miR-382-5p來調(diào)控。miR-382-5p通過抑制PDK4的表達(dá)促進(jìn)細(xì)胞凋亡。circ_0005962通過海綿作用降低了miR-382-5p的表達(dá)，進(jìn)而激活PDK4的表達(dá)，抑制了非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞的凋亡［25］。在SI等［21］研究中發(fā)現(xiàn)，miR-9-5p通過抑制PDK4的表達(dá)促進(jìn)了肝癌細(xì)胞的增殖、遷移、侵襲以及細(xì)胞周期進(jìn)入，同時(shí)通過上調(diào)Bcl-2的表達(dá)和下調(diào)凋亡蛋白胱天蛋白酶3和9的蛋白水平抑制肝癌細(xì)胞凋亡，從而加速了肝癌的發(fā)展。這在一定程度上說明在肝癌細(xì)胞中PDK4起到抑癌基因的作用。同樣也有研究［26］表明miR-195作為一種抑癌miRNA，能夠靶向抑制肝癌細(xì)胞HEPG2的PDK4基因進(jìn)而抑制肝癌的增殖并且促進(jìn)肝癌的凋亡。CHOINIERE等［27］曾在PDK4基因敲除的小鼠中觀察到肝細(xì)胞的自發(fā)凋亡，這提示PDK4在肝臟凋亡中發(fā)揮一定作用，推測線粒體分子的缺失可能激活線粒體損傷檢查點(diǎn)導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。同樣在肝癌細(xì)胞中，PDK4卻有著截然相反的作用，這可能與改變的上游基因不同進(jìn)而影響了不同的生存或者凋亡通路相關(guān)。有研究［28］發(fā)現(xiàn)死亡結(jié)構(gòu)域蛋白與PDK4能夠進(jìn)行相互作用，TNF-α等凋亡誘導(dǎo)劑以濃度依賴性的方式誘導(dǎo)HeLa和HepG2細(xì)胞凋亡，并抑制PDK4 mRNA水平。這為說明PDK4在觸發(fā)癌細(xì)胞凋亡中起到作用提供了依據(jù)。

2.4 PDK4與腫瘤耐藥 腫瘤細(xì)胞常以極強(qiáng)的適應(yīng)能力抵抗藥物壓力并做出相應(yīng)的“進(jìn)化”，使得腫瘤耐藥成為腫瘤治療中最常見的制約治療效果的因素。耐藥的分類和機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜［29-30］并嚴(yán)重影響患者治療和預(yù)后，因此闡明耐藥機(jī)制，抵抗耐藥是提高療效改善預(yù)后的關(guān)鍵。自Warburg效應(yīng)提出以來，許多研究致力于闡明有氧糖酵解與癌癥之間的聯(lián)系。除前面提到的其與腫瘤增殖、轉(zhuǎn)移、凋亡之間的聯(lián)系外，這種代謝轉(zhuǎn)換也通過葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體的介導(dǎo)、糖酵解酶活性的改變、生存信號的激活等方面促進(jìn)化療耐藥性［31］。WOOLBRIGHT等［32］的研究發(fā)現(xiàn)，PDK4在膀胱癌細(xì)胞株中表達(dá)上調(diào)；在順鉑耐藥的膀胱癌中聯(lián)合使用PDK抑制劑和順鉑會明顯抑制細(xì)胞增殖，且在異種移植小鼠模型中觀察到明顯的腫瘤壞死。耐藥宮頸癌細(xì)胞［33］通過上調(diào)PDK4介導(dǎo)了有氧糖酵解；當(dāng)敲低PDK4或通過miR-16-5p下調(diào)PDK4可使耐藥宮頸癌細(xì)胞對阿霉素（Dox）敏感。同時(shí)異種移植模型也證實(shí)，抑制PDK4表達(dá)可以提高阿霉素治療模型動(dòng)物腫瘤效果，內(nèi)在具體機(jī)制尚未解釋清楚，推測PDK4可能通過調(diào)節(jié)糖酵解酶活性并激活相關(guān)生存通路促進(jìn)了有氧糖酵解在化療耐藥中的作用。此外，PDK4還參與到耐藥腫瘤細(xì)胞干細(xì)胞性的維持，F(xiàn)EKIR等［34］研究發(fā)現(xiàn)肝祖細(xì)胞向更不成熟的具有干細(xì)胞特性的細(xì)胞進(jìn)行反向分化，會增加化療耐受性。對順鉑和索拉非尼耐藥的人類肝癌細(xì)胞具有干細(xì)胞特性，并且發(fā)現(xiàn)PDK4有助于這種干細(xì)胞特性的維持并參與耐藥。推測其機(jī)制可能是通過PDK4抑制線粒體PDH復(fù)合物的激活來增強(qiáng)化療耐藥性。SONG等［35］研究發(fā)現(xiàn)葡萄糖決定了人胰管癌細(xì)胞對藥物抑制系統(tǒng)xc（-）誘導(dǎo)的鐵死亡的敏感性。PDK4被鑒定為鐵死亡抗性的驅(qū)動(dòng)因素。PDK4不僅能通過阻斷丙酮酸脫氫酶依賴的丙酮酸氧化來抑制鐵死亡，還能通過抑制丙酮酸氧化和脂肪酸合成來調(diào)控對鐵死亡誘導(dǎo)劑的代謝抗性。一項(xiàng)關(guān)于膠質(zhì)瘤對泛極光激酶抑制劑托扎舍替（tozasertib）抗性機(jī)制的研究［36］發(fā)現(xiàn) PDK4基因顯著上調(diào)，且與托扎舍替誘導(dǎo)的耐藥性呈正相關(guān)，提示PDK4可能是托扎舍替耐藥表型的一個(gè)選擇性靶點(diǎn)。關(guān)于PDK4與腫瘤耐藥關(guān)系的研究多數(shù)仍停留于表型階段，并多集中于證明耐藥細(xì)胞中PDK4的表達(dá)水平以及改變PDK4水平后耐藥性的變化，至于探索其內(nèi)在機(jī)制還需結(jié)合更多基因間相互作用的研究和探索。

3 PDK4與肺癌耐藥

耐奧西替尼、吉非替尼等藥物的肺癌已是臨床常見，眾多miRNA靶向治療逆轉(zhuǎn)肺癌耐藥的研究也十分廣泛［37-38］，有關(guān)PDK4與肺癌耐藥關(guān)系的研究雖少卻新穎。YU等［39］發(fā)現(xiàn)PDK4的上調(diào)促進(jìn)腫瘤細(xì)胞在體內(nèi)和體外的生長并與肺腺癌患者獲得化療耐藥直接相關(guān)。作者此前一項(xiàng)研究［40］表明PDK4通過調(diào)節(jié)內(nèi)皮PAS結(jié)構(gòu)域蛋白1（endothelial PAS domain protein 1）的轉(zhuǎn)錄調(diào)控來促進(jìn)肺腺癌細(xì)胞的生長和順鉑耐藥，并且肺腺癌臨床樣本中PDK4上調(diào)與患者較差的臨床結(jié)局有緊密聯(lián)系。與之相反的是，PDK4也可以作為一種抑癌基因，在腫瘤細(xì)胞上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化與耐藥性之間起到橋接的作用，SUN等［41］發(fā)現(xiàn)通過敲除PDK4能夠驅(qū)動(dòng)上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化并促進(jìn)表皮生長因子突變的肺癌細(xì)胞對厄洛替尼的耐藥。一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)FoxO3a可能通過直接與PDK4啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合使PDK4的表達(dá)降低，從而削弱有氧糖酵解的效應(yīng)，減小了非小細(xì)胞肺癌對吉非替尼的耐藥性。這表明PDK4在NSCLC耐表皮生長因子酪氨酸激酶抑制劑中具有促進(jìn)作用［42］。盡管目前對于PDK4與肺癌耐藥之間的研究十分有限，但就已有的研究來看，PDK4極有可能作為逆轉(zhuǎn)肺癌耐藥的一個(gè)潛在靶點(diǎn)。

4 PDK抑制劑

PDKs能夠磷酸化PDH中丙酮酸脫氫酶E1α亞單位上的絲氨酸殘基Ser293、Ser300和Ser232使丙酮酸脫氫酶復(fù)合物失活，阻止丙酮酸通過線粒體的氧化代謝，通過促進(jìn)有氧糖酵解途徑來促進(jìn)癌細(xì)胞的增殖［43］。最早應(yīng)用于臨床的代謝抗癌藥物二氯乙酸（dichloroacetic acid，DCA）是一種作用于丙酮酸結(jié)合位點(diǎn)的抑制劑，能夠逆轉(zhuǎn)Warburg效應(yīng)，可以誘導(dǎo)ROS的產(chǎn)生并有效降低癌細(xì)胞的增殖［44］。有研究表明DCA能夠增加耐藥肺癌細(xì)胞對紫杉醇的敏感性。CPT［45］作為一種新的PDK4抑制劑，抑制了人胰腺癌和結(jié)直腸癌細(xì)胞系中PDH的磷酸化，以及腫瘤細(xì)胞的增殖。盡管DCA和其他PDKs抑制劑在體外腫瘤實(shí)驗(yàn)中顯示出強(qiáng)大的抑制效應(yīng)，但仍然不清楚個(gè)體PDKs的作用以及PDKs增強(qiáng)化療耐藥性或誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的潛在機(jī)制［46］。

5 總結(jié)與展望

PDK4作為PDKs家族重要一員，通過調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝途徑，磷酸化PDH，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的有氧糖酵解，在多種腫瘤的增殖、凋亡、侵襲和轉(zhuǎn)移以及耐藥中起著重要作用，因而成為一種新穎的癌癥治療靶點(diǎn)，PDKs家族與腫瘤間相互作用的研究逐漸成為熱點(diǎn)，各種PDKs抑制劑也不斷面世，盡管并未成功應(yīng)用于臨床，但在體外研究方面的進(jìn)展已經(jīng)十分可喜，未來可能通過更多PDK4特異性抑制劑的開發(fā)與安全性檢驗(yàn)，用于多種癌癥的特異性治療及促進(jìn)腫瘤耐藥逆轉(zhuǎn)并真正在臨床意義上為癌癥群體的治療和預(yù)后提供新的方案。