丙酮酸脫氫酶激酶4在肝細(xì)胞癌中的作用研究進(jìn)展

黃麗銀,斯 韜,梁 婷,覃正萍,劉湘慧

(1.廣西中醫(yī)藥大學(xué),廣西 南寧 530200;2.廣西中醫(yī)藥大學(xué)第三附屬醫(yī)院腫瘤科,廣西 柳州 545001)

肝細(xì)胞癌(Hepatocellular carcinoma,HCC)是世界上最惡性的實(shí)體腫瘤之一,也是癌癥相關(guān)死亡的第三大原因。由于其早期發(fā)病隱匿而難以診斷,發(fā)現(xiàn)時(shí)往往已發(fā)展到中晚期;而目前沒有針對晚期肝癌的治愈性治療。HCC的治療仍是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。細(xì)胞能量代謝的改變是癌癥的特征之一。近年來,癌癥代謝在腫瘤研究中備受關(guān)注。PDK4作為細(xì)胞能量代謝的關(guān)鍵因子,與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān),近年來PDK家族的其他成員(如PDK1、PDK2和PDK3)在腫瘤進(jìn)展中的作用和潛在機(jī)制已被廣泛研究和了解;目前PDK4在HCC、胃癌等多種腫瘤疾病的發(fā)生發(fā)展中的功能和潛在的分子機(jī)制仍不清楚,現(xiàn)就近年來,PDK4在肝癌中的作用研究進(jìn)展作一綜述。

1 丙酮酸脫氫酶激酶

丙酮酸脫氫酶激酶(Pyruvate dehydrogenase kinases,PDKs) 是丙酮酸脫氫酶復(fù)合物(Pyruvate dehydrogenase complexes PDC) 的調(diào)節(jié)酶,其包括PDK1、PDK2、PDK3和PDK4四種亞型。PDC為位于線粒體基質(zhì)的一種多酶復(fù)合物,其活化后可催化丙酮酸氧化脫羧,為三羧酸循環(huán)和脂質(zhì)生物合成提供乙酰輔酶A(Acetoacetyl coenzyme A,COA)和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide adenine dinucleotide,NADH),在維持細(xì)胞線粒體能量代謝穩(wěn)態(tài)中起到關(guān)鍵作用[1]。PDC的活性主要受其E1α組分絲氨酸殘基的磷酸化調(diào)控,PDKs將其磷酸化滅活,丙酮酸脫氫酶磷酸酶(Pyruvate dehydrogenase phosphatase,PDP)使其去磷酸化激活。這兩類調(diào)控酶的相對活性決定了PDHC絲氨酸殘基磷酸化的程度,進(jìn)而決定PDC的活性[2-3]。

PDKs不僅與很多代謝疾病關(guān)系密切,而且與許多惡性腫瘤的侵襲性、增殖性、抗凋亡作用和治療抵抗有關(guān)[4]。PDK1-3的調(diào)節(jié)反映了細(xì)胞的即時(shí)能量需求,但PDK4體現(xiàn)了整個(gè)機(jī)體的能量平衡,并在過度運(yùn)動(dòng)[5]、饑餓[6]、胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)和糖尿病[7]期間上調(diào)。與其他PDK亞型相比,PDK4不僅具有致癌作用,還具有抑癌作用[8]。因此,PDK4在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用仍需要進(jìn)一步深入研究。

2 PDK4在腫瘤中的作用

PDK4作為能量代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,其介導(dǎo)的能量代謝方式改變與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān),貫穿始終。在癌細(xì)胞發(fā)生的初期,PDK4介導(dǎo)的代謝變化就已開始發(fā)揮重要的抗癌作用。正常上皮細(xì)胞可以識(shí)別并主動(dòng)清除功能失調(diào)細(xì)胞以維持組織內(nèi)穩(wěn)態(tài),這一過程稱為上皮細(xì)胞抗癌防御(Pithelial defense against cancer,EDAC),在這個(gè)過程中發(fā)現(xiàn),癌細(xì)胞被正常細(xì)胞包圍時(shí),PDK4介導(dǎo)對PDC和線粒體代謝的抑制,導(dǎo)致線粒體膜電位降低、葡萄糖攝取量增多,導(dǎo)致乳酸產(chǎn)量增加,從而誘導(dǎo)癌細(xì)胞的擠出。PDK4表達(dá)的異常,可造成EDAC功能紊亂,誘發(fā)惡性腫瘤[8]。

根據(jù)各自組織的代謝功能、癌癥類型和分期,PDK4高表達(dá)可起到致癌或抑癌作用。已有研究發(fā)現(xiàn)PDK4在胃癌細(xì)胞中高表達(dá),PDK4高表達(dá)提示分期晚、惡性程度高、預(yù)后差,其表達(dá)與不同類型的浸潤性免疫細(xì)胞(如B細(xì)胞、CD4+T淋巴細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞及巨噬細(xì)胞)呈正相關(guān),PDK4受微小RNA-5683(miR-5683)負(fù)調(diào)控影響糖酵解,從而促進(jìn)胃癌細(xì)胞的增殖、遷移和侵襲[9]。在腸癌、卵巢癌、宮頸癌中均可觀察到PDK4受到LncRNA/miRNA/PDK4軸的靶向調(diào)控高表達(dá)后發(fā)揮促癌作用,例如在腸癌中的長鏈非編碼RNA(Long non-coding RNA,lncRNA)小核仁RNA宿主基因12 (Small nucleolar RNA host gene 12 ,SNHG12)/miR-15a/PDK4軸[10]、卵巢癌中的 LncRNA AFAP1反義RNA1(AFAP1 antisense RNA1,AFAP1-AS1)/miR-107/PDK4軸[11]和宮頸癌中LncRNA 00662/miR-103a-3p/PDK4軸[12]。另外,在三陰性乳腺癌[13]和甲狀腺乳頭狀癌[14]中,PDK4分別在環(huán)狀RNA(circRNA)circ-ERBB2/136-5p/PDK4和circ-CCDC66/miR-211-5p/PDK4調(diào)控下高表達(dá)促進(jìn)腫瘤進(jìn)展[14]。上述癌種中PDK4高表達(dá)具有致癌作用,但在下列癌種中可見PDK4呈低表達(dá),將PDK4表達(dá)上調(diào)具有抑癌作用。有研究表明在HCC細(xì)胞的細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中,PDK4均顯著下調(diào),下調(diào)PDK4可顯著促進(jìn)體外HCC細(xì)胞系(即BEL-7402和BEL-7404細(xì)胞)的增殖、致瘤、遷移和侵襲增加[15]。此外,在肺腺癌中的研究發(fā)現(xiàn),PDK4受miR-182過表達(dá)抑制,從而抑制脂肪生成、影響活性氧(Reactive oxygen species,ROS)的產(chǎn)生和下游JNK信號(hào)通路,促進(jìn)肺腫瘤的發(fā)生[16]。而在對前列腺癌進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)分析提示PDK4低表達(dá)與前列腺癌早期生化復(fù)發(fā)相關(guān),PDK4是三羧酸循環(huán)/氧化磷酸化(Tricarboxylic acid cycle,TCA/oxidative phosphorylation,OXPHOS)的重要調(diào)節(jié)因子,其低表達(dá)可導(dǎo)致氧化磷酸化和脂質(zhì)生成增強(qiáng),這兩者都與前列腺癌預(yù)后不良有關(guān)[17]。這種現(xiàn)象在肝癌中也觀察到PDK4的敲除增加了關(guān)鍵的脂肪生成酶:脂肪酸合成酶(Fatty acid synthase,FASN)和硬脂酰輔酶A去飽和酶(Stearoyl-CoA desaturase,SCD)的表達(dá),最終誘導(dǎo)脂肪生成,表明PDK4可能通過促進(jìn)脂肪生成來促進(jìn)肝癌細(xì)胞的進(jìn)展[18]。這與上述高PDK4發(fā)揮致癌作用的癌種中,多可見到糖酵解的變化有所不同,表示不同癌種間代謝重排的復(fù)雜性,值得進(jìn)一步深入研究。

PDK4不僅與腫瘤增殖,遷移及侵襲有關(guān),而且在細(xì)胞耐藥過程中起著至關(guān)重要的作用,如,在腸癌中通過LncRNA HCG11/miR-144-3p/PDK4軸,PDK高表達(dá)重編程糖代謝可促進(jìn)結(jié)腸癌細(xì)胞對五氟尿嘧啶(5-FU)的耐藥[19]。有研究發(fā)現(xiàn)PDK4在彌漫大B細(xì)胞淋巴瘤細(xì)胞中的過表達(dá),介導(dǎo)了代謝重編程,負(fù)向調(diào)節(jié)MS4A1/CD20導(dǎo)致對利妥昔單抗耐藥[20]。Tozasertib是一種泛aurora激酶抑制劑,可用于治療高級別膠質(zhì)瘤,有研究報(bào)道對Tozasertib耐藥的膠質(zhì)瘤細(xì)胞進(jìn)行RNA序列分析顯示PDK4顯著上調(diào),抑制PDK可逆轉(zhuǎn)耐藥性[21]。另外,在對阿霉素耐藥的HeLa/Dox和SiHa/Dox宮頸癌細(xì)胞,與親代細(xì)胞對比發(fā)現(xiàn),葡萄糖消耗、乳酸生成率和ATP水平顯著升高,在代謝和糖酵解相關(guān)基因中,PDK4表達(dá)上調(diào),敲除PDK4可降低葡萄糖消耗、乳酸產(chǎn)生率和ATP水平,并進(jìn)一步使耐藥宮頸癌細(xì)胞對阿霉素治療敏感[22]。miR-16-5p是PDK4的上游調(diào)控因子,結(jié)論認(rèn)為miR-16-5p/PDK4介導(dǎo)的代謝重編程參與了宮頸癌對阿霉素的耐藥。據(jù)報(bào)道,在對人類胰腺導(dǎo)管癌細(xì)胞鐵死亡敏感性的研究中發(fā)現(xiàn),PDK4是導(dǎo)致鐵死亡抗性的頂基因,PDK4可通過代謝重編程來抑制鐵死亡,抑制PDK4可克服鐵死亡抗性,增強(qiáng)藥物的抗癌活性[23]。另外,PDK4還參與癌癥階段或化療后肌肉大小的控制,這使其有望成為對抗癌癥相關(guān)惡病質(zhì)的靶點(diǎn)[24]。

3 PDK4在肝癌中的作用及影響

PDK4與肝癌關(guān)系密切,多項(xiàng)研究表明,PDK4在人肝癌組織中的表達(dá)下調(diào),其下調(diào)與不良預(yù)后相關(guān),沉默PDK4對肝癌細(xì)胞的增殖及遷移有明顯的促進(jìn)作用[16,19,25-27], 但在對索拉非尼或順鉑耐藥的肝癌細(xì)胞株的研究中發(fā)現(xiàn)PDK4高表達(dá),深入研究發(fā)現(xiàn)促炎細(xì)胞因子腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細(xì)胞介素-6(IL-6)和轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)之間的相互作用可觸發(fā)肝癌細(xì)胞向干細(xì)胞的反向轉(zhuǎn)化,該過程伴隨血管生成素樣4(ANGPTL4)誘導(dǎo)PDK4上調(diào),進(jìn)而抑制線粒體的活性導(dǎo)致代謝重編程,表現(xiàn)出膜電位降低,ATP產(chǎn)量低,乳酸產(chǎn)量高,顯示出高遷移、侵襲潛能和對化、靶向藥物耐藥,抑制ERK或PI3K可降低ANGPTL4和PDK4的表達(dá),逆轉(zhuǎn)耐藥[28]。這項(xiàng)研究提示了肝癌中PDK4表達(dá)調(diào)控和相互作用的復(fù)雜性,藥物、炎癥通路和代謝通路的相互影響對生物學(xué)行為或許有不同的結(jié)局,值得進(jìn)一步深入研究。PDK4可以受很多上游調(diào)控因子調(diào)控, 如miR-129-5p可靶向抑制PDK4表達(dá)[29],砷暴露通過誘導(dǎo)組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶G9a和增加組蛋白H3賴氨酸9(H3K9)二甲基化和三甲基化水平(H3K9me2/3)來降低PDK4的表達(dá)[30]。在調(diào)控PDK4引起的下游機(jī)制方面,觀察到PDK4缺乏可通過E2F1介導(dǎo)的細(xì)胞周期蛋白增加加速肝癌細(xì)胞增殖[25]。另外,有研究發(fā)現(xiàn)PDK4可通過直接蛋白質(zhì)結(jié)合將p65保留在細(xì)胞質(zhì)中,促進(jìn)p65與TNF啟動(dòng)子結(jié)合,激活腫瘤壞死因子-腫瘤壞死因子受體1(TNF-TNFR1)凋亡途徑[26]。代謝產(chǎn)物方面,有研究發(fā)現(xiàn)PDK4基因敲除不影響肝癌細(xì)胞的氧化磷酸化和糖酵解能力,而是增加了關(guān)鍵的脂肪生成酶,最終誘導(dǎo)脂肪生成[18]。但更為有趣的是有研究在實(shí)驗(yàn)中觀察到了PDK4引起的糖酵解變化[29,31]。

值得關(guān)注的是,由于細(xì)胞快速增殖的能量需求,即使在有氧條件下,腫瘤細(xì)胞也會(huì)通過糖酵解將葡萄糖分解成乳酸鹽,稱為沃伯格(Warburg)效應(yīng)。這就是為什么糖酵解在腫瘤細(xì)胞代謝中特別重要的原因之一[32]。 據(jù)報(bào)道,PDK4介導(dǎo)的Warburg效應(yīng)樣代謝改變影響肝細(xì)胞癌和膀胱癌等[33]腫瘤的生長[34]。PDK4在HCC發(fā)展過程中起著糖酵解的積極調(diào)節(jié)劑的作用,在肝糖酵解中代償性增強(qiáng),這與PDK4在糖酵解中的抑制作用一致[35]。有研究表明m6A可通過誘導(dǎo)PDK4調(diào)節(jié)肝癌細(xì)胞的糖酵解[31];另外,有研究認(rèn)為miR-122通過靶向PDK4調(diào)節(jié)CD133+肝細(xì)胞癌干細(xì)胞中的活性糖酵解代謝[36]?？梢?PDK4在細(xì)胞能量代謝及肝癌等腫瘤疾病中發(fā)揮了重要作用,可能成為未來預(yù)防肝細(xì)胞癌治療新策略的潛在靶點(diǎn)。

4 小結(jié)與展望

近年來對PDK4在腫瘤領(lǐng)域的研究取得了一定的進(jìn)展,本文主要針對PDK4在肝細(xì)胞癌的研究進(jìn)行綜述,結(jié)果發(fā)現(xiàn)PDK4在HCC組織中下調(diào),其下調(diào)可以預(yù)測HCC患者的不良預(yù)后。此外,PDK4在HCC細(xì)胞能量代謝中發(fā)揮重要作用,但其表達(dá)調(diào)控受到多種信號(hào)調(diào)控機(jī)制影響。因此,更詳細(xì)的作用機(jī)制在未來值得探索。