羥酰輔酶A脫氫酶在癌中作用機(jī)制的研究進(jìn)展

吳國(guó)嘏，翟書杰，孫 笑，黃怡然，李詠梅，孫 麗

1.天津醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 病原生物學(xué)系，天津 300211；2.天津醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院 婦產(chǎn)科，天津 300070

脂代謝紊亂和癌的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[1-4]。其中脂肪酸β-氧化代謝產(chǎn)生的短鏈、中長(zhǎng)鏈脂肪酸在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞通路調(diào)控等方面都有著重要作用,且代謝產(chǎn)生的游離脂肪酸(free fatty acids, FFAs)是腫瘤微環(huán)境(tumor microenvironment, TME)的重要構(gòu)成組分。脂肪酸β-氧化紊亂可促進(jìn)癌細(xì)胞增殖、轉(zhuǎn)移及免疫逃逸[2]。完整的脂肪酸β-氧化由4種關(guān)鍵酶催化,其中羥酰輔酶 A脫氫酶(hydroxyacyl-coenzyme A dehydrogenase,HADH)在脂肪酸代謝與癌的關(guān)系方面已受到較多關(guān)注。

1 HADH簡(jiǎn)介

HADH主要存在于線粒體基質(zhì)中,在β-氧化反應(yīng)鏈的第3步中發(fā)揮催化作用,將L-3-羥乙酰-CoA的羥基氧化為酮基,同時(shí)還原NAD+為NADH。HADH對(duì)C4至C6長(zhǎng)度的脂肪酸催化活性最高[3]。此外,HADH還間接參與調(diào)控氨基酸、糖類等物質(zhì)代謝[1]。

細(xì)胞內(nèi)HADH的基因表達(dá)水平與酶活性水平受到包括轉(zhuǎn)錄調(diào)控[4-5]、微RNA(microRNA,miRNA)調(diào)控[6]和蛋白乙?；揎梉3]等在內(nèi)的諸多調(diào)控。其中,轉(zhuǎn)錄因子叉頭盒蛋白A2(forkhead box A2, FOXA2)可以上調(diào)HADH的表達(dá),影響小鼠胰島β細(xì)胞功能和分化[5];溴結(jié)構(gòu)域蛋白4 (bromodomain containing 4, BRD4)和高遷移率族蛋白2(high mobility group box, HMGB2)可在HADH啟動(dòng)子區(qū)形成超級(jí)增強(qiáng)子,影響HADH轉(zhuǎn)錄活性[4];微RNA(miRNA) rs221347作用于HADH mRNA,有效下調(diào)HADH表達(dá)水平[6];HADH隨著功能不斷成熟而呈高度乙?；?在小鼠心肌細(xì)胞中,HADH賴氨酸乙?；竺富钚栽黾覽3]。由于人類細(xì)胞內(nèi)乙?；饕w是乙酰輔酶A,故HADH的酶活性與胞內(nèi)乙酰輔酶A水平、乙酰化酶活性以及去乙?；富钚悦芮邢嚓P(guān)。然而目前HADH在癌中的作用機(jī)制尚不明確。

2 HADH在多種癌中的作用

HADH在胃癌(gastric cancer, GC)[7]、腎透明細(xì)胞癌(kidney clear cell carcinoma, KIRC)[8]、肝細(xì)胞癌(hepatocellular carcinoma, HCC)[9]、乳腺癌(breast cancer, BRCA)[10]等癌中表現(xiàn)為抑癌作用,但在急性髓系白血病(acute myeloid leukemia, LAML)[11]、結(jié)腸癌(colon cancer, COAD)[12]等癌中卻表現(xiàn)為促癌作用。HADH與多種蛋白存在相互作用[1,3,5],且該酶功能紊亂直接或間接影響脂代謝、氨基酸代謝和糖代謝,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)相關(guān)產(chǎn)物濃度失衡。以上因素使HADH直接或間接參與調(diào)控多種細(xì)胞信號(hào)通路,影響癌細(xì)胞增殖、凋亡、血管形成、侵襲與轉(zhuǎn)移、能量代謝、炎性反應(yīng)和免疫逃逸等過程[1, 4-13]。

2.1 HADH經(jīng)PPAR通路作用于癌細(xì)胞

HCC細(xì)胞中HADH可激活過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferators-activated receptors,PPAR)通路,但具體機(jī)制尚不清楚[9]。當(dāng)PPAR信號(hào)通路受到抑制時(shí),細(xì)胞對(duì)脂肪酸的攝取增加[13],而HCC細(xì)胞中HADH表達(dá)下調(diào),阻礙胞內(nèi)脂肪酸β-氧化,兩者協(xié)同加劇內(nèi)源性脂肪酸堆積。實(shí)驗(yàn)證明缺失PPARα的小鼠胃黏膜出現(xiàn)更為嚴(yán)重的組織學(xué)損傷及炎性浸潤(rùn),血中和胃組織中的炎性因子如腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、白細(xì)胞介素-1及細(xì)胞間黏附分子1的轉(zhuǎn)錄和釋放增多,其機(jī)制可能與PPARα的缺失引起胃內(nèi)NF-κB信號(hào)通路激活有關(guān)[14],而長(zhǎng)期慢性胃黏膜損傷是GC誘因之一。結(jié)直腸癌中PPAR通路抑制劑可通過改變癌細(xì)胞的代謝,包括提高脂肪酸氧化、降低葡萄糖攝取水平,從而減少癌細(xì)胞的ATP供應(yīng),促進(jìn)癌細(xì)胞死亡[13]。

2.2 HADH經(jīng)TNF-α通路作用于癌細(xì)胞

KIRC細(xì)胞中,HADH表達(dá)下調(diào)可促進(jìn)活性氧(reactive oxygen species, ROS)的生成,激活TNF-α通路[8]。HADH表達(dá)下調(diào)導(dǎo)致脂肪酸β-氧化減少,細(xì)胞內(nèi)FFAs濃度增高。一方面,高濃度的FFAs可阻礙還原谷胱甘肽生成,從而降低細(xì)胞抗氧化能力;另一方面,FFAs導(dǎo)致線粒體呼吸鏈電子傳遞功能障礙,增加ROS產(chǎn)生,且FFAs與ROS反應(yīng)產(chǎn)生呼吸鏈抑制劑,破壞線粒體生物氧化過程,使FFAs在線粒體沉積,形成惡性循環(huán)[3-4]。TNF-α通路可調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞免疫浸潤(rùn),促進(jìn)癌細(xì)胞增殖和遷移[8,15-16]。TNF-α與TNF受體1(TNF receptor 1,TNFR1) 結(jié)合后,TNFR1募集受體相互作用蛋白激酶1、腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子2、細(xì)胞抑制凋亡蛋白1和細(xì)胞抑制凋亡蛋白2,形成復(fù)合物I,復(fù)合物I促進(jìn)I-κB激酶磷酸化和NF-κB活化,從而增加炎性因子和免疫相關(guān)基因表達(dá),促進(jìn)COAD細(xì)胞增殖[16]。此外,TNF-α可誘導(dǎo)髓系抑制細(xì)胞(myeloid-derived suppressor cells, MDSCs)等炎性細(xì)胞浸潤(rùn),增強(qiáng)免疫抑制,利于GC細(xì)胞存活[15]。

2.3 HADH經(jīng)JAK-STAT3通路作用于癌細(xì)胞

白細(xì)胞介素-6(interleukin-6, IL-6)可激活酪氨酸激酶(Janus kinase, JAK)/信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3, STAT3)信號(hào)通路[17]。KIRC細(xì)胞中,HADH下調(diào)可能刺激IL-6分泌,增加ROS產(chǎn)生,從而激活JAK-STAT3通路,導(dǎo)致患者不良預(yù)后[8]。在GC細(xì)胞中,過度激活的JAK-STAT3通路可促進(jìn)細(xì)胞增殖和侵襲,抑制細(xì)胞凋亡,促進(jìn)上皮細(xì)胞-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition, EMT),并增強(qiáng)細(xì)胞耐藥性[18]。Bax和Bcl-2作為JAK2-STAT3信號(hào)通路的下游因子,在JAK2-STAT3信號(hào)通路過度激活后會(huì)形成一個(gè)凋亡調(diào)節(jié)系統(tǒng),該系統(tǒng)利于GC細(xì)胞增殖與存活,抑制GC細(xì)胞凋亡和炎性反應(yīng)[19]。此外,在甲狀腺癌細(xì)胞中,激活的JAK-STAT3通路還與NF-κB通路協(xié)同調(diào)控腫瘤干細(xì)胞(cancer stem cell, CSC)的生存能力[20]。這一通路還可影響TME中白細(xì)胞和間質(zhì)細(xì)胞分布,增強(qiáng)癌細(xì)胞免疫逃逸能力[18,20]。

2.4 HADH經(jīng)PI3K/Akt信號(hào)通路作用于癌細(xì)胞

HADH下調(diào)阻礙脂肪酸β-氧化,導(dǎo)致脂肪酸積累,從而抑制磷酸酶與張力蛋白同源物(phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten, PTEN)轉(zhuǎn)錄,而PTEN可抑制PI3K/Akt信號(hào)通路[7]。研究表明,在GC細(xì)胞中敲除HADH后,p-Akt表達(dá)增加,GC細(xì)胞的遷移和侵襲能力明顯增強(qiáng),而PI3K抑制劑LY294002可消除p-Akt上調(diào),挽救下調(diào)HADH后增強(qiáng)的細(xì)胞遷移和侵襲能力。反之HADH過表達(dá)抑制GC細(xì)胞的遷移和侵襲。實(shí)驗(yàn)說明HADH下調(diào)可激活PI3K/Akt信號(hào)通路并促進(jìn)GC細(xì)胞的增殖、遷移和侵襲[7]。PI3K/Akt通路從多方面起促癌作用。在細(xì)胞增殖方面,PI3K/Akt通路被激活后,其下游靶點(diǎn)雷帕霉素靶蛋白(mech-anistic target of rapamycin kinase, mTOR),尤其是mTOR復(fù)合物1(mTOR complex 1, mTORC1),通過調(diào)控S6激酶1和4E結(jié)合蛋白1等下游效應(yīng)蛋白的磷酸化來控制乳腺癌細(xì)胞增殖[21]。在自噬方面,PI3K/Akt通路失調(diào)可以觸發(fā)自噬,使乳腺癌細(xì)胞適應(yīng)低營(yíng)養(yǎng)環(huán)境,利于其增殖[22]。mTOR是自噬抑制劑,mTORC1通過抑制未磷酸化的、低磷酸化的自噬相關(guān)蛋白激酶1和轉(zhuǎn)錄因子EB等自噬調(diào)節(jié)蛋白的磷酸化來抑制自噬,故抑制PI3K/Akt通路可促BRCA細(xì)胞自噬[22]。此外,在血管生成方面,腎細(xì)胞癌細(xì)胞中PI3K/Akt通路通過激活VEGF受體2、低氧誘導(dǎo)因子1α和mTOR促進(jìn)VEGF信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),刺激新血管形成[23]。

2.5 HADH經(jīng)IFN-γ通路作用于癌細(xì)胞

KIRC細(xì)胞中,HADH可激活γ干擾素(interferon-γ, IFN-γ)信號(hào)通路,改變腫瘤細(xì)胞免疫浸潤(rùn)水平,但具體機(jī)制尚不明確[8]。IFN-γ激活狀態(tài)下,M2巨噬細(xì)胞、幼稚B細(xì)胞、肥大細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞等的免疫浸潤(rùn)水平與HADH表達(dá)呈正相關(guān),而濾泡輔助T細(xì)胞、漿細(xì)胞、調(diào)節(jié)性T細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的數(shù)量與HADH表達(dá)呈負(fù)相關(guān),這提示HADH表達(dá)下調(diào)激活I(lǐng)FN-γ通路,降低機(jī)體對(duì)癌細(xì)胞的免疫殺傷能力。此外,IFN-γ可以誘導(dǎo)癌細(xì)胞表達(dá)程序性死亡受體配體1,使其逃避免疫監(jiān)測(cè)[8]。

2.6 HADH經(jīng)MAPK通路作用于癌細(xì)胞

HADH下調(diào)可激活絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK),并與MAPK通路中的3條分支:細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellular-signalregulated protein kinase, ERK)分支、c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal protein kainse, JNK)分支和P38絲裂原活化蛋白激酶分支[9]相關(guān)。在ERK分支中Ras蛋白被激活,進(jìn)而激活Raf,MAPK激酶和ERK蛋白,促進(jìn)膀胱癌細(xì)胞增殖和分化[24]。Ras還可激活A(yù)kt激酶,進(jìn)而激活PI3K/Akt/mTOR通路,提高細(xì)胞增殖能力和葡萄糖代謝水平[9,24]。此外,激活的Ras可上調(diào)NF-κB,誘導(dǎo)炎性因子(如腫瘤壞死因子α、白細(xì)胞介素-1β)表達(dá),通過維持炎性微環(huán)境,促進(jìn)細(xì)胞增殖、侵襲,增強(qiáng)細(xì)胞抗凋亡能力[9,24]。MAPK通路的p38和JNK分支在炎性狀態(tài)被激活,使多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子和細(xì)胞周期調(diào)控蛋白磷酸化,如c-Jun、c-Fos和BCL2家族蛋白等,從而促進(jìn)癌細(xì)胞增殖、抑制凋亡、促進(jìn)細(xì)胞遷移和侵襲[24]。

2.7 HADH經(jīng)非經(jīng)典Wnt通路作用于癌細(xì)胞

COAD細(xì)胞中,HADH與結(jié)腸癌惡性程度密切相關(guān)。HADH作為非經(jīng)典Wnt通路靶基因,參與激活非經(jīng)典Wnt信號(hào)通路,并受Wnt5a, Wntless, 受體酪氨酸激酶樣孤兒受體2, Dishevelled 2, 激活轉(zhuǎn)錄因子2和激活轉(zhuǎn)錄因子4的調(diào)控,參與癌細(xì)胞增殖和遷移過程[12]。Wnt蛋白家族成員Wnt5a與細(xì)胞膜受體Frizzled結(jié)合,激活蛋白激酶C(protein kinase C, PKC)和磷脂酶C,影響膠質(zhì)瘤細(xì)胞增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移[25]。PKC激活可導(dǎo)致鈣離子(Ca2+)釋放和核因子AT核轉(zhuǎn)位,從而調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄[25]。此外,非經(jīng)典Wnt信號(hào)通路的激活與T淋巴細(xì)胞浸潤(rùn)減少相關(guān),并通過PI3K/Akt通路提高乳腺癌細(xì)胞耐藥性,利于乳腺癌細(xì)胞增殖轉(zhuǎn)移[21-23]。

3 問題與展望

目前研究表明HADH在癌中具有一定作用,但研究方向多局限在脂質(zhì)代謝方面,應(yīng)予以拓展。第一:HADH與文中提及多種信號(hào)通路存在關(guān)聯(lián),但現(xiàn)有研究多停留在HADH與通路相關(guān)基因共表達(dá)層面,尚未對(duì)其間的深入聯(lián)系做出探索,例如HADH與通路中關(guān)鍵蛋白之間是否存在直接物化作用,是否存在中間通路或蛋白分子,是否可建立起完整的上下游通路等。第二:HADH在代謝層面間接影響細(xì)胞通路的闡述尚不明確。HADH作為脂肪酸代謝的關(guān)鍵酶,其代謝原料和產(chǎn)物在細(xì)胞內(nèi)的濃度變動(dòng)亦影響細(xì)胞生理活動(dòng),多數(shù)細(xì)胞信號(hào)通路變動(dòng)與此相關(guān),但尚未有研究具體指出何種小分子可產(chǎn)生上述效應(yīng)。第三: HADH對(duì)癌細(xì)胞的調(diào)控作用存在組織特異性,在不同癌中可有截然相反的表現(xiàn),目前尚無詳細(xì)的解釋?，F(xiàn)有研究中不同癌聚焦于不同的信號(hào)通路,而HADH是否在不同癌中通過同一特定信號(hào)通路產(chǎn)生相似作用尚待探索。此外,HADH是否調(diào)控更多種癌的發(fā)生發(fā)展,以及HADH是否與更多的信號(hào)通路、代謝機(jī)制有關(guān)系,均值得探索。第四:HADH在各癌中是否能在各種免疫調(diào)節(jié)劑的臨床試驗(yàn)和個(gè)體化治療中發(fā)揮作用還有待觀察,盡管HADH在癌組織中存在異常表達(dá)現(xiàn)象,但其在人體尿液和血液中的含量情況尚知之甚少,HADH能否作為可靠的癌標(biāo)志物還需要大量的研究證明。因此,對(duì)HADH在癌中作用機(jī)制值得進(jìn)一步研究。