O-GlcNAc糖基化修飾在惡性腫瘤中作用的研究進展

彭佳欣，張自輝，劉婧純，洪莉

武漢大學(xué)人民醫(yī)院婦產(chǎn)科，武漢430060

隨著人口老齡化加劇，惡性腫瘤的疾病負擔(dān)在全球范圍內(nèi)持續(xù)上升，惡性腫瘤的防控形勢非常嚴(yán)峻。因此，深入研究惡性腫瘤的發(fā)病機制，制定符合衛(wèi)生經(jīng)濟學(xué)要求的預(yù)防和控制策略仍是當(dāng)務(wù)之急［1］。蛋白質(zhì)翻譯后修飾是指翻譯后的蛋白質(zhì)以共價方式在氨基酸殘基上添加或移除特定基團，繼而改變蛋白質(zhì)構(gòu)象、定位、功能等的化學(xué)修飾過程。常見的蛋白質(zhì)翻譯后修飾有磷酸化、乙?；?、泛素化、甲基化和糖基化等［2］，這些修飾方式在諸多生命活動調(diào)控中扮演至關(guān)重要的角色。O連接N-乙酰氨基葡萄糖（O-GlcNAc）糖基化修飾是一種動態(tài)可逆的蛋白質(zhì)翻譯后單糖修飾，通過β-糖苷鍵將GlcNAc連接到蛋白質(zhì)的絲氨酸或蘇氨酸殘基上。O-GlcNAc糖基化修飾可在多個水平上調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)功能，如酶活性、能量代謝、亞細胞定位、分子間相互作用等，參與調(diào)控細胞內(nèi)多種重要的生物學(xué)過程［3］。近年研究發(fā)現(xiàn)，O-GlcNAc 糖基化修飾異常與多種疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)，如腫瘤、心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病和免疫系統(tǒng)疾病等［4］。有研究認為，O-GlcNAc糖基化修飾異常是腫瘤細胞的重要特征之一，可促進腫瘤細胞的增殖、侵襲和遷移等［5］。本文結(jié)合文獻就O-GlcNAc 糖基化修飾在惡性腫瘤中作用的研究進展作一綜述。

1 O-GlcNAc糖基化修飾概述

O-GlcNAc 糖基化修飾是將GlcNAc 以β-糖苷鍵形式共價連接到細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的絲氨酸或蘇氨酸殘基上的一種翻譯后修飾方式。正常情況下，細胞吸收的葡萄糖大部分進入糖酵解代謝途徑，但仍有3%～5%葡萄糖從糖酵解途徑分流到己糖胺生物合成途徑（HBP），糖酵解的中間產(chǎn)物果糖-6-磷酸在谷氨酰胺果糖-6-磷酸氨基轉(zhuǎn)移酶催化下轉(zhuǎn)化為6-磷酸葡萄糖胺，然后在脂肪酸代謝物乙酰輔酶A、核酸代謝物三磷酸尿苷等存在的情況下，合成HBP 的最終產(chǎn)物尿苷二磷酸-N-乙酰葡萄糖胺（UDP-GlcNAc）［6］。UDP-GlcNAc 作為糖基供體在O-GlcNAc 轉(zhuǎn)移酶（OGT）和O-GlcNAc 水解酶（OGA）的催化下參與細胞內(nèi)O-GlcNAc 糖基化修飾過程。OGT 是一種相對分子質(zhì)量為110 kD 的可溶性蛋白質(zhì)，對調(diào)控細胞的各種生物學(xué)過程至關(guān)重要。在OGT催化下，O-GlcNAc糖基化修飾以UDP-GlcNAc 為底物，將O-GlcNAc 連接到細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的絲氨酸或蘇氨酸殘基上［7］。OGA 是體內(nèi)唯一一個可從各種糖蛋白底物中水解O-GlcNAc 修飾的糖苷酶。OGA 通過催化O-GlcNAc糖苷鍵的裂解，從蛋白質(zhì)上移除GlcNAc，從而完成去糖基化修飾［8］。OGT 和OGA 共同作用、動態(tài)調(diào)控細胞內(nèi)蛋白質(zhì)O-GlcNAc糖基化和去糖基化修飾，通過影響轉(zhuǎn)錄翻譯、信號傳導(dǎo)、蛋白質(zhì)相互作用以及蛋白質(zhì)定位等生物學(xué)過程，從而維持細胞結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性［9］。

2 O-GlcNAc糖基化修飾在惡性腫瘤中的作用

越來越多證據(jù)表明，O-GlcNAc 糖基化修飾異常與腫瘤的惡性生物學(xué)行為和細胞代謝紊亂密切相關(guān)。O-GlcNAc 糖基化修飾異常不僅能促進腫瘤細胞惡性增殖、侵襲、遷移以及血管生成和免疫逃逸，增強干細胞特性和耐藥性，還能干擾細胞內(nèi)葡萄糖、脂質(zhì)和氨基酸代謝。

2.1 O-GlcNAc糖基化修飾促進腫瘤惡性生物學(xué)行為

2.1.1 促進腫瘤細胞惡性增殖 PI3K/AKT 信號通路是一條與細胞增殖和存活密切相關(guān)的信號通路。在許多腫瘤中，PI3K/AKT 信號通路被過度激活，從而導(dǎo)致腫瘤細胞異常增殖。據(jù)報道，在宮頸癌中，高水平的O-GlcNAc 糖基化修飾可激活PI3K/AKT 信號通路，促進AKT 磷酸化，從而驅(qū)動腫瘤細胞惡性增殖［10］。在卵巢癌中，O-GlcNAc 糖基化和c-Jun蛋白可形成正反饋回路，從而促進腫瘤細胞無限增殖，其機制與O-GlcNAc 糖基化的c-Jun 轉(zhuǎn)錄因子可引起原癌基因MUC1過表達有關(guān)［11］。O-GlcNAc糖基化修飾還可激活結(jié)腸癌細胞中PGK1 的Thr255位點，而O-GlcNAc 糖基化修飾的PGK1 可促進葡萄糖代謝，加速腫瘤細胞增殖。此外，PGK1 的Thr255位點O-GlcNAc 糖基化修飾可與PGK1 的Ser203 位點磷酸化協(xié)同作用，促進PGK1 易位至線粒體中，加速糖酵解進程，從而促進腫瘤細胞增殖［12］。O-GlcNAc 糖基化修飾還可通過影響細胞周期進程而調(diào)控細胞增殖。有研究表明，抑制肝癌細胞中OGT 表達和O-GlcNAc 糖基化修飾會導(dǎo)致細胞周期停滯，細胞停滯于G0/G1期，進而導(dǎo)致肝癌細胞增殖抑制［13］。O-GlcNAc 糖基化修飾水平增高亦可減少泛素化細胞周期蛋白D1（CCND1）積累，延遲其蛋白酶體水解，增強CCND1 穩(wěn)定性，進而調(diào)節(jié)細胞周期進程，促進腫瘤細胞惡性增殖［14］。由此可見，O-GlcNAc 糖基化修飾可通過激活增殖相關(guān)的信號通路和阻滯細胞周期進程，促進腫瘤細胞惡性增殖。

2.1.2 促進腫瘤細胞侵襲和遷移 上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）是腫瘤細胞侵襲和遷移的重要機制之一，由誘導(dǎo)信號、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子和下游效應(yīng)器驅(qū)動。TGF-β 信號通路可介導(dǎo)EMT 發(fā)生，而SMAD4 是TGF-β 信號通路的主要調(diào)節(jié)因子。有研究報道，O-GlcNAc 糖基化修飾可增強SMAD4 穩(wěn)定性，激活TGF-β 信號通路，誘導(dǎo)EMT 發(fā)生，從而促進腫瘤細胞的侵襲和遷移［15］。在結(jié)直腸癌中，轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)中OGT和O-GlcNAc糖基化修飾顯著增加，OGT可通過促進O-GlcNAc 糖基化修飾，增強EZH2 穩(wěn)定性，從而促進腫瘤細胞的侵襲和遷移［16］。在肝癌中，賴氨酸乙酰轉(zhuǎn)移酶5（KAT5）的O-GlcNAc 糖基化修飾對腫瘤細胞的侵襲和遷移至關(guān)重要，抑制OGT 或降低KAT5 表達能夠顯著抑制肝癌細胞的侵襲和遷移［17］。以上研究表明，O-GlcNAc 糖基化修飾可通過促進EMT 或激活侵襲、遷移相關(guān)基因的表達，發(fā)揮促進腫瘤細胞侵襲和遷移的作用。

2.1.3 促進腫瘤新生血管生成 O-GlcNAc 糖基化修飾水平升高可促進Ang-2分泌，而Ang-2是一種促進血管生成的細胞因子，能夠促進血管內(nèi)皮細胞增殖和遷移，刺激新生血管生成［18］。因此，O-GlcNAc糖基化修飾水平升高可刺激腫瘤組織新生血管生成，為腫瘤生長提供適宜的微環(huán)境?；|(zhì)金屬蛋白酶家族（MMPs）在血管生成中亦發(fā)揮著重要作用［19］。有研究表明，O-GlcNAc 糖基化修飾可上調(diào)MMP1、MMP2 和MMP3 表達，增強血管通透性，從而促進腫瘤細胞遷移［20］。另有研究發(fā)現(xiàn)，O-GlcNAc 糖基化修飾還可通過抑制NF-κB p65 特定位點的磷酸化，減少血管內(nèi)皮細胞中炎癥因子釋放，促進損傷血管內(nèi)皮的修復(fù)［21］。

2.1.4 促進腫瘤干細胞特性 在乳腺癌中，OGT和O-GlcNAc 糖基化修飾水平升高可導(dǎo)致腫瘤干細胞樣細胞增加，而抑制OGT 和O-GlcNAc 糖基化修飾則可減少腫瘤干細胞樣細胞并降低參與促進自我更新的轉(zhuǎn)錄因子表達［22］。除了直接調(diào)控腫瘤干細胞樣細胞特性外，OGT和O-GlcNAc糖基化修飾還可通過調(diào)節(jié)其他因子的表達和活性，誘導(dǎo)腫瘤干細胞樣細胞特性。MYBL1 在多種實體腫瘤中扮演原癌基因的角色，腫瘤干細胞樣細胞受MYBL1 負性調(diào)控。在結(jié)腸癌中，MYBL1 是O-GlcNAc 調(diào)控的靶標(biāo)，OGT可通過O-GlcNAc 糖基化修飾增強MYBL1 啟動子中CpG 島的甲基化，從而降低MYBL1 活性，限制MYBL1 依賴性基因轉(zhuǎn)錄，抑制MYBL1 蛋白表達，進而調(diào)控腫瘤生長［23］。此外，許多干細胞因子可直接被O-GlcNAc 糖基化修飾，這可能有助于O-GlcNAc調(diào)控腫瘤干細胞樣細胞。SOX2 是一種重要的干細胞因子，在胰腺癌細胞中可被OGT 直接修飾，從而保護SOX2 免于被降解，增強胰腺癌細胞的自我更新能力［24］。這些研究表明，O-GlcNAc 糖基化修飾在調(diào)控腫瘤干細胞樣細胞方面具有不可或缺的作用。

2.1.5 介導(dǎo)腫瘤細胞耐藥性 在乳腺癌中，叉頭框蛋白A1（FOXA1）的O-GlcNAc 糖基化修飾水平升高可增強FOXA1穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致與促凋亡蛋白Bcl-2相互作用的細胞死亡介質(zhì)下調(diào)，最終促進硼替佐米的耐藥性；進一步研究發(fā)現(xiàn)，OGT 抑制劑聯(lián)合硼替佐米能夠誘導(dǎo)乳腺癌細胞凋亡［25］。此外，有研究證實，O-GlcNAc 糖基化修飾水平升高可誘導(dǎo)異種移植腫瘤對輻射的耐受力，而抑制OGT則會損害DNA雙鏈斷裂修復(fù)并抑制腫瘤生長［26］。另有研究表明，在骨肉瘤中抑制OGT 表達可減少RAD52 依賴性同源重組介導(dǎo)的DNA 雙鏈斷裂修復(fù)，最終導(dǎo)致細胞周期停滯和細胞增殖抑制［27］。由此可見，O-GlcNAc 糖基化修飾可通過參與調(diào)控細胞凋亡和DNA 損傷修復(fù)進而介導(dǎo)腫瘤細胞耐藥性。

2.1.6 促進腫瘤細胞免疫逃逸 O-GlcNAc 糖基化修飾改變能夠顯著影響腫瘤微環(huán)境（TME）和相關(guān)免疫反應(yīng)［28］。有研究表明，O-GlcNAc 糖基化修飾可促進巨噬細胞向M2型極化，并修飾STAT3上的Thr717位點。這些變化可促進炎癥微環(huán)境形成，同時抑制免疫應(yīng)答，導(dǎo)致腫瘤細胞增殖加速［29］。O-GlcNAc 糖基化修飾水平升高還可激活I(lǐng)L-6/STAT3 信號通路，促進腫瘤細胞侵襲和遷移，同時抑制樹突狀細胞抗原呈遞和下調(diào)IFN-γ/CXCR3/CXCL10 反應(yīng)軸，抑制CD8+T 細胞在腫瘤細胞中的積累，從而削弱細胞免疫并幫助腫瘤細胞免疫逃逸［30］。然而，O-GlcNAc 糖基化修飾在TME 和腫瘤免疫反應(yīng)中作用的研究報道較少，其具體機制有待于進一步研究。

2.2 O-GlcNAc糖基化修飾介導(dǎo)細胞代謝紊亂

2.2.1 介導(dǎo)糖代謝紊亂 Warburg 效應(yīng)是指腫瘤細胞即使在氧氣充足的情況下仍然優(yōu)先選擇通過糖酵解而不是三羧酸循環(huán)獲取能量［31］。在乳腺癌中，OGT 和O-GlcNAc 糖基化修飾可抑制腫瘤細胞糖酵解［32］，表明OGT 和O-GlcNAc 糖基化修飾對糖酵解具有潛在的調(diào)節(jié)作用。有研究報道，O-GlcNAc糖基化修飾可顯著提高缺氧誘導(dǎo)因子1α 的穩(wěn)定性，促進細胞代謝過程向Warburg 效應(yīng)轉(zhuǎn)變，從而促進肝細胞癌進展［33］。糖酵解過程中的M2 型丙酮酸激酶（PKM2）是OGT 和O-GlcNAc 的靶標(biāo)。PKM2 的Thr405 和Ser406 處O-GlcNAc 糖基化修飾可增強PKM2 寡聚化及其活性，從而增強糖酵解［34］。O-GlcNAc 糖基化修飾在糖原合成和分解代謝過程中亦可發(fā)揮重要作用。在缺氧環(huán)境中，O-GlcNAc 糖基化修飾可正向調(diào)節(jié)肝糖原磷酸化酶（PYGL）活性，PYGL的Ser430處O-GlcNAc糖基化修飾水平升高可促進糖原分解，提高葡萄糖水平，以適應(yīng)缺氧環(huán)境，從而促進腫瘤細胞生長［35］。由此可見，O-GlcNAc 糖基化修飾在糖酵解過程中發(fā)揮重要作用。

2.2.2 介導(dǎo)脂質(zhì)代謝紊亂 在脂質(zhì)代謝中，長鏈?；o酶A 合成酶4（ACSL4）是甘油三酯合成和脂肪酸β 氧化的關(guān)鍵酶。有研究發(fā)現(xiàn)，ACSL4 在多種惡性腫瘤細胞中高表達，并可促進腫瘤生長［36］。究其原因，ACSL4和O-GlcNAc 糖基化修飾的作用相互促進，進一步促進腫瘤細胞增殖并抑制其凋亡。在宮頸癌中，O-GlcNAc 糖基化修飾可增強脂肪酸合酶（FASN）活性，導(dǎo)致脂肪酸合成增加，而脂肪酸增加有助于饑餓條件下O-GlcNAc 糖基化修飾對腫瘤細胞的保護作用；此外，O-GlcNAc 糖基化修飾和FASN的雙重抑制作用在體外可協(xié)同誘導(dǎo)腫瘤細胞凋亡［37］。甾醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1（SREBP-1）是脂肪酸、膽固醇和磷脂等脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)的重要調(diào)節(jié)因子。雖然SREBP-1 不能被OGT 直接修飾，但OGT 的耗竭可增加SREBP-1 與E3 泛素連接酶FBW7 的相互作用，最終降低SREBP-1 水平及其轉(zhuǎn)錄靶標(biāo)FASN 水平［38］，提示OGT 和O-GlcNAc 可間接調(diào)控SREBP-1穩(wěn)定性，最終介導(dǎo)脂肪酸代謝紊亂。

2.2.3 介導(dǎo)氨基酸代謝紊亂 谷氨酰胺合成酶（GLUL）是谷氨酰胺合成的關(guān)鍵酶。GLUL 缺失的胰腺癌細胞O-GlcNAc糖基化修飾水平降低，其增殖速率降低；OGT 抑制劑可抑制GLUL 表達，并抑制腫瘤細胞增殖［39］。這表明OGT 和O-GlcNAc 糖基化修飾在谷氨酰胺代謝調(diào)控腫瘤細胞增殖過程中發(fā)揮重要作用。在結(jié)腸癌中，OGT和O-GlcNAc糖基化修飾水平升高會導(dǎo)致谷氨酰胺轉(zhuǎn)運蛋白SLC1A5、SLC38A2表達升高，進而增加對谷氨酰胺的攝??；進一步研究發(fā)現(xiàn)，細胞遷移誘導(dǎo)透明質(zhì)酸結(jié)合蛋白與OGT 和β-catenin 的相互作用，可導(dǎo)致β-catenin 的O-GlcNAc 糖基化修飾水平升高并增強其核易位，從而促進SLC1A5 和SLC38A2 過表達，誘導(dǎo)結(jié)腸癌細胞侵襲和遷移［40］。此外，在前列腺癌中，抑制OGT會增加丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶2 表達，進而抑制腫瘤細胞增殖［41］。以上研究表明，O-GlcNAc 糖基化修飾與谷氨酰胺、丙氨酸代謝有著密切聯(lián)系，但其機制尚不完全清楚，還需進一步研究。

綜上所述，O-GlcNAc 糖基化修飾是一種動態(tài)可逆的蛋白質(zhì)翻譯后單糖修飾，對維持正常的細胞功能至關(guān)重要，該修飾異常是腫瘤細胞的重要特征之一，不僅能促進腫瘤細胞惡性增殖、侵襲、遷移以及血管生成和免疫逃逸，增強干細胞特性和耐藥性，還能干擾細胞內(nèi)葡萄糖、脂質(zhì)和氨基酸代謝。但目前O-GlcNAc 糖基化修飾在惡性腫瘤中的確切作用機制尚不完全清楚，還有待于進一步研究。