唯BH3域蛋白在腫瘤治療中的研究進展

姚鍇 綜述 戴德 審校

(廣東醫學院，廣東 湛江 524023)

唯BH3域蛋白在腫瘤治療中的研究進展

姚鍇 綜述 戴德 審校

(廣東醫學院，廣東 湛江 524023)

唯BH3域蛋白作為Bcl-2蛋白家族的一大亞類，通過抑制Bcl-2抗凋亡蛋白和(或)激活Bcl-2促凋亡蛋白，在調節細胞凋亡的過程中起著極其重要的作用。許多癌癥中編碼唯BH3域蛋白的基因發生嚴重突變，而且在小鼠中敲除這些基因后可誘導腫瘤的發生，這提示唯BH3域蛋白可作為腫瘤抑制劑。唯BH3域模擬物正發展為新型小分子靶向抗癌藥物，這可能有助于為腫瘤設計更好的治療策略。

唯BH3域蛋白；細胞凋亡；腫瘤治療

Bcl-2蛋白家族根據所含其特有的Bcl-2同源結構域(BH)和功能不同分成三類：(1)抗凋亡蛋白，包括BCL-2、BCL-XL、BCL-W、MCL-1和A1，擁有四個BH域(BH1～BH4)。(2)促凋亡蛋白，與抗凋亡蛋白有相似的序列和結構，包括BAX、BAK(BOK)，擁有三個BH域(BH1～BH3)。(3)唯BH3域蛋白(BH3-only proteins)，僅含有一個BH3結構域，包括BIM、PUMA、NOXA、BID、BMF、BAD、BIK和HRK。Bcl-2家族的抗調亡蛋白與促調亡蛋白的相互作用決定著細胞的生死平衡，而這種平衡被唯BH3域蛋白所調控。許多抗腫瘤藥物的機制正是通過調節唯BH3域蛋白的表達誘導腫瘤細胞凋亡及增加其敏感性，BH3模擬物(BH3 mimetic)還可以直接作用于Bcl-2抗凋亡蛋白或促凋亡蛋白，有選擇性、高效的誘導腫瘤細胞凋亡。本文主要就唯BH3域蛋白在腫瘤治療中的研究進展作一綜述。

1 唯BH3域蛋白與Bcl-2家族其他成員在凋亡中的關系

唯BH3域蛋白可通過BH3域兩性的a螺旋分子團與Bcl-2抗凋亡蛋白表面疏水凹槽相結合，以拮抗其抗凋亡功能。不同唯BH3域蛋白對不同Bcl-2抗凋亡蛋白具有不同的親和力，它們的結合模式可分為“混雜模式”和“選擇模式”[1]。“混雜模式”：如BIM、tBID(BID的活化狀態)和PUMA可高親和力結合所有Bcl-2抗凋亡蛋白；“選擇模式”：如BAD只高親和力結合BCL-2、BCL-XL和BCL-W；NOXA只高親和力結合MCL-1和A1。前者單一蛋白的表達對細胞具有強烈的殺傷性，后者多種蛋白的共表達具有互補特異性，使得兩種結合模式對細胞的殺傷性相當[2]。這提示在一個特定細胞內，高效的凋亡往往需要抑制所有Bcl-2抗凋亡蛋白的表達。

唯BH3域蛋白可激活BAX/BAK促凋亡蛋白，使其在線粒體外膜上形成寡聚物，引起細胞凋亡。目前提出了兩種激活的模型，“直接活化”模型提出，某些唯BH3域蛋白為“活化劑”，如BIM、tBID及PUMA，能夠瞬間低親和力結合BAX/BAK，促發其構象變化并隨后在線粒體外膜寡聚化[3]。最新研究顯示NOXA也可作為“活化劑”[4]。該模式稱其他唯BH3域蛋白為“敏化劑”，它們只結合Bcl-2抗凋亡蛋白，以釋放復合體中的“活化劑”唯BH3域蛋白去活化BAX/BAK。“間接活化”模型[5]設想所有唯BH3蛋白的主要作用是與Bcl-2抗凋亡蛋白結合，以阻止后者結合任何活化的BAK/BAX蛋白。此模式認為BAX/BAK蛋白的活化是自身構象變化的結果，這種構象會催化自身同源寡聚化。但有研究稱這兩種模式并不是相互獨立的，在造血細胞的凋亡中這兩種模式可能是平行發生的[6]。

2 唯BH3域蛋白在腫瘤中的表達

在許多腫瘤中編碼唯BH3域蛋白的基因出現嚴重突變。Beroukhim等[7]對3 131個腫瘤標本使用高分辨率人類基因組變異分析后發現Puma基因丟失。腎癌細胞可通過DNA甲基化的方式抑制了Bik和Bim基因的表達。董偉等[8]對40例胃癌組織研究后發現胃癌中BAD和NOXA蛋白陽性表達率明顯低于癌旁組。這都提示唯BH3域蛋白可能是抑制腫瘤發生發展的重要因素。

動物實驗表明敲除編碼唯BH3域蛋白的基因可導致小鼠腫瘤的發生。在Eμ-Myc小鼠中敲除Puma基因后可加速其B淋巴瘤的形成，而Noxa基因的缺失可加速其γ射線誘導的胸腺淋巴瘤的形成[9]。在小鼠體內敲除了Bim基因可通過Ras突變的機制加速誘導腎癌的發生[10]。

3 唯BH3域蛋白在腫瘤藥物中的作用

唯BH3域蛋白與腫瘤發生發展的密切關系使其在某些抗腫瘤藥物殺死腫瘤中起著關鍵性的作用。Happo等[11]在小鼠模型中發現DNA損傷藥物有效的殺死MYC驅動的淋巴瘤需要PUMA、NOXA和BIM的表達。有研究指出BIM和PUMA在糖皮質激素誘導腫瘤凋亡中是必須存在的[12]。在表皮生長因子受體突變的非小細胞肺癌中，表皮生長因子受體酪氨酸激酶抑制劑通過上調BIM誘導細胞凋亡[13]。

唯BH3域蛋白還與抗腫瘤藥物的耐藥性密切相關，可增強腫瘤對藥物的敏感性。化療藥物體外誘導肝癌細胞產生耐藥性的過程中，BIM的mRNA和蛋白表達均下降，提示BIM的表達與人肝癌多藥耐藥的發生密切相關[14]。研究發現蛋白酶體抑制劑硼替佐米在腫瘤中通過誘導NOXA、BIM和BIK來發揮作用，BID則可增加硼替佐米的反應性[15]。而BID和BIM的表達上升，可明顯增強人類嗜T細胞病毒Ⅰ型相關的T細胞白血病細胞對腫瘤藥物的敏感性[16]。

4 BH3模擬物

BH3模擬物即唯BH3域蛋白小分子模擬物，能夠直接結合Bcl-2抗調亡蛋白并拮抗其抗凋亡功能，促使與其結合的促凋亡蛋白BAX/BAK的釋放，或者唯BH3蛋白的釋放，最終激活BAX/BAK蛋白，從而特異、廣譜、高效地誘導腫瘤細胞調亡，達到抗腫瘤的目的。以下介紹幾種主要的BH3模擬物。

4.1 ABT-737和ABT-263ABT-737是基于BAD的BH3域研發，可與BCL-2、BCL-XL和BCL-W高親和力結合，但不與MCL-1和A1發生反應，ABT-263為其口服活性衍生物。在臨床前試驗中[17]，ABT-737已作為單個藥物有效治療某些白血病和淋巴瘤，多發性骨髓瘤等，但對上皮細胞癌無效，ABT-263也顯示對慢性淋巴細胞白血病患者有療效。這兩者主要副作用是抑制BCL-XL所導致血小板減少。此外，高水平表達的MCL-1可使ABT-737產生耐藥性，這需要通過降低MCL-1的水平來克服。

4.2 GX15-070 GX15-070是一類多Bcl-2抗凋亡蛋白靶向性的吲哚類小分子化合物。臨床前試驗表明，GX15-070具有單一藥物活性，并且能增強了拉帕替尼對人乳腺癌細胞的毒性[18]。但GX15-070不是高特異BH3模擬物，而且在小鼠腫瘤模型中，GX15-070無法在體內維持有效的血藥濃度，加大劑量則會出現神經系統毒性[19]。

4.3 AT101(左旋棉酚)AT-101可與BCL-2、BCL-XL和MCL-1結合并抑制其活性，是第一個進入到臨床試驗期的BH3模擬物。AT101可有效聯合利妥昔單抗治療慢性淋巴細胞白血病并且能夠聯合多西他賽治療激素抵抗的前列腺癌，但患者在臨床試驗中出現較重的心臟毒性，限制了其進一步應用[20]。有學者在研發棉酚類似物阿樸棉酚，相對于AT101，后者具有更好的靶向性，擁有較低的系統毒性[21]。

4.4 UMI-77和S1 UMI-77和S1是新近研發的BH3模擬物，還未進入臨床試驗期。UMI-77是選擇性與MCL-1高親和力結合的BH3模擬物。Abulwerdi等[22]發現UMI-77和MCL-1的親和力遠遠高于其他Bcl-2抗凋亡蛋白，在體外細胞實驗和體內異種移植模型中均表現出對胰腺癌的抗腫瘤活性。這提示，UMI-77可作為一種以MCL-1為靶點的藥物治療MCL-1高表達的腫瘤。S1是一種苊并雜環類化合物，能夠高親和力結合BCL-2、BCL-XL和MCL-1，促使線粒體凋亡的發生。在肝癌和乳腺癌的體外實驗中，S1打斷BCL-2/BAX、MCL-1/BAK之間的相互作用促使線粒體凋亡途徑發生[23]。細胞生物學實驗證實，目前未發現S1有BCL-2家族蛋白以外的其他靶點，S1可能只通過線粒體調亡通路誘導細胞調亡，具有高特異性[24]。

5 小 結

腫瘤形成的重要原因是細胞凋亡機制的缺失，深入研究唯BH3域蛋白參與凋亡的具體機制，有助于進一步了解腫瘤的發生發展和尋找以唯BH3域蛋白為靶目標的治療策略。唯BH3域蛋白的表達與某些抗腫瘤藥物的耐藥機制密切相關，這為逆轉相關藥物耐藥性提供了思路。BH3模擬物不同于傳統放療和化療，而是通過干擾蛋白質相互間的作用，降低接受到死亡信號的癌細胞的程序性死亡的閾值起作用。理想的BH3模擬物應該同時具有多BH3模擬性和高特異性，尋找和改良BH3模擬物不僅需要增加其對Bcl-2抗凋亡蛋白的親和力而且要減少其帶來的系統毒性。BH3模擬物之間以及與傳統治療的聯合應用或許是一種更好的治療策略。因此，進一步研究唯BH3域蛋白作用機制、改良局限性及探索聯合用藥的可行性對BH3模擬物未來的臨床開發具有深遠意義。

[1] Ku B,Liang C,Jung JU,et al.Evidence that inhibition of BAX activation by BCL-2 involves its tight and preferential interaction with the BH3 domain of BAX[J].Cell Res,2011,21(4):627-641.

[2]Chen L,Willis SN,Wei A,et al.Differential targeting of pro-survival Bcl-2 proteins by their BH3-only ligands allows complementary apoptotic function[J].Mol Cell,2005,17(3):393-403.

[3]Chipuk JE,Moldoveanu T,Llambi F,et al.The BCL-2 family reunion[J].Mol Cell,2010,37(3):299-310.

[4]Dai H,Smith A,Meng XW,et al.Transient binding of an activator BH3 domain to the Bak BH3-binding groove initiates Bak oligomerization[J].J Cell Biol,2011,194(1):39-48.

[5]Strasser A,Cory S,Adams JM.Deciphering the rules of programmed cell death to improve therapy of cancer and other diseases[J].EMBO J, 2011,30(18):3667-3683.

[6]Merino D,Giam M,Hughes PD,et al.The role of BH3-only protein Bim extends beyond inhibiting Bcl-2-like prosurvival proteins[J].J Cell Biol,2009,186(3):355-362.

[7] Beroukhim R,Mermel CH,Porter D.The landscape of somatic copy-number alteration across human cancers[J].Nature,2010,463 (7283):899-905.

[8]董偉,魏志,孫自勤,等.凋亡蛋白Bad與Noxa在胃癌中表達及其與細胞凋亡的關系[J].中華實用診斷與治療雜志,2014,28(07): 636-640.

[9]Michalak EM,Vandenberg CJ,Delbridge AR,et al.Apoptosis-promoted tumorigenesis:gamma-irradiation-induced thymic lymphomagenesis requires Puma-driven leukocyte death[J].Genes Dev,2010, 24(15):1608-1613.

[10]Tan TT,Degenhardt K,Nelson DA,et al.Key roles of BIM-driven apoptosis in epithelial tumors and rational chemotherapy[J].Cancer Cell,2005,7(3):227-238.

[11]Happo L,Cragg MS,Phipson B,et al.Maximal killing of lymphoma cells by DNA-damage inducing therapy requires not only the p53 targets Puma and Noxa but also Bim[J].Blood,2010,116(24): 5256-5267

[12]Molitoris JK,McColl KS,Distelhorst CW.Glucocorticoid-mediated repression of the oncogenic microRNA cluster miR-17～92 contributes to the induction of Bim and initiation of apoptosis[J].Mol Endocrinol,2011,25(3):409-420.

[13]Nakagawa T,Takeuchi S,Yamada T,et al.EGFR-TKI resistance due to BIM polymorphism can be circumvented in combination with HDAC inhibition[J].Cancer Res,2013,73(8):2428-2434.

[14]閆峰,王效民,馬全明,等.Bim和細胞外調節蛋白在肝癌多藥耐藥細胞中的表達[J].南方醫科大學學報,2014,34(12):1838-1841.

[15]Fennell DA,Chacko A,Mutti L.BCL-2 family regulation by the 20 S proteasome inhibitor bortezomib[J].Oncogene,2008,27(9): 1189-1197.

[16]Mühleisen A,Giaisi M,K?hler R,et al.Tax contributes apoptosis resistance to HTLV-1 infected T cells via suppression of Bid and Bim expression[J].Cell Death Dis,2014,18(5):e1575.

[17]Gandhi L,Camidge DR,Ribeiro de Oliveira M,et al.Phase I study of Navitoclax(ABT-263),a novel Bcl-2 family inhibitor,in patients with small-cell lung cancer and other solid tumors[J].J Clin Oncol, 2011,29(7):909-916.

[18]Cruickshanks N,Tang Y,Booth L,et al.Lapatinib and obatoclax kill breast cancer cells through reactive oxygen species-dependent endoplasmic reticulum stress[J].Mol Pharmacol,2012,82(6):1217-1229.

[19]Trudel S,Li ZH,Rauw J,et al.Preclinicalstudies of the pan-Bel inhibitor obatoclax(GX015-070)in multiple myeloma[J].Blood, 2007,109(12):5430-5438.

[20]Liu G,Kelly WK,Wilding G,et al.An open-label,multicenter,phase I/II study of single-agent AT-101 in men with castrate-resistant prostate cancer[J].Clin Cancer Res,2009,15(9):3172-3176.

[21]Zhan W,Hu X,Yi J,et al.Inhibitory activity of apogossypol in human prostate cancer in vitro and in vivo[J].Mol Med Rep,2015,11 (6):4142-4148.

[22]Abulwerdi F,Liao C,Liu M,et al.A novel small-molecule inhibitor of mcl-1 blocks Pancreatic cancer growth in vitro and in vivo[J].Mol Cancer Ther,2014,13(3):565-575.

[23]Song T,Xue Z,Zhang Z,et al.Pan-BH3 mimetic S1 exhibits broad-spectrum antitumour effects by cooperation between Bax and Bak[J].Basic Clin Pharmacol Toxicol,2013,113(3):145-151.

[24]Zhang Z,Song T,Zhang T,et al.Anovel BH3 mimetic S1 potently induces Bax/Bak-dependent apoptosis by targeting both Bcl-2 and Mcl-1[J].Int J Cancer,2011,128(7):1724-1735.

Research progress of BH3-only proteins in the treatment of cancers.

YAO Kai,DAI De.Guangdong Medical College, Zhanjiang 524000,Guangdong,CHINA

As part of the Bcl-2 proteins family,BH3-only proteins play an extremely important role in the regulation of apoptosis by inhibiting the activity of Bcl-2 anti-apoptotic proteins and(or)activating Bcl-2 pro-apoptotic proteins.Mutations crippling genes encoding BH3-only proteins have been detected in a range of human cancers and these genes knocked out accelerate cancers in mice,which provided evidence that BH3-only proteins can serve as tumour suppressors.BH3 mimetic are being developed for the new molecularly targeted anti-cancer drugs,which may be helpful in designing better therapeutic strategy for treating cancers.

BH3-only proteins;Cell apoptosis;Cancer therapy

R730.5

A

1003—6350（2016）12—1993—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2016.12.032

2015-10-22)

戴德。E-mail：429452465@qq.com