HIF-1α在乳腺癌發生發展中的作用①

孟 越,田 晶

(桂林醫學院,廣西 桂林 541199)

乳腺癌是女性最常見的惡性腫瘤之一,2018年全球癌癥流行病學統計分析顯示,乳腺癌位居女性惡性腫瘤發病首位。我國屬于乳腺癌低發國,但其發病率呈逐年增長的趨勢,且發病年齡年輕化[1]。腫瘤的侵襲轉移及治療后的復發是導致乳腺癌患者死亡的主要原因,約有6.00%的乳腺癌患者在初次診療時已發生了轉移,而超過90.0%的患者死于腫瘤的轉移[2]。

腫瘤生長迅速,其新生血管網存在功能與結構異常,無法滿足癌細胞對氧的需求。因此,絕大部分實體腫瘤存在的微環境缺氧,這與腫瘤生長、浸潤、轉移等密切相關。在缺氧條件下,腫瘤細胞可通過激活一系列的信號通路和分子,以適應微環境的改變,導致腫瘤細胞的侵襲轉移能力和對放化療的抵抗能力增強,其中,缺氧誘導因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α,HIF-1α)是缺氧微環境下,腫瘤細胞產生缺氧適應性反應的關鍵轉錄調控因子。研究表明,在正常乳腺組織中HIF-1α的表達很低甚至不表達,而在乳腺腫瘤組織中HIF-1α的表達上調,且在轉移癌患者中的表達高于未發生轉移的患者,提示其與乳腺癌的發生和發展密切相關[3]。

1 HIF-1α的結構與功能

HIF-1是由HIF-1α和HIF-1β兩個亞基組成的異源二聚體,HIF-1β亞單位是HIF-1的結構亞基,編碼基因定位于人第1號染色體q21區,并在細胞內持續穩定表達。HIF-1α為功能性亞基,全長826個氨基酸,編碼基因定位于人第14號染色體q21-24區[4]。正常情況下(組織、細胞所在環境的氧含量8.00%~10.0%),HIF-1α的半衰期極短,合成后迅速被脯氨酸羥化酶(prolyl hydroxylases,PHDs)羥基化,隨后被泛素蛋白酶的連接酶VHL(von hippel-lindau)識別、泛素化,然后降解,失去功能;缺氧時(氧含量≤2.00%),PHDs羥化活性下降,HIF-1α穩定,移位至細胞核內,并與HIF-1β二聚化,形成HIF-1分子;HIF-1與基因組中相應靶基因序列的缺氧反應元件(hypoxia response elements,HREs)結合,調節下游多種基因的轉錄,如:血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、己糖激酶(hexokinase,HK)、磷酸葡萄糖異構酶(phosphoglucoseisomerase,PGI)、M2型丙酮酸激酶(pyruvate kinase M,PKM2)、乳酸脫氫酶A(lactate dehydrogenase A,LDHA),參與癌生長、轉移、能量代謝、新生血管的生成,以及放化療抵抗等[2]。

2 HIF-1α在乳腺癌中的作用

2.1 促進腫瘤細胞的上皮間質化

隨著醫療水平的提高,乳腺癌患者的生存率明顯提高,但遠處轉移患者的死亡率仍然很高。臨床資料統計、分析表明,未發生轉移的乳腺癌患者,5年生存率可高達93.0%;發生腫瘤轉移的患者,5年生存率僅為22.0%[5]。可見,阻止癌細胞的侵襲轉移是改善乳腺腫瘤患者預后的關鍵環節。上皮細胞間質化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)是上皮細胞來源的惡性腫瘤細胞獲得遷移和侵襲能力的重要途徑,這個過程包括波形蛋白表達上調,E-鈣黏蛋白、角蛋白表達下調。秦優優等[6]發現,乳腺癌組織中HIF-1α表達升高,而E-鈣黏蛋白表達降低,與乳腺癌臨床分期、組織學分級和腋窩淋巴結轉移密切相關,且兩者在乳腺癌中的表達負相關。采用siRNA敲低高侵襲性乳腺癌細胞MDA-MB-231中HIF-1α表達,波形蛋白磷酸化水平降低,癌細胞侵襲和遷移能力降低[7]。敲除HIF-1α的MCF-7和MDA-MB-231乳腺癌細胞,裸鼠的成瘤時間延長、瘤體減小、成瘤率降低,移植瘤中EMT標志物E-鈣黏蛋白、β-連環蛋白表達升高,波形蛋白表達下降。提示HIF-1α可促進EMT的發生,參與乳腺癌的侵襲轉移。

微環境缺氧是惡性實體瘤的一個基本特征。缺氧條件下,HIF-1α可誘導多種上皮-間質轉化誘導轉錄因子,與TWIST啟動子中的缺氧反應元件(HREs)直接結合后,激活乳腺癌細胞中Twist1的表達[6]。此外,HIF-1α可通過調控集落刺激因子1(CSF-1)/集落刺激因子1受體(CSF-1R),誘導乳腺癌細胞從EMT向混合上皮/間質表型轉變,從而促進癌細胞遷移[8]。下調HIF-1α可降低乳腺癌細胞中Snail和Twist1的表達,抑制乳腺癌細胞的侵襲[9]。

2.2 促進腫瘤新生血管生成

血管內皮生長因子(VEGF)可促進腫瘤組織的新生血管生成,以滿足瘤組織的氧和營養需求[10]。崔偉偉[11]研究發現,堿性螺旋-環-螺旋轉錄因子2(sohlh2)作為上游負性調控因子,可通過抑制HIF-1α表達,下調血管生成相關因子VEGF、Angpt14的合成和釋放,抑制乳腺腫瘤細胞的增殖和血行轉移。De Francesco等[12]研究發現,胰島素樣生長因子1(insulin-like growth factors-1,IGF-1)可通過IGF-1/IGF1-R軸誘導HIF-1α表達,下游靶G蛋白偶聯雌激素受體(gprotein-coupled estrogen receptor1,GPER)和VEGF表達升高,促進血管內皮細胞增殖和腫瘤血管生成。可見,作為VEGF的上游調控因子,HIF-1α通過正向調控VEGF表達,促進腫瘤新生血管生成和乳腺腫瘤的發生、發展。

2.3 參與能量代謝

葡萄糖代謝是機體能量的主要來源,包括氧化磷酸化和糖酵解兩種形式。正常細胞往往通過前者供能,而腫瘤細胞,即使在有氧的環境中,主要仍由糖酵解供能。腫瘤細胞優先通過糖酵解產生乳酸和ATP的過程稱為“有氧糖酵解”(即Warburg效應),這為腫瘤細胞的生長提供了有利的酸性微環境,誘導癌細胞侵襲轉移[13]。Fu等[14]研究發現,HIF-1α可與糖酵解關鍵酶磷酸甘油酸激酶(PGK1)形成一個正向的前反饋環路,刺激乳腺癌的發生和轉移。干擾磷酸葡萄糖異構酶(phosphoglucose isomerase,PGI),可抑制乳腺癌細胞MCF-7中HIF-1α的表達,削弱PI3K/AKT/mTOR信號通路,糖酵解相關酶(如:HKII、PKM2和LDHA)的表達減少,癌細胞的有氧糖酵解進程受阻,ATP生成減少,降低乳腺癌細胞的能量代謝[15]。以含溴結構域的蛋白BRD7誘導HIF-1α泛素化,HIF-1α降解,糖酵解關鍵酶LDHA表達下調,乳腺癌細胞的糖酵解途徑受阻,癌細胞的侵襲能力下降[16]。相反,當以核因子E2相關因子2(NRF2),一種氧化還原敏感性轉錄因子,激活乳腺癌細胞中HIF-1α 活性,HK2、PFKFB3、PKM2和LDHA等糖酵解因子的表達升高,腫瘤組織的糖酵解作用增強[17]。

2.4 調控細胞凋亡

過表達HIF-1α可顯著抑制“三陰性”乳腺癌MDA-MB-231細胞中上皮細胞相關因子的表達,如E-CAD、細胞角蛋白18(CK18)和CK19。CK18水平降低,可影響上皮細胞的成熟與分化,抑制腫瘤細胞凋亡,這就為臨床治療“三陰性”乳腺癌提供了新的靶點和策略[18]。竹葉提取物或PGI通過PI3K/Akt、MAPK/ERK通路,抑制乳腺癌MCF-7細胞中HIF-1α表達,癌細胞周期停滯在G2/M期,caspase-3表達升高,癌細胞發生凋亡[19]。

2.5 增強腫瘤細胞耐藥性

腫瘤耐藥是臨床腫瘤治療中的常見問題,也是抗腫瘤治療失敗的關鍵原因之一。Pan等[20]研究發現,通過激活AMPK,抑制HIF-1α-P-gp信號通路,十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)可下調多耐藥基因1(multidrug resistancegene 1,MDR1)的表達,顯著增強耐藥乳腺癌細胞對阿霉素(DOX)的化學敏感性。而在HER2陽性乳腺癌靶向治療中,HER2靶向抗體曲妥珠單抗的耐藥性產生則與STAT3介導的HIF-1α-HES-1信號通路抑制密切相關[21]。針對ER陽性乳腺癌患者,ER拮抗劑他莫昔芬被廣泛應用,但用藥期間獲得性耐藥的出現導致部分患者癌癥復發,甚至死亡。研究發現,他莫昔芬經HIF-1α介導,上調乳腺癌細胞中的上皮癌胚抗原1(lncRNA,UCA1)表達,引發癌細胞對他莫昔芬的耐藥性;上調UCA1可減少HIF-1α的負性調控因子miR-18a表達,增加HIF-1α的表達,進一步誘導UCA1的表達,增強腫瘤細胞的耐藥性[22]。Carlos等[23]研究發現,芳香化酶抑制劑來曲唑可激活癌細胞內HER2表達,通過PI3K/Akt/mTOR信號通路,激活下游靶點HIF-1α的表達,導致乳腺癌耐藥蛋白(BCRP)表達上調,誘導癌細胞對來曲唑的耐藥性。Wang等[24]應用HIF-1α抑制劑PX-478抑制HIF-1α表達,可恢復乳腺癌細胞MCF-7對多烯紫杉醇(DTX)的敏感性,這為乳腺癌的治療提供了新策略。Hoda等[25]認為,腫瘤治療中出現藥物耐藥性可能主要取決于腫瘤細胞類型和治療中所用的化療藥物兩個方面。研究中發現,在三陰性乳腺癌細胞MDA-MB-231中,敲除轉錄激活因子3(STAT3)基因,順鉑耐藥性逆轉,對HIF-1α的功能有明顯抑制作用。因此,HIF-1α并不是MDAMB-231癌細胞發生順鉑耐藥的原因。

綜上所述,乳腺腫瘤組織中HIF-1α的表達升高,可抑制細胞凋亡,促進癌細胞上皮間質化、腫瘤新生血管的生成及細胞的有氧糖酵解,并且誘導腫瘤細胞耐藥性。因此,HIF-1α逐漸被認為是腫瘤患者不良預后的獨立危險因素,其表達水平的高低可以影響腫瘤患者的預后。因此,HIF-1α可作為抗乳腺癌治療的分子靶點。