dCTP焦磷酸酶1調節腫瘤細胞核苷酸代謝及表型的研究進展

李 婧，張玫瑰，白仲添

(蘭州大學第一臨床醫學院， 甘肅 蘭州 730000)

無限增殖及強DNA合成能力是腫瘤細胞的重要特征之一，其對高強度DNA復制壓力下的基因組的穩定性維持尤為需要。脫氧核苷三磷酸池(deoxyribonucleoside triphosphate pool， dNTP)的平衡是DNA正確復制和修復的必要條件，其失衡會增強誘變作用，誘導基因重組、染色體異常、DNA斷裂和細胞死亡[1]。闡明腫瘤細胞增殖過程中dNTP池的穩態維持機制，有望為靶向治療藥物研發提供新策略。三磷酸脫氧胞苷焦磷酸酶1(dCTP pyrophosphatase 1, DCTPP1)在腫瘤細胞dNTP池的平衡調節中的作用已經引起了研究者的注意，同時它亦參與調節腫瘤進程及耐藥性產生。因此，本文對DCTPP1在腫瘤細胞中的功能進行總結分析，以期為DCTPP1作為腫瘤藥物靶點及調節耐藥方面的深入研究提供思路。

1 DCTPP1的結構及定位

DCTPP1屬于核苷三磷酸焦磷酸酶(NTP-PPase)超家族。在所有脊椎動物、綠色植物、單曲霉菌和赤霉菌中均檢測到高度保守的DCTPP1直系同源物[2-3]，這種進化過程中的保守性提示著它在生命過程中的重要性。

DCTPP1的單體結構由4個α螺旋組成(α1、α2、α3和α4)，最終由兩個二聚體通過α2和α3螺旋的17對疏水殘基相互作用形成四聚體，α3和α4之間有一個Mg2+的結合殘基[2]。

NCBI的GEO數據庫中的轉錄微陣列分析和SAGE數據表明，DCTPP1在肝、腎、卵巢和睪丸的胚胎和增殖細胞中高度表達，廣泛存在于細胞核、細胞質和線粒體中。但是，在穩定細胞中DCTPP1主要分布于線粒體內。

2 DCTPP1與腫瘤細胞中的核苷酸代謝

2.1 在dCTP代謝中的核心作用

DCTPP1在三磷酸脫氧胞苷(dCTP)的平衡和修飾性脫氧胞苷的代謝中起著核心作用。DCTPP1作為dCTP焦磷酸酶，具有水解dCTP為相應的脫氧胞苷單磷酸(dCMP)和焦磷酸(PPi)的基本功能，反應終產物反向調節DCTPP1水平。人成纖維細胞MRC-5 和人宮頸癌細胞HeLa中下調DCTPP1后，細胞內dCTP增加，同時對核苷類似物5-甲基-2′-脫氧胞苷(5-Me-2′-dC)和5-碘-2′-脫氧胞苷(5-I-2′-dC)的敏感性增強，提示DCTPP1能夠削弱修飾性脫氧胞苷的毒性作用[4]，即DCTPP1抑制劑可增加核苷類似物的細胞毒性作用。但是，在人慢性粒細胞白血病HAP1中，DCTPP1敲除并未發現dCTP積累增多[5]，提示DCTPP1并不是調控dCTP的唯一酶類。DCTPP1缺失的情況下，CTP合成酶、脫氧胞苷激酶dCK、SAMHD1、AK9等也參與了dCTP水平的調控[6-7]。

胞嘧啶甲基化形式是調控高等脊椎動物基因正確表達的關鍵，基因組甲基化與腫瘤相關基因啟動子的異常激活或抑癌基因的異常失活有關。DCTPP1對5-甲酰基-dCTP、5-甲基-dCTP和5-鹵代-dCTP等修飾性dCTP有高度的水解活性[4]，以保護新合成的DNA不被表觀修飾后的胞嘧啶摻入。5-氯-dCTP有助于甲基化敏感的DNA結合蛋白與DNA結合，也可以將人類甲基化酶錯誤地定向到未甲基化的CpG位點，DCTPP1通過降解5-氯-dCTP阻止了蛋白-DNA復合物形成導致的DNA雙鏈斷裂以及CpG島的甲基化，從而在DNA修復機制中發揮關鍵作用[8]。

2.2 維持dTTP和dUTP穩態

DCTPP1還參與了其他嘧啶核苷酸的穩態。細胞中缺失DCTPP1可引起dTTP的合成減少以及dUTP的增加，使得三磷酸脫氧尿嘧啶/三磷酸脫氧胸腺嘧啶(dUTP/dTTP)比值增大[9]。一方面，高度增殖的細胞具有強的核苷酸從頭合成能力。而DCTPP1對dTTP的從頭合成至關重要，尤其在缺乏dCTP或dTTP的情況下。DCTPP1水解dCTP生成dCMP，而后被dCMP脫氨酶(deoxycytidine monophosphate deaminase, dCMP deaminase)脫氨生成脫氧尿苷單磷酸(dUMP)，在胸苷酸合成酶(TS)的作用下轉化為脫氧胸苷單磷酸(dTMP)，經胸腺核苷酸激酶(thymidylate kinase,TMPK)和核苷二磷酸激酶(nucleotide diphosphate kinase, NDK)磷酸化，最終合成dTTP。缺乏DCTPP1時，細胞高度依賴于dTTP的挽救合成[5]。另一方面，缺失DCTPP1可導致細胞易于積累尿嘧啶(dUTP)，DCTPP1可消除過量的dUTP防止尿嘧啶摻入DNA代替胸腺嘧啶。大多數DNA聚合酶無法區分胸腺嘧啶和尿嘧啶，dUTP和dTTP的相對水平成為dUTP是否摻入DNA的主要影響因素。當尿嘧啶摻入DNA鏈后，細胞通過簡單的修復途徑來切除錯誤摻入的尿嘧啶。尿嘧啶-DNA糖基化酶可識別并去除尿嘧啶，保留無堿基位點， dAMP和dCMP可優先摻入這些無堿基位點，因此尿嘧啶的消除具有潛在的誘變作用。此外，在維持高dUTP/dTTP比的細胞中，修復過程中依舊會摻入dUTP，這將產生無用的切割和合成循環，最終由于發夾塌陷而導致 DNA鏈斷裂。這種因尿嘧啶(dUTP)積累引起的DNA雙鏈斷裂表現為以持久性γ鏈斷裂為特征的廣泛性基因組損傷[9]。因此，DCTPP1在維持細胞dNTP池的平衡及保持基因組穩定性過程中具有重要的調控作用。

3 DCTPP1與腫瘤

3.1 DCTPP1與腫瘤細胞惡性表型

DCTPP1在乳腺癌[6]、胃癌[8]、前列腺癌[10-11]、B細胞急性淋巴細胞白血病[12]和神經母細胞瘤[13]等多種腫瘤中高表達。與配對的癌旁組織相比，DCTPP1在癌細胞的核蓄積現象尤為明顯，且與組織學分型相關：與胃管狀腺癌/鱗癌、食管鱗癌/小細胞癌、非小細胞肺癌/肺鱗癌相比，胃癌印戒細胞癌/未分化癌、食管腺癌、小細胞肺癌細胞核中DCTPP1富集度更高[14]。DCTPP1表達水平升高與各種癌的不良預后相關。乳腺癌、前列腺中DCTPP1的上調與癌的復發率低、總生存期呈負相關，且與更高的腫瘤分期和分級相關[10]。胃癌中DCTPP1的高表達與浸潤深度，淋巴結轉移及癌進程顯著相關[8]。

DCTPP1表達水平下調，尤其是缺乏dCTP或dTTP的情況下會可阻滯癌細胞增殖。一方面，高度增殖的腫瘤細胞需要招募大量的DNA合成前體，此過程離不開DCTPP1對dNTP池穩態的調節；另一方面，DCTPP1是經典Wnt信號通路的正向調節劑，激活的DCTPP1可阻滯Wnt信號通路中β-catenin的磷酸化和降解，從而穩定地將后者轉移到細胞核內，激活Wnt信號靶基因，促進癌細胞增殖[15]。此外，DCTPP1的過表達使癌細胞獲得較高的遷移與侵襲、抗凋亡和降解細胞外基質的能力[16]。此外，DCTPP1敲低的腫瘤細胞中，細胞周期發生G1-S期阻滯，DNA的合成受阻[9]，在多種癌干細胞中DCTPP1表達上調，提示DCTPP1可能參與細胞周期調控，是腫瘤干細胞的潛在標志物。

3.2 DCTPP1與腫瘤治療

細胞毒性核苷酸類似物是臨床上重要的抗癌藥物，其作用機制之一是通過與八種基本核苷酸競爭胞內靶點，從而誘導腫瘤細胞毒性[17]。然而，此類藥物由于強的副作用和原發性/獲得性耐藥，在臨床應用中具有明顯缺陷。因此，開發強靶向性抗核苷代謝藥物勢在必行。另外，將靶向性強的核苷酸代謝的酶作為靶標，并聯合經典的化療方案，可能產生協同抗癌效應，這將為腫瘤治療策略的制定提供新思路[16]。

DCTPP1作為調節dCTP的核心代謝酶受到了越來越多研究者的關注，目前已發現DCTPP1參與多種腫瘤的耐藥。胞苷類似物地西他濱是DNA脫甲基和遺傳毒性藥物，DCTPP1通過從核苷酸池中清除5-氮雜-dCTP來抵消抗地西他濱的細胞毒性作用[18]。一方面，DCTPP1可以水解地西他濱的活化形式并且調節地西他濱誘導的DNA低甲基化；另一方面，DCTPP1缺陷細胞在其核苷酸池和基因組DNA中均表現出dUTP積累，最終導致dUTP在細胞庫中的遺傳毒性積累[9,19]。這也許意味著地西他濱與DCTPP1抑制劑的聯合使用可以預防腫瘤細胞耐藥。DCTPP1可降低人胃癌細胞對5-氟尿嘧啶(5-Fu)的敏感性[20]，其通過耐藥基因MDR 1的高表達和藥物轉運蛋白P-gp的上調來阻止細胞將5-Fu轉運至胞外，增加5-Fu的胞內蓄積，提高胃癌細胞對5-Fu的敏感性。同樣，缺乏DCTPP1的腫瘤細胞對-5-氟-2-脫氧尿苷(5-F-2-dUrd)的敏感性較高，且在dUTP/dTTP比率高的細胞中尤為敏感。提示DCTPP1在腫瘤細胞中的過度表達可能是一種新的耐藥機制，開發DCTPP1抑制劑有望提高核苷酸類似物的藥效。

已經陸續發現了特異性抑制DCTPP1的活性分子，這些化學抑制劑可增強嘧啶核苷酸類似物的細胞毒性作用。天然產物雷公藤內酯是首個發現的DCTPP1抑制劑，可以直接與DCTPP1結合[21]。哌嗪-1-基吡啶嗪類化合物對DCTPP1表現出優越的的親和能力，吡啶酮和嘧啶酮衍生物、3,6-二取代三氮唑、吡咯香豆素、苯并咪唑衍生物等也顯示出了對DCTPP1良好的抑制性能[22]。對于DCTPP1抑制劑的細胞毒性及其與DNA合成途徑中的其他因子的作用有待進一步研究。

4 問題與展望

細胞DNA的活躍復制是維持腫瘤異常增殖的基礎，DNA合成相關靶向治療也因此被視為最有前途的抗癌策略。但目前臨床批準使用的藥物由于毒副作用強、靶點特異性差，使針對DNA合成的抑制劑在腫瘤臨床治療中的效果令人不滿。腫瘤細胞高強度DNA復制壓力可異常激活染色體脆性位點(common fragile sites, CFSs)，使DNA復制不僅發生于G0/G1期，還可在M期進行，以維持基因組穩定性及質量，這是腫瘤細胞DNA復制的獨有特征及缺陷。若能找到協調DNA復制壓力的關鍵靶點，可徹底削弱腫瘤細胞DNA穩定性，繼而從根本上抑制增殖。基于特異性靶向腫瘤細胞DNA合成的動態新療法可能最有希望改善癌癥治療結局，對應的細胞周期特異性多靶點抑制劑的研發為腫瘤的臨床治療重建了希望。值得注意的是，DCTPP1對腫瘤細胞耐藥的促進作用以及DCTPP1抑制劑對嘧啶類核苷酸類似物的增敏效應，有望使其成為腫瘤分子靶向治療的新靶點。