ERK1/2信號通路與腫瘤關系的研究進展

班碧秀 孫志剛

1 廣西醫科大學第一附屬醫院臨床營養科,南寧市 530021;2 廣西醫科大學第一附屬醫院職工門診,南寧市 530021

【提要】 胞外信號調節激酶(ERK)可以將細胞信號從受體傳導至細胞核,是負責細胞外刺激的經典絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路。相關研究表明ERK通路的激活與許多腫瘤的發生發展密切相關,許多作用于ERK通路上游的抑制劑都表現出抗腫瘤活性。ERK1和ERK2是MAPK/ERK通路最重要的分子,因具有同質性,統稱為ERK1/2。ERK1/2可以磷酸化多種底物,參與細胞的增殖、分化、遷移、侵襲、凋亡、癌性轉化等重要過程。本文就ERK1/2信號通路及其與腫瘤增殖、凋亡和遷移侵襲的相關性進行綜述,以期更好的指導腫瘤治療。

絲裂原激活的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)是將信號從細胞表面傳遞至細胞核內部的重要的載體,MAPK級聯通路具有調節細胞增殖、分化和應激等機體的重要功能[1],其包括胞外信號調節激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)家族、p38蛋白激酶家族和c-Jun氨基端激酶家族[2]。ERK的過度激活經常發生在腫瘤的發生與發展的過程中,與腫瘤細胞的存活或凋亡密切相關[3],目前已鑒定出ERK1～ERK5共5個亞族[2]。ERK1為絲氨酸激酶,ERK2為蘇氨酸激酶,ERK1/2信號通路又稱p42/44 MAPK信號通路,是目前研究最透徹的MAPK途徑。ERK1/2信號通路的異常與很多疾病的發生和發展都存在緊密聯系,其與腫瘤的關系也是腫瘤學研究領域的重要方向。本文就ERK1/2信號通路及其與腫瘤細胞的增殖、凋亡、遷移和侵襲的相關性進行綜述。

1 ERK1/2信號通路的概述

1.1 ERK1/2信號通路的發現及其結構特點 ERK1和ERK2被認為是MAPK/ERK通路的最重要的異構體,分子量分別是44 000、42 000。人類的ERK1分子由379個氨基酸殘基構成,ERK2則由360個氨基酸殘基構成。ERK1和ERK2的結構高度保守,是同一基因的兩個不同剪接變體編碼的蛋白質,兩者的氨基酸序列存在84%的相同部分[4],二者在體外有相同的作用底物,功能有重疊,因此統稱為ERK1/2。

ERK1/2具有信號特異性,不但是膜蛋白,而且在MAPK途徑中作為轉錄因子。ERK1和ERK2之間最明顯的結構差異是ERK1中存在異亮氨酸,而ERK2中有亮氨酸存在[5-6]。

1.2 ERK1/2的激活與核轉運 ERK激酶家族屬于酪氨酸蛋白激酶。ERK信號通路是一個典型的MAPK信號級聯,由三類蛋白激酶組成,分別為MAP3K、MAP2K和MAPK[7]。ERK1/2信號通路,又稱Ras/Raf/MEK/ERK信號通路,是一個典型的三層級聯瀑布反應,包括激活蛋白-1、原癌基因c-Fos蛋白和含有ETS結構域的蛋白Elk-1,在信號轉導通路和轉錄因子的功能中起重要作用[8]。

ERK1/2具有許多底物結合位點,是一個多功能的絲氨酸激酶/蘇氨酸激酶,能夠磷酸化多種底物,包括蛋白激酶、信號效應器、細胞支架蛋白和核轉錄調節因子[8]。在細胞外信號(如生長因子、炎癥、缺血缺氧等)刺激下,ERK1/2激活,在細胞質中激活一系列蛋白激酶,或使細胞成分發生磷酸化,進入細胞核;或使轉錄激活因子磷酸化,從而調控基因的表達,參與細胞的生長、增殖、分化、侵襲和凋亡等多種生理功能[9-10]。

2 ERKl/2與腫瘤的相關性

細胞信號轉導通路的異常與細胞癌變有關,而Ras-ERK通路的功能障礙是大多數癌癥發展的主要誘因[11]。ERK是與腫瘤形成有關的一種中心激酶,對細胞的生長和凋亡具有非常重要的作用[12],ERK1/2能夠磷酸化大量底物,從而調節細胞增殖、分化、存活,以及肌動蛋白細胞骨架遷移和血管生成等生物過程[13-14]。ERK1/2易位對細胞周期G1～S期的進展至關重要,抑制ERK1/2信號通路,可下調B淋巴細胞瘤(B cell Lymphoma,Bcl)-2蛋白、上調Bcl-2相關X(Bcl-2-associated X,Bax)蛋白,降低腫瘤細胞侵襲能力,促進腫瘤細胞凋亡[15]。

2.1 ERK1/2與腫瘤細胞增殖的相關性 細胞失控性增殖是惡性腫瘤最基本的生物學特征[16]。惡性腫瘤的特征包括促進細胞增殖、抗凋亡、誘導血管形成、促進轉移和侵襲、調節能量代謝等。ERK1/2通過磷酸化調控一系列核轉錄因子,根據初始刺激調控基因的表達。此外,激活的轉錄因子,如活化蛋白-1復合物,可以直接影響細胞周期蛋白,從而影響細胞周期蛋白依賴性激酶,這些激酶調節細胞周期,驅動細胞從G1期進入S期[17]。ERK1/2可以調節氨甲酰磷酸合成酶II[18],催化嘧啶核苷酸從頭合成的(初始)限速步驟,參與細胞的G1/S和G2/M轉變[19]。ERK1/2可促進結腸癌、乳腺癌、前列腺癌、肝癌、非小細胞肺癌和膠質母細胞瘤中的免疫逃避[20]。研究表明,抑制ERK1/2信號通路后,整合素αv誘導的人肺癌細胞A549細胞增殖減少[21]。

2.2 ERK1/2與腫瘤細胞凋亡的相關性 細胞凋亡在腫瘤的發生、發展中起著重要作用。細胞發生凋亡時,會出現細胞形態、遺傳物質和細胞器等方面的改變。研究表明,塞來昔布可顯著地抑制p-ERK(磷酸化的ERK,ERK的活化形式)的表達,從而促進肝癌細胞的凋亡[22]。間充質同源盒蛋白2通過影響磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白信號通路和ERK1/2信號通路在乳腺癌中發揮了抑癌作用[23]。利多卡因和布比卡因局麻藥可以通過影響MAPK級聯通路,誘導人甲狀腺癌細胞凋亡[24]。抑制MAPK/ERK信號通路可以減弱食管鱗狀細胞癌的侵襲和轉移[25]。以上均表明ERK1/2信號通路可以啟動細胞凋亡的內源性途徑。 ERK1/2參與腫瘤細胞凋亡的機制可能為:(1)ERK1/2的激活增加p53蛋白的活性[26-27]。p53蛋白在細胞激活后調控細胞周期、防止細胞癌變的發生[28]。ERK1/2信號通路除參與細胞增殖的底物的磷酸化外,還調控細胞腫瘤抗原p53的磷酸化[8]。(2)SD大鼠體外實驗發現,抑制MAPK/ERK信號通路,Bax蛋白表達明顯降低[29]。Bcl-2蛋白是最重要的抗凋亡蛋白之一,Bcl-2蛋白表達水平上調可增強細胞的抗凋亡能力,而Bcl-2蛋白表達水平降低則促進細胞凋亡的發生。Bax是最早發現的Bcl-2家族蛋白,在表達增加時可促進細胞死亡。芒柄花素可以增加神經膠質瘤C6細胞的Bax和Caspase-3/9的表達水平,降低Bcl-2表達,達到抗細胞增殖和誘導細胞凋亡的作用[30]。(3)ERK/MAP激酶參與鈣蛋白酶介導的凋亡,影響鈣蛋白酶、鈣蛋白酶抑制劑的基因轉錄[31]。鈣蛋白酶是一種鈣依賴性蛋白酶,活化后不僅可以裂解細胞骨架和結構蛋白,損傷溶酶體膜,還可破壞Bax功能,誘導細胞凋亡的發生[32]。(4)ERK1/2信號通路的激活可維持線粒體的正常功能。ERK1/2信號通路受抑制時,Bcl-2蛋白水平下調,線粒體損傷增加,細胞色素C從線粒體釋放到細胞質,人肝癌HeLa細胞的死亡增多[33]。

2.3 ERK1/2參與腫瘤細胞遷移和侵襲的相關性 黏附、降解和遷移是腫瘤細胞侵襲和轉移的三個階段。ERK/MAPK信號通路與腫瘤的侵襲和轉移密切相關。鎘激活肺癌A549細胞的ERK-MMP2通路,從而誘導癌細胞的遷移和侵襲,說明MAPK/ERK信號通路與腫瘤細胞侵襲和遷移正相關[34]。有研究證實,p-ERK1/2的表達與胰腺導管腺癌的轉移有關[35]。

ERK1/2參與腫瘤細胞遷移和侵襲的機制可能為:(1)ERK參與細胞外基質的降解。基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMP)屬于鈣依賴的含鋅內肽酶家族,參與組織的重塑,降解細胞外基質[36]。過表達MMP有利于腫瘤的侵襲和轉移,抑制MMP的表達則相反。MMP-2、MMP-9屬于MMP家族成員Ⅳ型膠原酶,核心功能是分解基底膜膠原和明膠[37-38]。p-ERK可增加MMP-2和MMP-9的表達,促進胞外基質降解,使細胞更容易穿透基底膜,有利于腫瘤細胞的侵襲和轉移。研究顯示,芒柄花素可以抑制卵巢癌A2780和SKOV3細胞的增殖、遷移和侵襲,這一作用與MMP-2/9 蛋白降低和ERK信號通路抑制有關[39]。(2)抑制ERK1/2信號通路,可以下調黏附分子CD44蛋白表達,減弱腫瘤細胞的黏附作用[40]。ERK信號通路被激活后,可增強肌動蛋白-肌球蛋白收縮力和細胞運動,強化細胞遷移能力[41]。(3)ERK1/2信號通路與趨化因子誘導的細胞轉移和侵襲有關。管彩虹等[42]研究發現,趨化因子CCL22可以增加p-ERK蛋白表達,增強肺癌SBC-5細胞的遷移和侵襲。(4)ERK可增強微小RNA-21的表達水平。研究表明,使用信號通路抑制劑阻斷ERK1/2MAPK信號通路可抑制Eca109細胞的增殖和遷移,其可能的機制是ERK1/2MAPK信號通路正向調控微小RNA-21的表達[43]。(5)腫瘤的生長和轉移依賴于血管生成,而阻斷血管生成是腫瘤治療領域的研究熱點之一[44]。血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)是重要的促血管生成因子,可以增強腫瘤組織的血管形成,而ERK信號通路激活后可增加VEGF在腫瘤細胞中的表達,促進血管的形成[45-47]。有研究證明,YKL-40基因的下調通過調控子宮內膜癌中VEGF/VEGF受體2和ERK1/2信號通路抑制腫瘤血管生成,抑制ERK信號通路,則可抑制腫瘤的生長和轉移[48]。

3 展 望

目前,腫瘤的發生發展機制尚未被完全闡明,有關腫瘤的研究也從細胞水平到分子水平逐漸地深入。細胞內的信號通路的關系錯綜復雜,具有多樣的生物學效應;然而,細胞內各種信號通路之間的相互作用機制仍不清楚。信號通路對細胞的作用需要更多更深入的研究,以闡明其在腫瘤發生和發展中的重要作用,這對腫瘤治療的研究將是很大的促進和幫助。