羥酰輔酶A脫氫酶在癌中作用機制的研究進展

吳國嘏，翟書杰，孫 笑，黃怡然，李詠梅，孫 麗

1.天津醫科大學 基礎醫學院 病原生物學系，天津 300211；2.天津醫科大學第二醫院 婦產科，天津 300070

脂代謝紊亂和癌的發生發展密切相關[1-4]。其中脂肪酸β-氧化代謝產生的短鏈、中長鏈脂肪酸在信號轉導、細胞通路調控等方面都有著重要作用,且代謝產生的游離脂肪酸(free fatty acids, FFAs)是腫瘤微環境(tumor microenvironment, TME)的重要構成組分。脂肪酸β-氧化紊亂可促進癌細胞增殖、轉移及免疫逃逸[2]。完整的脂肪酸β-氧化由4種關鍵酶催化,其中羥酰輔酶 A脫氫酶(hydroxyacyl-coenzyme A dehydrogenase,HADH)在脂肪酸代謝與癌的關系方面已受到較多關注。

1 HADH簡介

HADH主要存在于線粒體基質中,在β-氧化反應鏈的第3步中發揮催化作用,將L-3-羥乙酰-CoA的羥基氧化為酮基,同時還原NAD+為NADH。HADH對C4至C6長度的脂肪酸催化活性最高[3]。此外,HADH還間接參與調控氨基酸、糖類等物質代謝[1]。

細胞內HADH的基因表達水平與酶活性水平受到包括轉錄調控[4-5]、微RNA(microRNA,miRNA)調控[6]和蛋白乙酰化修飾[3]等在內的諸多調控。其中,轉錄因子叉頭盒蛋白A2(forkhead box A2, FOXA2)可以上調HADH的表達,影響小鼠胰島β細胞功能和分化[5];溴結構域蛋白4 (bromodomain containing 4, BRD4)和高遷移率族蛋白2(high mobility group box, HMGB2)可在HADH啟動子區形成超級增強子,影響HADH轉錄活性[4];微RNA(miRNA) rs221347作用于HADH mRNA,有效下調HADH表達水平[6];HADH隨著功能不斷成熟而呈高度乙酰化,在小鼠心肌細胞中,HADH賴氨酸乙酰化后酶活性增加[3]。由于人類細胞內乙酰基主要供體是乙酰輔酶A,故HADH的酶活性與胞內乙酰輔酶A水平、乙酰化酶活性以及去乙酰化酶活性密切相關。然而目前HADH在癌中的作用機制尚不明確。

2 HADH在多種癌中的作用

HADH在胃癌(gastric cancer, GC)[7]、腎透明細胞癌(kidney clear cell carcinoma, KIRC)[8]、肝細胞癌(hepatocellular carcinoma, HCC)[9]、乳腺癌(breast cancer, BRCA)[10]等癌中表現為抑癌作用,但在急性髓系白血病(acute myeloid leukemia, LAML)[11]、結腸癌(colon cancer, COAD)[12]等癌中卻表現為促癌作用。HADH與多種蛋白存在相互作用[1,3,5],且該酶功能紊亂直接或間接影響脂代謝、氨基酸代謝和糖代謝,導致細胞內相關產物濃度失衡。以上因素使HADH直接或間接參與調控多種細胞信號通路,影響癌細胞增殖、凋亡、血管形成、侵襲與轉移、能量代謝、炎性反應和免疫逃逸等過程[1, 4-13]。

2.1 HADH經PPAR通路作用于癌細胞

HCC細胞中HADH可激活過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferators-activated receptors,PPAR)通路,但具體機制尚不清楚[9]。當PPAR信號通路受到抑制時,細胞對脂肪酸的攝取增加[13],而HCC細胞中HADH表達下調,阻礙胞內脂肪酸β-氧化,兩者協同加劇內源性脂肪酸堆積。實驗證明缺失PPARα的小鼠胃黏膜出現更為嚴重的組織學損傷及炎性浸潤,血中和胃組織中的炎性因子如腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、白細胞介素-1及細胞間黏附分子1的轉錄和釋放增多,其機制可能與PPARα的缺失引起胃內NF-κB信號通路激活有關[14],而長期慢性胃黏膜損傷是GC誘因之一。結直腸癌中PPAR通路抑制劑可通過改變癌細胞的代謝,包括提高脂肪酸氧化、降低葡萄糖攝取水平,從而減少癌細胞的ATP供應,促進癌細胞死亡[13]。

2.2 HADH經TNF-α通路作用于癌細胞

KIRC細胞中,HADH表達下調可促進活性氧(reactive oxygen species, ROS)的生成,激活TNF-α通路[8]。HADH表達下調導致脂肪酸β-氧化減少,細胞內FFAs濃度增高。一方面,高濃度的FFAs可阻礙還原谷胱甘肽生成,從而降低細胞抗氧化能力;另一方面,FFAs導致線粒體呼吸鏈電子傳遞功能障礙,增加ROS產生,且FFAs與ROS反應產生呼吸鏈抑制劑,破壞線粒體生物氧化過程,使FFAs在線粒體沉積,形成惡性循環[3-4]。TNF-α通路可調節腫瘤細胞免疫浸潤,促進癌細胞增殖和遷移[8,15-16]。TNF-α與TNF受體1(TNF receptor 1,TNFR1) 結合后,TNFR1募集受體相互作用蛋白激酶1、腫瘤壞死因子受體相關因子2、細胞抑制凋亡蛋白1和細胞抑制凋亡蛋白2,形成復合物I,復合物I促進I-κB激酶磷酸化和NF-κB活化,從而增加炎性因子和免疫相關基因表達,促進COAD細胞增殖[16]。此外,TNF-α可誘導髓系抑制細胞(myeloid-derived suppressor cells, MDSCs)等炎性細胞浸潤,增強免疫抑制,利于GC細胞存活[15]。

2.3 HADH經JAK-STAT3通路作用于癌細胞

白細胞介素-6(interleukin-6, IL-6)可激活酪氨酸激酶(Janus kinase, JAK)/信號轉導和轉錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3, STAT3)信號通路[17]。KIRC細胞中,HADH下調可能刺激IL-6分泌,增加ROS產生,從而激活JAK-STAT3通路,導致患者不良預后[8]。在GC細胞中,過度激活的JAK-STAT3通路可促進細胞增殖和侵襲,抑制細胞凋亡,促進上皮細胞-間充質轉化(epithelial-mesenchymal transition, EMT),并增強細胞耐藥性[18]。Bax和Bcl-2作為JAK2-STAT3信號通路的下游因子,在JAK2-STAT3信號通路過度激活后會形成一個凋亡調節系統,該系統利于GC細胞增殖與存活,抑制GC細胞凋亡和炎性反應[19]。此外,在甲狀腺癌細胞中,激活的JAK-STAT3通路還與NF-κB通路協同調控腫瘤干細胞(cancer stem cell, CSC)的生存能力[20]。這一通路還可影響TME中白細胞和間質細胞分布,增強癌細胞免疫逃逸能力[18,20]。

2.4 HADH經PI3K/Akt信號通路作用于癌細胞

HADH下調阻礙脂肪酸β-氧化,導致脂肪酸積累,從而抑制磷酸酶與張力蛋白同源物(phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten, PTEN)轉錄,而PTEN可抑制PI3K/Akt信號通路[7]。研究表明,在GC細胞中敲除HADH后,p-Akt表達增加,GC細胞的遷移和侵襲能力明顯增強,而PI3K抑制劑LY294002可消除p-Akt上調,挽救下調HADH后增強的細胞遷移和侵襲能力。反之HADH過表達抑制GC細胞的遷移和侵襲。實驗說明HADH下調可激活PI3K/Akt信號通路并促進GC細胞的增殖、遷移和侵襲[7]。PI3K/Akt通路從多方面起促癌作用。在細胞增殖方面,PI3K/Akt通路被激活后,其下游靶點雷帕霉素靶蛋白(mech-anistic target of rapamycin kinase, mTOR),尤其是mTOR復合物1(mTOR complex 1, mTORC1),通過調控S6激酶1和4E結合蛋白1等下游效應蛋白的磷酸化來控制乳腺癌細胞增殖[21]。在自噬方面,PI3K/Akt通路失調可以觸發自噬,使乳腺癌細胞適應低營養環境,利于其增殖[22]。mTOR是自噬抑制劑,mTORC1通過抑制未磷酸化的、低磷酸化的自噬相關蛋白激酶1和轉錄因子EB等自噬調節蛋白的磷酸化來抑制自噬,故抑制PI3K/Akt通路可促BRCA細胞自噬[22]。此外,在血管生成方面,腎細胞癌細胞中PI3K/Akt通路通過激活VEGF受體2、低氧誘導因子1α和mTOR促進VEGF信號轉導,刺激新血管形成[23]。

2.5 HADH經IFN-γ通路作用于癌細胞

KIRC細胞中,HADH可激活γ干擾素(interferon-γ, IFN-γ)信號通路,改變腫瘤細胞免疫浸潤水平,但具體機制尚不明確[8]。IFN-γ激活狀態下,M2巨噬細胞、幼稚B細胞、肥大細胞和樹突狀細胞等的免疫浸潤水平與HADH表達呈正相關,而濾泡輔助T細胞、漿細胞、調節性T細胞和中性粒細胞的數量與HADH表達呈負相關,這提示HADH表達下調激活IFN-γ通路,降低機體對癌細胞的免疫殺傷能力。此外,IFN-γ可以誘導癌細胞表達程序性死亡受體配體1,使其逃避免疫監測[8]。

2.6 HADH經MAPK通路作用于癌細胞

HADH下調可激活絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK),并與MAPK通路中的3條分支:細胞外信號調節激酶(extracellular-signalregulated protein kinase, ERK)分支、c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal protein kainse, JNK)分支和P38絲裂原活化蛋白激酶分支[9]相關。在ERK分支中Ras蛋白被激活,進而激活Raf,MAPK激酶和ERK蛋白,促進膀胱癌細胞增殖和分化[24]。Ras還可激活Akt激酶,進而激活PI3K/Akt/mTOR通路,提高細胞增殖能力和葡萄糖代謝水平[9,24]。此外,激活的Ras可上調NF-κB,誘導炎性因子(如腫瘤壞死因子α、白細胞介素-1β)表達,通過維持炎性微環境,促進細胞增殖、侵襲,增強細胞抗凋亡能力[9,24]。MAPK通路的p38和JNK分支在炎性狀態被激活,使多個轉錄因子和細胞周期調控蛋白磷酸化,如c-Jun、c-Fos和BCL2家族蛋白等,從而促進癌細胞增殖、抑制凋亡、促進細胞遷移和侵襲[24]。

2.7 HADH經非經典Wnt通路作用于癌細胞

COAD細胞中,HADH與結腸癌惡性程度密切相關。HADH作為非經典Wnt通路靶基因,參與激活非經典Wnt信號通路,并受Wnt5a, Wntless, 受體酪氨酸激酶樣孤兒受體2, Dishevelled 2, 激活轉錄因子2和激活轉錄因子4的調控,參與癌細胞增殖和遷移過程[12]。Wnt蛋白家族成員Wnt5a與細胞膜受體Frizzled結合,激活蛋白激酶C(protein kinase C, PKC)和磷脂酶C,影響膠質瘤細胞增殖、侵襲和轉移[25]。PKC激活可導致鈣離子(Ca2+)釋放和核因子AT核轉位,從而調控基因轉錄[25]。此外,非經典Wnt信號通路的激活與T淋巴細胞浸潤減少相關,并通過PI3K/Akt通路提高乳腺癌細胞耐藥性,利于乳腺癌細胞增殖轉移[21-23]。

3 問題與展望

目前研究表明HADH在癌中具有一定作用,但研究方向多局限在脂質代謝方面,應予以拓展。第一:HADH與文中提及多種信號通路存在關聯,但現有研究多停留在HADH與通路相關基因共表達層面,尚未對其間的深入聯系做出探索,例如HADH與通路中關鍵蛋白之間是否存在直接物化作用,是否存在中間通路或蛋白分子,是否可建立起完整的上下游通路等。第二:HADH在代謝層面間接影響細胞通路的闡述尚不明確。HADH作為脂肪酸代謝的關鍵酶,其代謝原料和產物在細胞內的濃度變動亦影響細胞生理活動,多數細胞信號通路變動與此相關,但尚未有研究具體指出何種小分子可產生上述效應。第三: HADH對癌細胞的調控作用存在組織特異性,在不同癌中可有截然相反的表現,目前尚無詳細的解釋。現有研究中不同癌聚焦于不同的信號通路,而HADH是否在不同癌中通過同一特定信號通路產生相似作用尚待探索。此外,HADH是否調控更多種癌的發生發展,以及HADH是否與更多的信號通路、代謝機制有關系,均值得探索。第四:HADH在各癌中是否能在各種免疫調節劑的臨床試驗和個體化治療中發揮作用還有待觀察,盡管HADH在癌組織中存在異常表達現象,但其在人體尿液和血液中的含量情況尚知之甚少,HADH能否作為可靠的癌標志物還需要大量的研究證明。因此,對HADH在癌中作用機制值得進一步研究。