P2X家族蛋白在腫瘤中的研究進展

黃麗艷,龍喜帶

腫瘤微環境是腫瘤細胞得以生存的重要物質條件,腫瘤細胞通過與腫瘤微環境中的免疫細胞、血管內皮細胞等成分的相互作用而促進腫瘤的演進[1]。研究已證實,腫瘤微環境中存在較高濃度的細胞外ATP(extracellular ATP, eATP),高濃度的eATP是腫瘤細胞與腫瘤微環境得以進行信息交往的重要物質基礎。越來越多的證據顯示,eATP通過與其受體P2X家族蛋白結合而在腫瘤演進中發揮調控作用。P2X家族蛋白共有7個成員,均為離子通道型嘌呤受體。近年來的研究表明,P2X3、P2X4和P2X7等P2X家族蛋白成員在腫瘤中存在異常表達,并影響腫瘤增殖、侵襲等生物學行為,在腫瘤演進中起重要作用[1-5]。本文將簡要綜述P2X家族蛋白在腫瘤中的作用及相關進展。

1 P2X家族蛋白概述

P2X家族蛋白為離子通道型嘌呤受體,通過與eATP結合而被激活,激活后的P2X家族蛋白發生空間構象改變,進而開放通道,并允許Na+、K+等低價陽離子通過。迄今為止,在哺乳動物組織中,共鑒定了7個P2X家族蛋白成員,分別命名為P2X1～7,各成員可由不同濃度的eATP激活[6]。在結構上,P2X家族蛋白表現為三聚體形態,可為同源蛋白或異源蛋白組合而成。目前,只有P2X3、P2X4和P2X7三個成員的三聚體空間結構得到深入解析,它們的組成結構具有三重對稱的特點,其細胞外結構域及跨膜結構域類似海豚結構,而細胞質結構域知之甚少[6-7]。通過氨基酸序列比對分析發現,組成P2X3、P2X4和P2X7蛋白的亞基具有35%～53%的相同氨基酸。但是,這三個成員的亞基長度存在較大區別,如構成P2X7蛋白的亞基含595個氨基酸;而構成P2X4蛋白的亞基只有388個氨基酸,兩者的長度相差207個氨基酸。此外,P2X3、P2X4和P2X7蛋白的細胞質結構域也存在明顯差異,這可能與其信號傳導功能相關[6,8]。

2 P2X家族蛋白與腫瘤的關系

2.1 P2X7與腫瘤P2X7是跨膜蛋白,參與胚胎發育、機體免疫系統的完善、炎癥和腫瘤發生等過程,其與eATP相互作用在腫瘤的發生、發展中發揮重要作用[9]。腫瘤發生后,腫瘤細胞向外釋放ATP,使腫瘤細胞外間質的ATP濃度比正常組織細胞外間質的ATP濃度高,當P2X7與腫瘤eATP結合后被激活,從而使細胞膜上的跨膜通道打開,引起細胞內外離子失衡,引發細胞膜流動性和細胞框架的改變,同時也引發腫瘤微環境的改變,某些小分子物質通過這種改變進入細胞內部,從而改變細胞內分子代謝,激活相關信號通路,通過上述作用影響腫瘤細胞的生命活性[10]。此外,P2X7的激活可以增強細胞內糖酵解和氧化呼吸的葡萄糖代謝過程,從而促進細胞內ATP的產生。當細胞外出現缺氧等因素刺激時,細胞內的ATP會分泌至細胞外,而P2X7也會參與這個釋放過程。因此,高濃度eATP激活P2X7可進一步促進ATP的產生和釋放,從而產生正反饋,這為腫瘤快速生長的能量需求提供了強有力的支持[11]。也有研究表明P2X7在免疫細胞中廣泛表達,并通過信號介導腫瘤細胞的免疫逃逸,從而促進腫瘤的形成[12]。

P2X7在大多數實體腫瘤和血液的惡性病變中均有表達,大量研究通過臨床病理學分析發現：P2X7在甲狀腺癌、乳腺癌、前列腺癌、胰腺癌、膽管癌、結直腸癌、皮膚癌、肺癌、頭頸部鱗狀細胞癌、神經細胞瘤、骨肉瘤、尤因肉瘤、軟骨肉瘤、顱咽管瘤和血液癌癥中均呈高表達[9-10,13-15]。體外細胞實驗和實驗動物模型進一步證實：P2X7可促進炎癥因子、血管內皮生長因子和基質金屬蛋白酶的釋放,誘導形成炎性小體,激活腫瘤細胞內相關信號通路中的酶和激酶,進而促進腫瘤細胞的增殖、遷移和侵襲;使用拮抗劑或抑制劑抑制P2X7蛋白的活性后,腫瘤細胞的增殖、遷移和侵襲則受到不同程度抑制[10,13,16]。這些結果提示：雖然P2X7在腫瘤發生、發展中的作用非常復雜,但已有充分證據證明其可促進腫瘤的發生、發展,起到類似癌基因的作用。

然而,也有研究報道子宮頸癌中P2X7表達下調[17],這與上述P2X7具有促癌作用截然相反,這提示P2X7在不同腫瘤中可能發揮不同的作用,某些情況下對腫瘤具有促進作用,而在另一些情況下則抑制腫瘤的生長,即P2X7同時具有促腫瘤和抗腫瘤的雙重特性,其原因可能與P2X7有多種剪切變異體和自身多態性相關,不同的剪切變異體可能負責不同甚至相反的生物學功能調節。目前認為這種對癌癥雙重調控作用的機制可能涉及腫瘤微環境的調控,包括：在腫瘤細胞外微環境中,如果使用較低劑量的ATP刺激時,P2X7表達的是氨基酸殘基C(C-ter)截斷的無功能形式,這種形式的受體不形成膜孔,僅作為離子通道,發揮促進腫瘤細胞增殖、侵襲的作用;當使用較高劑量的ATP刺激時,P2X7結構中的半胱氨酸殘基發生棕櫚酰化作用,促進P2X7受體形成大孔隙樣結構,從而引起大量Ca2+內流,對細胞產生毒性作用,從而誘導細胞死亡[16]。

另外,邸泰霖等[18]發現：P2X7高表達的結直腸癌患者接受術前新輔助化療可獲得更好的療效。這提示P2X7高表達可作為評估結直腸癌患者進行術前新輔助化療的重要分子標志物。也有研究表明,P2X7參與癌痛機制的調節,當P2X7感應到高濃度eATP后,其離子通道就會激活,使細胞外Ca2+和Na+發生內流,而K+發生外流,從而引發一系列的炎性反應并增加神經末梢疼痛感覺的敏感性;同時,神經細胞上的P2X7激活后,可能會增加神經元的興奮性,改變疼痛信號的傳輸和處理,從而增加癌痛的感覺。這些發現意味著P2X7或許可以作為治療癌癥疼痛和情感抑郁的靶點,成為評估和治療癌痛的潛在指標,為癌癥患者帶來福音[19-20]。綜上,盡管P2X7在癌癥發生、發展中的具體作用及相關機制未能詳盡闡明,但越來越多的證據表明,它在不同腫瘤或不同階段起促癌或抑癌作用,這種對癌癥的雙重作用可能是由于其存在多種剪切變異體。

2.2 P2X4與腫瘤P2X4是P2X家族蛋白中對ATP較敏感的受體之一,也是該家族中對Ca2+滲透性最強的受體。P2X4蛋白在神經元、神經膠質細胞、心臟和血管平滑肌細胞和內皮細胞中表達較高。在大鼠模型中,P2X4主要存在于小膠質細胞、巨噬細胞和血管內皮細胞的溶酶體中,隨后可移動和錨定到質膜[7]。有研究發現：在多種癌癥中P2X4蛋白均存在高表達,并具有促進腫瘤形成和加快腫瘤侵襲的作用。Maynard等[21]通過前列腺癌臨床組織樣本的微陣列分析,發現與良性前列腺組織增生和上皮內瘤變相比,前列腺癌組織中P2X4表達更高。通過體外細胞學實驗證實：前列腺癌細胞過表達P2X4后,癌細胞的遷移和侵襲能力增加;在P2X4蛋白激動劑刺激下,癌細胞亦出現類似反應;但當敲低P2X4表達或給予P2X4抑制劑刺激后,癌細胞的遷移和侵襲能力降低。He等[22]進一步證實了P2X4在前列腺癌中的這種促進作用。Chadet等[23]發現乳腺癌組織中存在P2X4高表達,且主要定位于溶酶體內,經細胞功能實驗驗證過表達P2X4后,能促進癌細胞增殖、侵襲和轉移。Yang等[24]通過體外細胞實驗和小鼠模型實驗證明腫瘤相關巨噬細胞上P2X4表達可促進膠質瘤細胞侵襲和遷移的能力。Schmitt等[25]發現：在結直腸癌細胞的體外細胞學功能實驗中,化療藥物誘導的癌細胞死亡可促進鄰近癌細胞獲得生長優勢。可能機制為瀕死的癌細胞通過釋放ATP形成高濃度eATP,然后激活鄰近癌細胞上的P2X4蛋白,并介導mTOR依賴性通路,從而提升癌細胞的生存活性。隨后,Suzuki-Kerr等[26]也證實P2X4蛋白參與瀕死癌細胞促進其周邊癌細胞生長活性的過程。上述結果均表明P2X4蛋白具有促進腫瘤演進的作用。但是,也有相反的報道。如Reyna-Jeldes等[27]在研究嘌呤能受體參與胃癌衍生細胞系上皮-間充質轉化和轉移潛力的研究中發現,P2X4過表達可抑制胃癌衍生的細胞系增殖,敲低P2X4表達時可促進細胞增殖。由此可知,P2X4蛋白和P2X7一樣,對癌癥具有促癌和抑癌的雙重特性,具體機制尚不清楚。此外,P2X4蛋白在癌痛中發揮重要作用,研究表明其在小膠質細胞和巨噬細胞中高表達,通過激活多種信號通路增強感覺信息的傳遞并誘發疼痛[28]。目前,P2X4蛋白抑制劑已應用于臨床,P2X4蛋白可作為臨床治療部分惡性腫瘤的靶點,抑制P2X4活性可成為治療癌痛及慢性疼痛的新手段。

2.3 P2X3與腫瘤研究表明,P2X3在背根神經節的痛覺感覺神經元上高表達,參與多種疼痛機制的調節,其主要以同源三聚體的形式存在,部分以異構體(P2X3/P2X2)的形式存在[7],P2X3在腫瘤中的作用主要與癌痛相關。He等[29]研究發現,在背根神經節神經元中,P2X3在Wnt5b/Ryk的介導下向膜轉運增加,從而引發外周神經致敏和骨癌疼痛。也有研究報道,P2X3蛋白或異構體的激活參與骨癌引起的疼痛以及外周痛覺神經致敏,抑制P2X3或異構體的活性則可以對骨癌疼痛發揮鎮痛作用[30-32]。此外,P2X3除在癌痛中起作用外,也有報道其受VSNL1的調控促進胃癌細胞的增殖和遷移[33]。P2X3的促癌痛特性使其可能成為癌痛治療領域的新靶點。

2.4 其他P2X家族蛋白成員與腫瘤目前,P2X1、P2X2、P2X5、P2X6等其他P2X家族蛋白成員與腫瘤相關性的研究很少。近年有報道,敲低P2X1表達或使用P2X1抑制劑可抑制人急性髓系白血病細胞系的增殖[34];由輻射誘導的P2X6高表達可抑制人膀胱癌細胞系的生長,并獲得良好的生存預后[35];大數據生物信息分析還發現,P2X5是促進結直腸癌進展的重要因素[36]。上述研究提示,P2X1對急性髓系白血病具有促進作用,阻斷其表達可能成為臨床治療該病的新靶點,P2X6或可作為臨床評估膀胱癌患者預后的生物學指標,抑制P2X5可能為臨床控制結直腸癌病情的進展做出貢獻。

3 結語與展望

綜上所述,P2X家族蛋白作為ATP的受體,在多種腫瘤中存在異常表達,并與腫瘤增殖、侵襲和遷移等生物學行為有關。其中P2X7和P2X4對腫瘤增殖的影響呈現具有促進和抑制的雙重性特征,這可能是不同表達或腫瘤微環境狀態所決定的,具體機制有待深入研究。P2X4和P2X3還參與癌癥誘發疼痛的過程,而其他P2X家族蛋白在腫瘤中的作用研究較少。因此,深入解析P2X家族蛋白成員在腫瘤演進中的作用及相關機制是該領域有待解決的重要內容,相關研究發現其有望成為腫瘤診斷及預后判斷的標志物,同時還可能成為癌痛治療的新靶點。