金學(xué)英,汪步海
(揚(yáng)州大學(xué)醫(yī)學(xué)院蘇北人民醫(yī)院腫瘤科,江蘇揚(yáng)州 225001)
內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細(xì)胞內(nèi)Ca2+存儲(chǔ)和蛋白質(zhì)合成的主要場(chǎng)所,多種刺激(如營(yíng)養(yǎng)匱乏、乏氧、酸中毒等)可致細(xì)胞內(nèi)Ca2+平衡紊亂或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中蛋白質(zhì)堆積,從而導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic reticulum stress,ERS)的發(fā)生。ERS主要包括以下3種反應(yīng)[1]:未折疊蛋白反應(yīng)(unfolded protein reactive,UPR)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)超負(fù)荷反應(yīng)(endoplasmic reticulum overload response,EOR)和固醇調(diào)節(jié)級(jí)聯(lián)反應(yīng)。UPR和EOR是蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中堆積所引起,而固醇調(diào)節(jié)級(jí)聯(lián)反應(yīng)是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的膽固醇損耗所致。目前研究表明,ERS中UPR和EOR可能與腫瘤發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移及預(yù)后密切相關(guān)。
ERS時(shí)UPR對(duì)細(xì)胞主要起保護(hù)作用,目前已知的哺乳動(dòng)物體內(nèi)UPR有3條轉(zhuǎn)導(dǎo)通路:雙鏈RNA激活的蛋白激酶樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(PKR like ER kinase,PERK)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、需肌醇酶1(type-I endoplasmic reticulum transmembrane protein kinase,IRE1)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和活化轉(zhuǎn)錄因子6(activating transcription factor 6,ATF6)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路[2]。當(dāng)細(xì)胞處于正常狀態(tài)時(shí),PERK、IRE1和ATF6與葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(glucoseregulated protein78,GRP78)結(jié)合而失活,ERS時(shí)GRP78與未/錯(cuò)誤折疊蛋白結(jié)合,PERK、IRE1和ATF6與GRP78解離而激活引起下游元件的激活進(jìn)而介導(dǎo)細(xì)胞生存與凋亡,但PERK、IRE1和ATF6上游激活機(jī)制目前尚不明了。
PERK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路:ERS過(guò)程中,激活的PERK使真核翻譯起始因子-2的α亞基(eukaryotic translation initiation factor-2 alpha subunit,eIF2α)51 位的絲氨酸磷酸化而失活,抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中大部分蛋白質(zhì)的合成,減少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中蛋白質(zhì)的堆積,但少數(shù)與應(yīng)激相關(guān)的基因如ATF4卻表達(dá)上調(diào)。激活的ATF4使與凋亡有關(guān)的C/ERB同源蛋白質(zhì)(C/ERB homologous protein,CHOP)/生長(zhǎng)抑制和 DNA損傷基因(growth arrest and DNA damage gene,GADD153)的轉(zhuǎn)錄上調(diào),從而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[3]。
IRE1信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路:IRE1是發(fā)現(xiàn)最早也最重要的調(diào)節(jié)蛋白,具有抗凋亡和促凋亡的雙重作用[4],主要表現(xiàn)在以下三方面:(一)活化的IRE1通過(guò)其核酸內(nèi)切酶活性剪切去除X盒結(jié)合蛋白1(X-box binding protein 1,XBP-1)mRNA的26個(gè)內(nèi)含子,使其成為成熟的mRNA,進(jìn)而翻譯出大量XBP-1蛋白。XBP-1與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)元件(endoplasmic reticulum stress response element,ERSE)結(jié)合,誘導(dǎo) GRP78 和CHOP 基因表達(dá)進(jìn)而誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)甘露糖苷酶樣蛋白(endoplasmic reticulum mannosidase-like protein,EDEM)的表達(dá),增加錯(cuò)誤折疊蛋白的降解,促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能的恢復(fù)。(二)活化的IRE1激活凋亡信號(hào)調(diào)節(jié)激酶 1(apoptosis signalregulating kinase 1,ASK1)及其下游靶基因氨基末端激酶(jun N-terminal kinase,JNK)和核轉(zhuǎn)錄因子(nuclear factor kappaB,NF-κB),磷酸化的JNK通過(guò)激活促凋亡因子bcl-2介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡(Bcl-2 interactingmediator of cell death,BIM)并抑制抗凋亡因子B細(xì)胞淋巴瘤/白血病2(B cell leukemia-2,bcl-2)促進(jìn)細(xì)胞凋亡,而 NF-κB主要表現(xiàn)為促進(jìn)bcl-xl,腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子(tumor necrosis factor receptor associated factor,TRAF)、凋亡抑制蛋白(inhibitor of apoptosis protein,IAP)等抗凋亡蛋白的轉(zhuǎn)錄抑制細(xì)胞凋亡蛋白caspase家族成員的轉(zhuǎn)錄激活,從而抑制細(xì)胞凋亡。(三)活化的IRE1通過(guò)激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)特有的Caspase-12凋亡通路促進(jìn)細(xì)胞凋亡[5]。
ATF6信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路:解離的ATF6向高爾基體轉(zhuǎn)位,被核內(nèi)切酶片段1(site-1 protease,S1P)和核內(nèi)切酶片段2(site-2 protease,S2P)剪切激活后進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi),激活的ATF6可以上調(diào)與蛋白質(zhì)和脂類合成相關(guān)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)誘導(dǎo)基因的表達(dá)。在哺乳動(dòng)物中,UPR的啟動(dòng)依賴于ATF6的激活,激活的ATF6結(jié)合UPR靶基因的順式作用元件ERSE,上調(diào)其下游基因如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分子伴侶GRP78的轉(zhuǎn)錄,促進(jìn)蛋白質(zhì)的折疊[6]。同時(shí)與非折疊蛋白反應(yīng)元件及ERSRⅡ結(jié)合,誘導(dǎo)包括CHOP在內(nèi)的基因表達(dá),介導(dǎo)細(xì)胞凋亡。
在ERS反應(yīng)過(guò)程中,大量糖蛋白沉積在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)引起EOR、EOR和UPR相對(duì)獨(dú)立但又存在共同的信號(hào)通路。Eike等[7]報(bào)道,EOR時(shí)細(xì)胞內(nèi) Ca2+平衡紊亂導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)大量的活性氧片段(reactive oxygen species fragment,ROS)產(chǎn)生,激活炎癥因子 NF-κB。有研究人員[8]的研究表明,IRE1在 EOR中處于中心地位,與GRP78解離后,磷酸化的IRE1聚集腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子2(tumor necrosis factor receptor associated factor,TRAF2)而激活系列免疫相關(guān)激酶,以ASK1最為重要,形成IRE1/TRAF2/ASK1復(fù)合體,級(jí)聯(lián)激活JNK及NF-κB,誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生抗凋亡反應(yīng)。此外,Chen等[9]的研究表明,EOR可以促進(jìn)GRP78的表達(dá)上調(diào)及caspase-12的激活。
有文獻(xiàn)[10]報(bào)道超過(guò)15%腫瘤的發(fā)生與慢性炎癥相關(guān),如胃癌可繼發(fā)于Hp感染[11]、宮頸癌常繼發(fā)于HPV16-18 感染[12]、肝癌常繼發(fā)于慢性乙型肝炎[13]等。同時(shí)有文獻(xiàn)[14]報(bào)道,在不同類型的腫瘤細(xì)胞中都存在ERS。
炎癥和ERS之間存在一定聯(lián)系。近期研究[15]表明,在腫瘤細(xì)胞和骨髓基質(zhì)干細(xì)胞中ERS與促炎癥因子NF-κB的轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)。一方面,EOR時(shí)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中未/錯(cuò)誤折疊蛋白的堆積導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中Ca2+從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中漏出,引起線粒體中Ca2+的積聚進(jìn)而導(dǎo)致線粒體內(nèi)膜去極化,中斷呼吸鏈中電子的轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致ROS的產(chǎn)生并介導(dǎo)NF-κB的激活;另一方面,ERS通過(guò)PERK和IRE1α轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的激活介導(dǎo)NF-κB的激活,進(jìn)而激活蛋白激酶JNK。激活的NF-κB主要表現(xiàn)為三方面的作用[16]:(1)NF-κB和JNK的激活是引起炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵因素,啟動(dòng)包括COX-2的促炎癥因子的基因轉(zhuǎn)錄,促進(jìn)炎癥反應(yīng)的發(fā)生。(2)促進(jìn)包括 bcl-xl、TRAF、IAP在內(nèi)的抗凋亡蛋白的轉(zhuǎn)錄,抑制caspase家族成員的轉(zhuǎn)錄激活。(3)增強(qiáng)細(xì)胞周期蛋白cyclinD1的表達(dá),促進(jìn)細(xì)胞周期中G1/S、G2/M之間的轉(zhuǎn)化,從而促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)。Deeb等[17]的研究表明,在前列腺癌中PERK通過(guò)激活的NF-κB顯著上調(diào)抗凋亡bcl-2、bcl-xl、cIAPI和生存素survivin的表達(dá)而促進(jìn)腫瘤的發(fā)生。Li等[18]的研究表明,在長(zhǎng)期持續(xù)暴露于砒霜的SKH-1大鼠模型中,砒霜通過(guò)介導(dǎo)PERK和IRE1α的磷酸化激活NF-κB,進(jìn)而誘發(fā)暴露于砒霜的皮膚發(fā)生癌前病變(黑角病和角質(zhì)化),并可能發(fā)展為基底細(xì)胞癌和鱗狀細(xì)胞癌。
腫瘤的發(fā)生是遺傳、環(huán)境和基因突變等多因素作用的結(jié)果,在腫瘤細(xì)胞中凋亡與抗凋亡的失衡導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞的無(wú)限增殖。NF-κB的激活可以通過(guò)其抗凋亡作用介導(dǎo)細(xì)胞周期蛋白的表達(dá)而促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng),可能在腫瘤形成的過(guò)程中起重要的作用。
ERS通過(guò)多種途徑介導(dǎo)細(xì)胞凋亡反應(yīng),包括ERS引起的凋亡反應(yīng)和與NF-κB介導(dǎo)的抗凋亡反應(yīng)。ERS引起細(xì)胞凋亡主要有3種途徑:CHOP/GADD153通路、JNK通路、ER特有的Caspase-12通路。從ERS到凋亡典型的通路是PERK/eIF2α下游的轉(zhuǎn)錄因子GADD153/CHOP的表達(dá)。當(dāng)ERS持久存在時(shí),激活的PERK通過(guò)eIF2α磷酸化使ATF4表達(dá)上調(diào),誘導(dǎo)促凋亡因子CHOP/GADD153的表達(dá)促進(jìn)細(xì)胞凋亡。激活的IRE1和ATF6,其胞漿部分進(jìn)入核內(nèi),與ERSE保守基序列 CCAAT(N9)GCACG中的 GCACG相連,CCAAT被NF-Y占據(jù),啟動(dòng)CHOP/GADD153轉(zhuǎn)錄與表達(dá),通過(guò)抑制抗凋亡基因bcl-2的表達(dá)上調(diào)引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)氧化損傷。Fujiwara等[19]通過(guò)對(duì)荷爾蒙抗拒的前列腺癌細(xì)胞DU145和PC3細(xì)胞的研究表明,利用siRNA干擾技術(shù)下調(diào)促凋亡因子CHOP/GADD153的表達(dá)可引起細(xì)胞凋亡。此外,IRE1信號(hào)通路可通過(guò)介導(dǎo)JNK的激活和Caspase-12的激活促進(jìn)細(xì)胞凋亡。在非ERS時(shí)IRE1/TRAF2/Precaspase-12形成復(fù)合物,ERS時(shí)Precaspase-12與TRAF2分離而引起Caspase-12的激活,Caspase-12活化后誘導(dǎo)GRP78、GRP94等分子伴侶產(chǎn)生增加并級(jí)聯(lián)激活Caspase-9、Caspase-3和caspase-7等效應(yīng)分子,caspase-3,7,9通過(guò)線粒體途徑和死亡受體途徑誘導(dǎo)凋亡的發(fā)生[20]。而有相關(guān)文獻(xiàn)[21]報(bào)道caspase-12僅存在于鋸齒動(dòng)物中,在人類,caspase-4起caspase-12的作用。Wu等[22]在食管癌細(xì)胞EC109中首次證實(shí),腺苷可以通過(guò) CHOP和caspase-4通路誘導(dǎo)食管癌細(xì)胞凋亡。
NF-κB抗凋亡作用主要表現(xiàn)在:激活的NF-κB通過(guò)上調(diào)C-IAP1、C-IAP2和生成素survivin等的表達(dá)抑制caspase的凋亡通路。一方面上調(diào)的C-IAP1和CIAP2通過(guò)與Caspase-9前體結(jié)合抑制其激活進(jìn)而阻止Caspase-3前體的激活,阻斷Caspase級(jí)聯(lián)反應(yīng)引起的細(xì)胞凋亡。另一方面上調(diào)的Survivin可以作用于細(xì)胞周期依賴性蛋白激酶CDK4,形成survivin/CDK4復(fù)合物,使P21從P21/CDK4復(fù)合物中釋放出來(lái),解離的P21蛋白對(duì)細(xì)胞周期抑制作用消失并作用于Caspase-3前體,形成Procaspase-3/P21復(fù)合物,抑制Caspase-3激活引起的凋亡[23]。此外,激活的NF-κB與bcl-2上特異性的NF-κB的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合,通過(guò)轉(zhuǎn)錄途徑直接上調(diào)bcl-2表達(dá)阻止細(xì)胞凋亡。Hoffmann等[24]的研究表明,在高表達(dá)抗凋亡因子Bcl-2的Jurkat細(xì)胞系、乳腺癌細(xì)胞MCF-7和胰腺癌細(xì)胞L63PC,NF-κB抑制劑錦雞素可以通過(guò)抑制NF-κB的表達(dá)從而克服Bcl-2誘導(dǎo)的治療抵抗。ERS通過(guò)促進(jìn)促凋亡反應(yīng)誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的凋亡,通過(guò)抗凋亡反應(yīng)導(dǎo)致細(xì)胞的無(wú)限增殖,促進(jìn)腫瘤細(xì)胞在不利微環(huán)境中的生存。
ERS時(shí)UPR可以影響血管因子的表達(dá)促進(jìn)腫瘤新生血管的形成,Wang等[25]研究表明,由葡萄糖缺乏引起的UPR可以上調(diào)促血管生成因子血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)、FGF2和IL6的表達(dá)并下調(diào)血管生成抑制因子 THBS1、CXCL14和 CXCL10的表達(dá)。其中VEGF是針對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞特異性最高,促血管生長(zhǎng)作用最強(qiáng)的有絲分裂原。Ghosh等[26]的研究表明,ERS時(shí)IRE1α-XBP1、PERK-ATF4和 ATF6α分別直接作用于VEGF基因的不同區(qū)域獨(dú)立調(diào)節(jié)VEGFA mRMA的表達(dá)。其中,PERK-ATF4途徑中 ATF4直接結(jié)合到VEGFA基因的第1個(gè)內(nèi)含子促進(jìn)VEGFA的表達(dá),而ATF6則通過(guò)與促VEGFA受體結(jié)合促進(jìn)VEGFA的表達(dá)。在肝癌細(xì)胞中通過(guò)siRNA技術(shù)分別沉默IRE1α-XBP1、PERK-ATF4和 ATF6α 的表達(dá),均可降低VEGFA的表達(dá)及腫瘤細(xì)胞血管的生成,而這一作用與乏氧誘導(dǎo)因子的表達(dá)無(wú)關(guān)。
據(jù)報(bào)道[27],VEGF在多種腫瘤細(xì)胞中高表達(dá),不僅是關(guān)鍵的血管形成刺激因子,同時(shí)對(duì)腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移起重要作用。Auf等[28]在對(duì)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的研究中發(fā)現(xiàn),抑制IRE1的表達(dá)可以減少腫瘤細(xì)胞新生血管形成、降低腫瘤的生長(zhǎng)速率并增加腫瘤細(xì)胞的侵襲性。此外,激活的NF-κB可以通過(guò)上調(diào)環(huán)氧合酶2(cyclooxygenase2,COX-2)的表達(dá)促進(jìn)腫瘤新生血管的生成。Manu等[29]研究表明,γ-生育三稀酸通過(guò)抑制NF-κB引起COX-2的上調(diào),減少胃癌細(xì)胞的新生血管形成以及對(duì)卡陪他濱的化療抵抗。
GRP78在多種腫瘤細(xì)胞中高表達(dá),通過(guò)激活UPR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路影響腫瘤的生存和發(fā)展。激活的轉(zhuǎn)錄因子ATF6和ATF4通過(guò)上調(diào)GRP78的表達(dá),促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中蛋白質(zhì)的正確折疊[30]。Fasano 等[31]研究表明,降低GPR78的表達(dá)可以顯著增強(qiáng)二十二碳六烯酸(DHA)誘導(dǎo)結(jié)腸癌細(xì)胞系HT-29、HCT116和SW480的凋亡作用。Martin等[32]對(duì)黑色素瘤細(xì)胞CHL-1和WM266-4細(xì)胞的研究表明,通過(guò)RNAi干擾技術(shù)抑制GRP78的表達(dá)可以抑制芬維A酸誘導(dǎo)的腫瘤細(xì)胞的凋亡。另外,GPR78的高表達(dá)與腫瘤的預(yù)后不良及腫瘤的治療抵抗相關(guān)。通過(guò)對(duì)乳腺癌患者的回顧性研究發(fā)現(xiàn)[33],GRP78和 IRE1α 在乳腺癌患者中的表達(dá)分別高達(dá)70%和90%,而GPR78的高表達(dá)可以縮短腫瘤復(fù)發(fā)的時(shí)間。Huang等[34]研究證實(shí),降低GRP78的表達(dá)可以增強(qiáng)塞來(lái)考昔在泌尿道上皮細(xì)胞腫瘤中的細(xì)胞毒性,降低腫瘤的抗藥性。然而Adrienne等[35]研究表明,過(guò)表達(dá)的GR78可以與PERK、ATF6、IRE1結(jié)合使其失活,抑制UPR反應(yīng)通路,對(duì)UPR起負(fù)反饋調(diào)節(jié)作用。
ERS在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中普遍存在,對(duì)細(xì)胞的生存具有雙向調(diào)節(jié)作用,既可以對(duì)細(xì)胞起保護(hù)作用,又可以誘發(fā)腫瘤的發(fā)生并促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的生存、發(fā)展、新生血管生成及治療抗拒性。通過(guò)抑制ERS信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中某種基因或蛋白的表達(dá)從而抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng),成為腫瘤治療的分子靶點(diǎn)。
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