董婭芳 韓慧敏 李亞峰 郭麗麗

蛋白質(zhì)的可逆磷酸化主要通過蛋白激酶和磷酸酶調(diào)控其活性水平，參與細胞生長和代謝等多種功能調(diào)節(jié)。蛋白質(zhì)磷酸化可發(fā)生在絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、半胱氨酸、組氨酸、賴氨酸和精氨酸等氨基酸殘基上，其中蛋白質(zhì)酪氨酸、絲氨酸和蘇氨酸磷酸化在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用已經(jīng)得到了廣泛的研究。Boyer等[1]首次在線粒體琥珀酰輔酶A合成酶（琥珀酰硫激酶）中發(fā)現(xiàn)了組氨酸磷酸化。組氨酸磷酸化是原核細胞信號轉(zhuǎn)導的關鍵，目前在真核生物中組氨酸磷酸化的研究進展緩慢，主要原因是組氨酸修飾的酸不穩(wěn)定性和熱敏感性，與適用于磷酸絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸分析的標準磷酸化蛋白質(zhì)組方法不兼容。近年來，隨著組氨酸磷酸類似物和組氨酸單克隆抗體技術(shù)的發(fā)展，組氨酸磷酸化的研究取得了一些進展，發(fā)現(xiàn)組氨酸磷酸化在細胞中可作為一種可逆修飾調(diào)節(jié)參與細胞信號傳導過程。真核細胞中，組氨酸激酶和磷酸酶通過對含組氨酸的蛋白進行磷酸化調(diào)控，參與包括癌癥在內(nèi)的多種疾病的進展。因此，我們將對蛋白質(zhì)組氨酸激酶和磷酸酶在腫瘤中的研究現(xiàn)狀進行綜述。

1 組氨酸激酶

組氨酸激酶主要存在于雙組分信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)中，該系統(tǒng)包括組氨酸激酶（histidine kinase,HK）和相應的調(diào)控蛋白。在哺乳動物細胞中發(fā)現(xiàn)了多種組氨酸激酶，其中典型的包括組蛋白H4組氨酸激酶（histone H4 histidine kinase,HHK）、二磷酸腺苷酸激酶（nucleoside diphosphate kinase,NDPK）、二組分組氨酸激酶等。

1.1 HHK HHK是最早被描述的哺乳動物組氨酸激酶。最早在再生的大鼠肝細胞核和Walker‐256癌肉瘤細胞中發(fā)現(xiàn)了HHK[2,3]。組蛋白H4的組氨酸磷酸化發(fā)生在肝再生過程中，HHK活性增高與肝臟祖細胞增殖和分化相關，提示HHK可能參與癌癥的發(fā)生和發(fā)展[4]。HHK在人肝臟胚胎時期和肝癌組織中活性升高，而在癌旁組織和正常肝臟組織中的活性水平非常低，這種表達模式與其他經(jīng)典的“腫瘤發(fā)育標志物”如甲胎蛋白、丙酮酸激酶同工酶、醛縮酶等的表達模式相似[5]，從而提示HHK可能作為潛在的腫瘤發(fā)育標志物，以HHK為治療靶點的抗癌藥物開發(fā)成為新的可能。

1.2 NDPK NDPK通過ping‐pong機制催化γ‐磷酸從核苷三磷酸轉(zhuǎn)移到核苷二磷酸，參與高能磷酸組氨酸中間體的形成，從而維持三磷酸腺苷的平衡，在細胞中發(fā)揮代謝作用[6]。NDPK是由NME（neoplasm metastasis）基因編碼的核苷酸代謝酶，因此也稱為Nm23（non‐metastatic gene 23）蛋白[7]。1988年，Steeg等[8]首次分離出Nm23基因。迄今為止已發(fā)現(xiàn)該家族成員有十個不同的蛋白（Nm23‐H1‐Nm23‐H10），根據(jù)序列同源性分為兩組：H1‐H4具有核苷NDPK并有高度相似性（58%‐88%），H6‐H10蛋白差異明顯，僅25%‐45%相似度而且表現(xiàn)很少NDPK活性[9]。Nm23‐H1（NDPK‐A或NME1）與Nm23‐H2（NDPK‐B或NME2）的序列同源性最高（并且它們的基因相鄰），研究最為廣泛。

NME蛋白作為一種組氨酸激酶，在細胞遷移和侵襲、細胞生長發(fā)育、內(nèi)吞作用和細胞信號轉(zhuǎn)導中發(fā)揮重要的作用，例如NME通過G蛋白β亞基1（H266）的組氨酸磷酸化來調(diào)節(jié)G蛋白的激活；NME通過組氨酸磷酸化鉀通道KCa3.1（H358）和鈣通道TRPV5（transient receptor potential cation channel subfamily V member 5）（H711）來調(diào)節(jié)離子通道；NME還通過磷酸化ACLY（ATP citrate lyase）（H760）促進脂肪酸生物合成、SUCLG1（succinate‐CoA ligase GDP/ADP‐forming subunit alpha）（H299）磷酸化琥珀酰輔酶A和糖酵解重要酶ALDOC（aldolase,fructose‐bisphosphate C）在細胞代謝中發(fā)揮作用；NME蛋白激酶參與了表皮生長因子受體（epidermal growth factor receptor,EGFR）的活化和內(nèi)吞作用；NME磷酸化抑制癌細胞的遷移和侵襲等[6]。

NME1（neoplasm metastasis 1）在腫瘤的增殖、侵襲、轉(zhuǎn)移以及預后等方面具有重要作用。NME1因抑制黑色素瘤轉(zhuǎn)移的能力而聞名，它是目前發(fā)現(xiàn)的第一個腫瘤轉(zhuǎn)移抑制基因，其編碼的蛋白選擇性抑制癌細胞的轉(zhuǎn)移，而對原發(fā)腫瘤的生長幾乎沒有影響[10]。在黑色素瘤、乳腺癌、卵巢癌等癌癥中均證實NME1的過表達可以抑制腫瘤轉(zhuǎn)移，并增加患者的總生存期[11]。肺癌作為最常見的惡性腫瘤之一，吸煙是其主要的危險因素，Wang等[12]使用體外致癌模型和生物信息學分析鑒定出肺腺癌中與吸煙相關的基因，明確了NME1與香煙煙霧引起的肺腺癌相關。Kim等[13]分析了425例早期非小細胞肺癌患者組織中NME1的表達水平，在39%的樣品中發(fā)現(xiàn)NME1的表達降低，且NME1表達降低的患者復發(fā)率高于NME1未表達降低的患者。羅猛等[14]在其建立的穩(wěn)定沉默Nm23-H1基因的肺癌細胞株NL9980‐99和A549‐99中發(fā)現(xiàn)，和對照細胞A549相比，Nm23-H1基因沉默后，細胞的侵襲能力和轉(zhuǎn)移能力增強。分子機制上，Nm23‐H1可以抑制轉(zhuǎn)化生長因子‐β（transforming growth factor‐β,TGF‐β）誘導的肺癌細胞A549的上皮細胞間質(zhì)轉(zhuǎn)化（epithelial‐mesenchymal transition,EMT），在腫瘤轉(zhuǎn)移發(fā)生的早期發(fā)揮抑制腫瘤轉(zhuǎn)移的作用，其中轉(zhuǎn)錄因子Snail 介導了這一過程[15]；同時，Nm23‐H1可以負反饋調(diào)控白細胞介素‐6（Interleukin‐6,IL‐6）誘導的STAT3 Tyr705位磷酸化[16]，其中Nm23‐H1的兩個酶活性位點（Ser44位和Ser120位）在STAT3（signal transducer and activator of transcription）Tyr705位磷酸化的抑制中起關鍵作用[17]。Nm23‐H1相互作用蛋白Tiam1可以作為Src激酶的底物[18]，Tiam1是Rho因子GTP酶Rac1的激活因子，Rac1活化后通過刺激鈣粘素依賴的細胞和細胞間粘附來抑制腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移能力。Src激酶可以使Tiam1Tyr384位磷酸化降解，介導Src誘導的EMT過程。Nm23‐H1可以與Tiam1直接結(jié)合并調(diào)控Rac1的活化，因此，Nm23‐H1可能通過Src激酶調(diào)控 Tiam1的磷酸化調(diào)控EMT過程。Nm23‐H1還與腫瘤化療和放射治療的敏感性有關，Wu等[19]通過超陣列技術(shù)分析非小細胞肺癌A549細胞中培美曲塞處理和未處理細胞之間的基因表達發(fā)現(xiàn)，培美曲塞增加了A549細胞中Nm23‐H1的表達，Nm23-H1基因的上調(diào)可能成為預測培美曲塞療效的新的生物標志物。喉癌術(shù)后放療患者腫瘤組織 Nm23‐H1低表達及其核內(nèi)表達與腫瘤高復發(fā)率及較短的無病生存期相關[20]；放射抵抗的鼻咽癌[21]和頭頸部鱗癌[22]腫瘤細胞株較之親代細胞Nm23‐H1的表達增高，并且Nm23‐H1出現(xiàn)核內(nèi)轉(zhuǎn)移。

但是，有研究發(fā)現(xiàn)Nm23‐H1在某些腫瘤中具有促進轉(zhuǎn)移的作用，并與不良預后有關。Yang等[23]通過基因表達綜合數(shù)據(jù)庫（gene expression omnibus,GEO）和癌癥基因組圖譜（The Cancer Genome Atlas,TCGA）發(fā)現(xiàn)Nm23-H1是一種特殊的癌基因，在肝細胞癌中高表達，其表達與肝細胞癌的進展與預后不良有關。在其他組織的癌癥如急性髓系白血病、神經(jīng)母細胞瘤和前列腺癌等[8,24]中也發(fā)現(xiàn)Nm23‐H1的表達可促進腫瘤轉(zhuǎn)移。Nm23‐H1在腫瘤中抑制和促進轉(zhuǎn)移的雙重作用可能與NME1在不同組織中的多種生化特性如NDPK活性、組氨酸蛋白激酶活性和3′‐5′核酸外切酶活性等的差異有關。

與NME1一樣，NME2也可以作為轉(zhuǎn)移調(diào)控因子，能在不同的細胞環(huán)境下調(diào)控腫瘤的發(fā)生和 發(fā)展。NME2蛋白已被鑒定出三種底物，即異源三聚體G蛋白的β亞基（Gβ）、中間電導鉀通道KCa3.1和鈣傳導Trp通道家族成員TrPV5。在這三種蛋白中，特定組氨酸殘基的磷酸化對蛋白質(zhì)功能具有不同的調(diào)節(jié)作用，參與不同的生理或病理過程。在人非小細胞肺癌H1299細胞中，NME2通過促進原癌基因c-Myc表達促進腫瘤的生長[25]。NME2缺失的非小細胞肺癌細胞A549的轉(zhuǎn)錄本與肺腺癌有顯著的相似之處，但表現(xiàn)出更傾向于骨和腦轉(zhuǎn)移[26]，晚期肺癌組織中NME2水平顯著降低，且具有較高NME2水平的肺癌患者的生存期更長。Thakur等[27]通過ChIP‐chip研究證實NME2可以作為關鍵的轉(zhuǎn)錄因子，通過與粘著斑蛋白vinculin基因的啟動子結(jié)合，抑制vinculin基因轉(zhuǎn)錄，從而抑制肺癌細胞的轉(zhuǎn)移能力。NME2可作為轉(zhuǎn)錄因子參與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控，它通過與RNA聚合酶II和RNA聚合酶II相關蛋白2相互作用，介導RNA聚合酶II C末端第5位絲氨酸的磷酸化，促進miR‐100和RIPK1（receptor interacting serine/threonine kinase 1）、STARD5（StAR related lipid transfer domain containing 5）和LIMS1（LIM zinc finger domain containing 1）等抗凋亡相關基因的轉(zhuǎn)錄，抑制體內(nèi)外胃癌細胞的凋亡，從而抑制體內(nèi)腫瘤的生長[28]。頭頸部鱗狀細胞癌、黑色素瘤、胃癌和結(jié)直腸癌等腫瘤中也發(fā)現(xiàn)NME2高表達可以抑制癌癥轉(zhuǎn)移，增加患者生存期。目前對Nm23‐H2轉(zhuǎn)移抑制的作用機制了解甚少，Kar等[29]報道Nm23‐H2通過與端粒酶結(jié)合降低體內(nèi)外的端粒酶活性，其持續(xù)表達可改變端粒酶功能和端粒長度，提示Nm23‐H2轉(zhuǎn)移抑制作用可能與端粒相互作用相關。在肝細胞癌（hepatoma carcinoma cell,HCC）樣本中通過芯片基因微陣列方法檢測Nm23-H2基因的表達水平[30]，Nm23‐H2蛋白在75%的肝癌組織和肝癌細胞系中過表達，與正常肝、肝硬化和分級肝細胞癌組織比較表明，Nm23‐H2的表達與肝癌的惡性程度呈正相關?？傊琋m23‐H2不僅僅是轉(zhuǎn)移抑制因子，在不同微環(huán)境下，它也可以參與調(diào)節(jié)腫瘤的發(fā)生發(fā)展。

Nm23‐H3和Nm23‐H2具有65%的同源性，可作為核因子κB（nuclear factor kappa‐B，NF‐κB）的下游靶基因調(diào)控粘附蛋白和整合素的表達，還可參與由TLR5（Toll‐like receptor 5）誘導的NF‐κB的激活，增強下游細胞因子的釋放和免疫細胞向腫瘤微環(huán)境的募集[31]。新近研究發(fā)現(xiàn)，NME3通過MyD88調(diào)控TLR‐5‐NF‐κB通路；進一步通過Kaplan Meier生存分析發(fā)現(xiàn)，在乳腺癌、肺癌、卵巢癌和胃癌中，NME3表達與TLR5表達高度相關，且NME3高表達可提高乳腺癌、肺癌和卵巢癌患者的總生存率，但在胃癌患者中則相反[32]。這些研究提示NME3可作為TLR5下游信號發(fā)揮促炎作用，進而可能增強癌癥的免疫治療[32]。

最近在肺癌中研究[33]發(fā)現(xiàn)，NME4（Nm23‐H4）在肺癌組織和多種肺癌細胞中存在過表達，通過慢病毒shRNA干擾NME4的基因表達后，細胞周期阻滯在G1期，細胞增殖和克隆形成能力也受到抑制，從而提示NME4可能作為一種新型的促癌因子，能夠通過克服細胞周期停滯和促進增殖來促進非小細胞肺癌的進展。Nm23‐H6，特別是Nm23‐H4和Nm23‐H7可能參與結(jié)腸癌和胃癌的發(fā)展，然而，目前的研究無法證明它們對腫瘤進展或轉(zhuǎn)移有貢獻。Nm23‐H5‐Nm23‐H10很少表現(xiàn)出NDPK活性，目前對它們的研究開展甚少，在腫瘤中發(fā)揮的作用有待深入研究。

1.3 二組分組氨酸激酶 二組分組氨酸激酶是研究最多的組氨酸激酶，是存在于細菌、真菌和植物中的雙組分信號激酶。二組分系統(tǒng)（tow‐component system,TCS），也稱為組氨酸‐天冬氨酰磷（histidine aspartic phosphorus,HAP）系統(tǒng)，該系統(tǒng)由HK和相應的調(diào)控蛋白組成。細菌利用TCS快速感應并響應各種環(huán)境信號，因此TCS在細菌病理毒理中具有重要意義，被認為是抗菌藥物研發(fā)的靶標[34]。Attwood等[35]指出來源于高等真核生物的一些蛋白，其與雙組分組氨酸激酶系統(tǒng)的蛋白質(zhì)成分具有序列和結(jié)構(gòu)上的相似性。因此，在高等真核生物中可能存在完整的二組分組氨酸激酶系統(tǒng)但尚未被發(fā)現(xiàn)，它們在真核生物中的作用也有待研究。

2 組氨酸磷酸酶

組氨酸磷酸化可以被組氨酸磷酸酶逆轉(zhuǎn)，目前已知的組氨酸磷酸酶包括磷酸組氨酸磷酸酶1（phosphohistidine phosphatase 1,PHPT1）、磷酸甘油變構(gòu)酶5（phosphoglycerate mutase 5,PGAM5）和磷酸組氨酸無機焦磷酸酶（phosphohistidine inorganic pyrophosphate phosphatase,LHPP）。在細胞信號轉(zhuǎn)導過程中組氨酸磷酸酶起著至關重要的作用，它們的表達和功能失調(diào)在腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程中具有重要作用。

2.1 PHPT1 人磷酸組氨酸酸酶1是脊椎動物中發(fā)現(xiàn)的第一個蛋白組氨酸磷酸酶。目前，對它的生物學功能還知之甚少。Ek等[36]證明PHPT1能使磷酸化組蛋白H1和聚賴氨酸去磷酸化，這一發(fā)現(xiàn)顯示了該酶具有更廣泛的特異性，并可能成為研究蛋白磷酸化有價值的工具。通過免疫組化檢測146例肺癌組織和30例癌旁組織中PHPT1蛋白的表達水平，結(jié)果表明肺癌組織中PHPT1的表達明顯高于正常組織[37]；同時發(fā)現(xiàn)PHPT1與腫瘤侵襲有關，體外細胞遷移和侵襲實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)PHPT1下調(diào)可顯著抑制肺癌細胞體內(nèi)轉(zhuǎn)移，進一步通過蛋白質(zhì)組學分析發(fā)現(xiàn)PHPT1還可能通過調(diào)控肌動蛋白介導的細胞骨架重排調(diào)控肺癌細胞轉(zhuǎn)移和侵襲能力[38]。Shen等[39]在122例腎透明細胞癌組織標本中發(fā)現(xiàn)PHPT1在腎癌組織的近端小管上皮和細胞核中均有表達，且PHPT1高表達與腫瘤大小、Fuhrman核分級和晚期腫瘤淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移相關，與PHPT1高表達的患者相比，PHPT1低表達的患者的總生存期增加。病毒介導的RNA干擾技術(shù)敲除肝癌細胞PHPT1基因，細胞增殖受到明顯抑制，細胞凋亡明顯增加[40]。以上研究提示，PHPT1可通過調(diào)控腫瘤細胞的增殖和細胞凋亡在腫瘤發(fā)生發(fā)展中起作用，可能是腫瘤治療的潛在靶點。

2.2 PGAM5 PGAM5是磷酸甘油酸變位酶超家族成員之一，是定位于線粒體的絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷酸酶。Panda等[41]發(fā)現(xiàn)PGAM5還是一種組氨酸磷酸酶，可使NDPK‐B上的組氨酸118位（H118）特異性去磷酸化，從而抑制NDPK‐B的磷酸化和KCa3.1的活化。PGAM5突變發(fā)生在多種腫瘤中，這些突變可能會改變PGAM5在線粒體動力學和程序性細胞死亡中的作用，并促進腫瘤的發(fā)展[42]。Wang等[43]報道PGAM5通過調(diào)節(jié)線粒體的裂變和壞死來誘導人類結(jié)腸癌細胞和宮頸癌細胞的死亡。Cheng等[44]證明PGAM5在肝癌中的表達顯著高于相應的癌旁肝組織，此外，PGAM5低表達抑制了腫瘤的生長并增加了肝癌細胞對5‐氟尿嘧啶的敏感性。Ng等[45]通過免疫組織化學發(fā)現(xiàn)PGAM5在非小細胞肺癌組織中表達，但在正常上皮中不表達，因此其可能在氣道上皮細胞的惡變過程中起一定作用，且PGAM5在肺癌中的表達與患者的存活率有關，提示PGAM5可參與多種腫瘤的進展。

2.3 磷酸賴氨酸磷酸組氨酸無機焦磷酸磷酸酶（phospholysine phosphohistidine inorganic pyrophosphate phosphatas,LHPP）Hiraishi等[46]首次在牛肝中分離出一種新型的56 kDa無機焦磷酸酶，稱為LHPP。在肝臟特異性缺失PTEN（phosphatase and tensin homolog）和TSC1（TSC complex subunit 1）的L‐dKO肝癌小鼠模型中，Hindupur等[47]發(fā)現(xiàn)小鼠肝癌中的整體組氨酸磷酸化顯著上調(diào)，其中組氨酸磷酸化激酶NME1和NME2上調(diào)，LHPP下調(diào)，并進一步證實LHPP是一種組氨酸磷酸酶，通過體外細胞和體內(nèi)動物實驗發(fā)現(xiàn)LHPP過表達可以抑制癌細胞增殖、降低腫瘤負荷并減緩肝功能降低，因而提示LHPP是一種蛋白組氨酸磷酸酶和腫瘤抑制因子，解除組氨酸磷酸化是致癌的。但LHPP在人肝癌中的作用和機制仍很不清楚。有研究人員利用生物信息學方法預測和分析LHPP的結(jié)構(gòu)和功能時，發(fā)現(xiàn)LHPP屬于酸性、穩(wěn)定、疏水、非分泌型、無跨膜區(qū)的蛋白，主要存在于細胞質(zhì)，線粒體、細胞核和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)也可動態(tài)存在[48]。LHPP的組織表達特異性不強，在多數(shù)組織中均有表達，但在腦、腎、肝、甲狀腺等組織中最為豐富。新近研究也表明LHPP與癌癥的發(fā)生發(fā)展密切相關。LHPP 低表達導致蛋白組氨酸磷酸化水平升高，細胞發(fā)生增殖失控，導致腫瘤生長、擴散，而LHPP過表達可以抑制腫瘤形成。Liao等[49]發(fā)現(xiàn)LHPP在人肝癌組織中的表達水平與細胞周期演進、有絲分裂紡錘體形成、G2期‐M期檢查點和腫瘤轉(zhuǎn)移呈負相關，LHPP在肝癌細胞中表達下調(diào)，過表達LHPP可抑制肝癌細胞的生長和轉(zhuǎn)移，分子機制上，LHPP可降低CCNB1（Cyclin B1）、PKM2（pyruvate kinase isozyme type M2）、基質(zhì)金屬蛋白酶7（matrix metallopeptidase 7,MMP7）和基質(zhì)金屬蛋白酶9（matrix metallopeptidase 9,MMP9）等促癌或轉(zhuǎn)移促進基因的表達水平。非小細胞肺癌的發(fā)病率和死亡率居世界首位，順鉑作為非小細胞肺癌常用的化療藥物之一，其耐藥性是肺癌治療失敗的主要原因之一，Yang等[50]研究揭示Gas5/miR‐217/LHPP通路可降低非小細胞肺癌順鉑耐藥，提示LHPP可能成為非小細胞肺癌順鉑耐藥的潛在治療靶點。在大腸癌、腎細胞癌、乳頭狀甲狀腺癌、胰腺癌、膀胱癌和宮頸癌等多種腫瘤中均發(fā)現(xiàn)LHPP過表達可以抑制上述腫瘤細胞的增殖和侵襲。LHPP的表達水平與腫瘤的分期和進展、患者的生存期相關，提示LHPP可作為腫瘤診斷和預后的標志物，為腫瘤治療提供新的靶點和思路。

3 結(jié)語

綜上所述，組氨酸激酶和組氨酸磷酸酶通過調(diào)節(jié)細胞內(nèi)組氨酸磷酸化水平，在腫瘤的增殖、侵襲、轉(zhuǎn)移以及不良預后等方面具有重要作用。HHK和NDPK，尤其是NME蛋白，作為組氨酸激酶通過抑制或者促進腫瘤轉(zhuǎn)移，在腫瘤進展中起重要作用，特別是Nm23‐H1在非小細胞肺癌轉(zhuǎn)移的中的抑制作用，可作為肺癌轉(zhuǎn)移潛能的生物學指標。PHPT1、PGAM5和LHPP作為組氨酸磷酸酶也在多種腫瘤的增殖和轉(zhuǎn)移中具有重要的調(diào)控作用。組氨酸激酶和磷酸酶作為調(diào)控細胞內(nèi)組氨酸磷酸化水平的關鍵因子，到目前為止，對二者尤其是組氨酸磷酸酶在腫瘤中的作用和分子機制研究尚少，需進一步探索，同時仍需發(fā)現(xiàn)更多未知的蛋白質(zhì)激酶和磷酸酶，為臨床上腫瘤的診斷和治療提供更多新的思路和靶點。