馮 博劉姿宇李 月劉立琨岳麗玲*

(1.齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院,黑龍江 齊齊哈爾 161006;2.齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院醫(yī)藥科學(xué)研究院,黑龍江 齊齊哈爾 161006)

糖基化是在酶的控制下,蛋白質(zhì)或脂質(zhì)附加糖類的過程,起始于內(nèi)質(zhì)網(wǎng),結(jié)束于高爾基體。糖基化的異常改變能夠促使腫瘤相關(guān)糖蛋白通過主動(dòng)分泌釋放入血,可作為一類非常理想的血清腫瘤生物標(biāo)記物[1]。蛋白質(zhì)糖基化作為細(xì)胞內(nèi)一種常見的翻譯后修飾[2],對(duì)多種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響。最近的研究表明,蛋白質(zhì)糖基化的異常改變與多種腫瘤的多藥耐藥(multidrug resistance,MDR)表型密切相關(guān)[2]。

巖藻糖基化是蛋白質(zhì)糖基化作用的一種重要形式,與腫瘤的惡性進(jìn)展密切相關(guān)[3]。同時(shí),有研究表明參與糖基化的酶即糖基轉(zhuǎn)移酶(glycosyltransferase, GTs)在正常細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞之間存在差異表達(dá)。一般情況下,腫瘤細(xì)胞中唾液酸轉(zhuǎn)移酶和巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶的活力升高,而半乳糖基轉(zhuǎn)移酶和乙酰氨基葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶的活力降低。使用化學(xué)藥物治療是腫瘤綜合治療過程中的一種重要手段,但腫瘤細(xì)胞在化學(xué)藥物的作用下極易產(chǎn)生多藥耐藥導(dǎo)致化療失敗。本文重點(diǎn)就巖藻糖基化修飾在腫瘤多藥耐藥中的作用進(jìn)行綜述與分析,以期對(duì)指導(dǎo)臨床化療與研究提供參考。

1 巖藻糖基化與巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶家族

巖藻糖(fucose, Fuc)是細(xì)胞內(nèi)的一種單糖,巖藻糖基化(fucosylation)是糖基化的一種表現(xiàn)形式,是在酶的控制下蛋白質(zhì)或脂質(zhì)附加上Fuc的過程。在結(jié)構(gòu)上,聚糖中的巖藻糖分為三類:核心巖藻糖、Lewis表位和O-巖藻糖(O-FUT)。核心巖藻糖以N-聚糖核心形式存在;Lewis表位在N-、O-聚糖或糖脂的非還原性末端表達(dá);O-FUT是通過將巖藻糖直接添加到多肽鏈中合成的。這些巖藻糖基化聚糖對(duì)于維持免疫和發(fā)育在內(nèi)的多種細(xì)胞正常功能至關(guān)重要。此外,巖藻糖基化聚糖的異常表達(dá)或缺陷與疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān),如慢阻肺、腫瘤和先天性糖基化障礙[4-5]。

鳥苷二磷酸巖藻糖(GDP-L-fucose)是巖藻糖基化過程中的唯一底物,合成方法包括從頭合成和補(bǔ)救合成。從頭合成是巖藻糖合成中最重要的方法。D-葡萄糖是從頭合成路線的底物,L-葡萄糖是補(bǔ)救合成路線的底物,兩個(gè)途徑經(jīng)過一系列反應(yīng)后都會(huì)生成GDP-L-fucose,進(jìn)入高爾基體內(nèi),在酶的催化下最終完成整個(gè)巖藻糖基化過程。在此過程中,涉及到幾個(gè)限速酶:將鳥苷二磷酸甘露糖(GDP-Dmannose)轉(zhuǎn)化為GDP-L-fucose的GDP-L-巖藻糖合酶(Tissue specific transplantation antigen P35B, TSTA3,FX)以及在高爾基體中反應(yīng)的限速酶—巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶(Fucosyltransferase,FUTs)。而在FUTs家族中,包括四個(gè)子家族,即α-1、2鏈接對(duì)應(yīng)的FUT1和FUT2,α-1,3、α-1,4鏈接對(duì)應(yīng)的FUT3、FUT4、FUT5、FUT6、FUT7、FUT9、FUT10和FUT11,α-1,6鍵對(duì)應(yīng)FUT8和蛋白質(zhì)O-FUT(包括POFUT1和POFUT2兩種亞型),其中FUT8是FUTs家族中唯一催化核心巖藻糖基化的酶[6]。

由FUTs家族催化的巖藻糖基化是糖蛋白重要的功能調(diào)控方式,直接影響細(xì)胞一系列生物學(xué)特性,研究表明,巖藻糖基化的異常改變通常與FUTs家族關(guān)系密切,且與腫瘤進(jìn)展相關(guān)。FUT4過表達(dá)可促進(jìn)惡性腫瘤細(xì)胞的增值,而FUT7過表達(dá)可促進(jìn)肝癌細(xì)胞生長,增強(qiáng)肝癌細(xì)胞凋亡敏感性[7];FUT3和FUT6表達(dá)降低抑制結(jié)腸癌細(xì)胞增殖[8];FUT4高表達(dá)促進(jìn)肺癌侵襲、遷移、上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化和細(xì)胞粘附,與肺腺癌患者的總體存活率低相關(guān)[9];FUT7具有高底物專一性,其通過合成唾液酸化的路易斯寡糖-X抗原(sialyl Lewis-X,sLeX)而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖、上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化以及細(xì)胞遷移和侵襲[10-11]。FUT6和FUT8在肝癌細(xì)胞中高表達(dá),與腫瘤的惡性進(jìn)展呈正相關(guān)[12]。在肺癌、乳腺癌等多種腫瘤中,FUT8基因以及核心巖藻糖修飾水平都有著明顯的升高[13],并且在肝癌和肺癌患者血清中可以檢測(cè)到顯著增加的核心巖藻糖修飾,表明核心巖藻糖基化可能為腫瘤的早期檢測(cè)提供新的循環(huán)生物標(biāo)志物[14-15]。

2 巖藻糖基化與多藥耐藥

眾所周知,在惡性腫瘤細(xì)胞接觸一種抗癌藥后,繼而對(duì)兩種甚至更多的結(jié)構(gòu)不同、作用機(jī)制各異的其他抗癌藥產(chǎn)生耐藥現(xiàn)象,這種現(xiàn)象被稱為多藥耐藥(MDR),而對(duì)于多數(shù)癌癥的治療來說MDR仍然是一大難關(guān),已經(jīng)成為癌癥化療失敗的重要原因。越來越多的研究支持蛋白質(zhì)糖基化在腫瘤耐藥中發(fā)揮重要作用[16]。

2.1 肺癌

吉非替尼(Gefitinib)是一種常用的肺癌化療藥物,它是一種表皮生長因子受體-酪氨酸激酶(epidermal growth factor receptor tyrosine kinase, EGFR-TK)抑制劑,是非小細(xì)胞肺癌(non small cell lung cancer, NSCLC)的一線治療藥物[17],這種藥物的初始效果是比較讓人滿意的,但是在治療后1～2年內(nèi)會(huì)顯現(xiàn)出耐藥性,導(dǎo)致最終治療效果不佳和預(yù)后不良[18]。值得注意的是,在酪氨酸激酶抑制劑耐藥的肺癌細(xì)胞中,表皮生長因子受體(EGFR)的核心巖藻糖基化增加了EGF介導(dǎo)的細(xì)胞生長和對(duì)吉非替尼的敏感性[19],表明EGFR巖藻糖基化狀態(tài)可能是決定吉非替尼敏感性的一個(gè)重要因素。P-糖蛋白(P-glycoprotein,P-gp)是經(jīng)典的腫瘤耐藥相關(guān)分子,研究表明,糖基化修飾可通過穩(wěn)定P-gp蛋白功能活性構(gòu)象、增加細(xì)胞膜定位等機(jī)制,增強(qiáng)P-gp蛋白外排能力,最終導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞耐藥性的產(chǎn)生[20-21]。Ding等[22]證實(shí)在紫杉醇耐藥肺癌A549/T細(xì)胞中FUT4和P-gp的表達(dá)遠(yuǎn)高于親本A549細(xì)胞,是與耐藥性相關(guān)的潛在治療靶點(diǎn),而倍半萜內(nèi)酯可通過抑制肺癌細(xì)胞肺腺癌轉(zhuǎn)移相關(guān)轉(zhuǎn)錄物1(metastasis-associated lung adenocarcinoma tran 1, MALAT1)/信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3, STAT3)/FUT4軸和P-gp轉(zhuǎn)運(yùn)體克服紫杉醇耐藥性。

2.2 乳腺癌

在乳腺癌的治療中,化療耐藥仍然是臨床治療中的重要阻礙,如曲妥珠單抗(Trastuzumab)是乳腺癌治療中的常用藥物,這種藥物主要用于治療人表皮生長因子受體2(epidermal growth factor receptor 2, erbB-2, HER2)陽性表型的乳腺癌,可以降低手術(shù)患者的死亡風(fēng)險(xiǎn),但是,多數(shù)患者會(huì)在治療一年之內(nèi)表現(xiàn)出耐藥性[23]。有報(bào)道稱一些乳腺癌不良預(yù)后的預(yù)測(cè)標(biāo)志物在乳腺癌中的表達(dá)過度增加,這些標(biāo)志物的表達(dá)升高可能與細(xì)胞的多藥耐藥性相關(guān)[24]。還有報(bào)道稱FUT4調(diào)節(jié)的巖藻糖基化可促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞的多藥耐藥[25]。對(duì)乳腺癌T47D和T47D/ADR細(xì)胞的巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶基因表達(dá)譜分析表明,FUT4在阿霉素耐藥細(xì)胞T47D/ADR中表達(dá)顯著升高,并在體內(nèi)外影響乳腺癌的耐藥表型,其機(jī)制可能是miR-224-3p通過靶向FUT4介導(dǎo)了乳腺癌細(xì)胞的多藥耐藥。同時(shí),FUT4的過表達(dá)也顯著增強(qiáng)了T47D細(xì)胞對(duì)長春新堿、阿霉素和紫杉醇的耐藥性[25]。

2.3 肝癌

肝癌的一線治療藥物索拉菲尼(Sorafenib),這是一種多靶點(diǎn)的激酶抑制劑,但是患者常在6個(gè)月內(nèi)就產(chǎn)生獲得性耐藥性(區(qū)別于天然耐藥,獲得性耐藥是指對(duì)藥物治療有初始反應(yīng),但在接受治療后,腫瘤產(chǎn)生了耐藥性,這可能與腫瘤微環(huán)境的改變有關(guān)),因而降低了藥物的療效[26-27];另一種治療肝癌的藥物多西紫杉醇,這種藥物可以抑制腫瘤細(xì)胞的有絲分裂,有研究表明,FUT家族通過磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B(Phosphatidylinositol-3-kinase/protein kinase B, PI3K/Akt)信號(hào)通路介導(dǎo)人肝癌多藥耐藥,調(diào)節(jié)肝癌細(xì)胞對(duì)多西紫杉醇的敏感性;還有一種抗腫瘤的常見藥物5-氟尿嘧啶(5-Fluorouracil, 5-FU),這種藥物是通過抑制DNA合成發(fā)揮作用,但是對(duì)于5-FU而言,耐藥性也是臨床上亟待解決的問題,研究發(fā)現(xiàn),FUT4、FUT6和FUT8的過度表達(dá)是肝癌BEL7402細(xì)胞和5-FU耐藥BEL/FU細(xì)胞體外和體內(nèi)耐藥表型改變的原因,FUTs所介導(dǎo)的多藥耐藥是通過激活PI3k/Akt通路和多藥耐藥相關(guān)蛋白 1(multidrug resistance associated protein 1, MRP1)的表達(dá)增加肝癌細(xì)胞對(duì)5-FU的耐藥性[28]。

2.4 卵巢癌

在卵巢癌的治療中,順鉑(cisplatin, cDDP)是一線常用的藥物,這種藥物會(huì)對(duì)RNA、蛋白質(zhì)、DNA都有不同程度的作用,會(huì)導(dǎo)致DNA損傷和細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)的改變[29]。在使用鉑類藥物的治療過程中,大多數(shù)患者效果良好,但是復(fù)發(fā)率高且復(fù)發(fā)后耐藥性會(huì)大幅度提升[30]。有研究表明高核心巖藻糖基化抑制了銅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(copper transporter 1, CTRl)與cDDP之間的相互作用,從而影響了cDDP的攝取,導(dǎo)致cDDP耐藥性的產(chǎn)生[31],而在耐cDDP卵巢癌患者血清中的CTR1核心巖藻糖基化水平顯著增加,這對(duì)cDDP耐藥患者的判斷具有指導(dǎo)意義。晚期卵巢癌的治療以紫杉醇聯(lián)合鉑類化合物為主[32],而癌細(xì)胞對(duì)于紫杉醇的耐藥性也在近年來受到了廣泛的關(guān)注,其中FUTs也可能通過抑制半胱氨酸蛋白酶(caspase)家族的激活來增強(qiáng)卵巢癌細(xì)胞的紫杉醇耐藥性。此外,FUT1和FUT2的過度表達(dá)促進(jìn)了人卵巢癌細(xì)胞的增殖和對(duì)5-FU、卡鉑(Carboplatin,CBP)等抗癌藥物的耐藥[33]。

除上述列舉的幾種癌癥外,其它癌癥如前列腺癌、結(jié)腸直腸癌、胃癌、胰腺癌等在治療過程中產(chǎn)生的多藥耐藥也是臨床上影響患者生存和預(yù)后的重要阻礙,但其與FUTs家族的關(guān)系尚不完全明確。

3 巖藻糖類似物與含巖藻糖的天然藥物

3.1 巖藻糖類似物

巖藻糖類似物(fucose analogues)是一類用化學(xué)修飾的方法對(duì)巖藻糖進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造后得到的與細(xì)胞內(nèi)巖藻糖結(jié)構(gòu)相似的產(chǎn)物,這類物質(zhì)可以用來標(biāo)記識(shí)別細(xì)胞內(nèi)的巖藻糖基化,更重要的是,現(xiàn)今開發(fā)出的一些巖藻糖類似物可能對(duì)細(xì)胞內(nèi)巖藻糖異常糖基化有抑制作用,達(dá)到抗腫瘤增值或侵襲的目的。

隨著對(duì)細(xì)胞內(nèi)Fucosylation研究的逐漸深入,對(duì)于Fucose analogues的研究也逐漸火熱。2016年,Kizuka等[34]發(fā)現(xiàn)7-炔基-Fuc(7-Alk-Fuc)在細(xì)胞中可以標(biāo)記巖藻糖且細(xì)胞毒性較低;2017年他們又報(bào)道了6-Alk-Fuc可被廣泛用作巖藻糖基化檢測(cè)的探針,在研究中發(fā)現(xiàn),它還是一種有效地巖藻糖基化抑制劑(fucosylation inhibitor),可以有效的抑制細(xì)胞內(nèi)的巖藻糖基化進(jìn)程,且其效力強(qiáng)于2-脫氧-2-氟-L-巖藻糖(2-Deoxy-2-fluoro-L-fucose, 2-F-Fuc, 2FF)[4]。這種抑制劑直接作用于FX阻止肝癌的侵襲,說明巖藻糖基化對(duì)于癌癥的早期診斷和治療具有潛在的用途[4]。

2-F-Fuc是一種含氟基的巖藻糖基化抑制劑,可以影響細(xì)胞的遷移和侵襲能力。給小鼠注射2-FFuc后,細(xì)胞的Fucosylation水平降低,腫瘤細(xì)胞的生長受到顯著抑制,用高濃度2-F-Fuc培養(yǎng)的CHO細(xì)胞核心巖藻糖基化顯著降低[35]。研究表明,過乙?；?-F-Fuc處理后TSTA3表達(dá)降低,其原因可能是通過補(bǔ)救途徑從2-F-Fuc積累的GDP-2F-Fuc通過負(fù)反饋回路關(guān)閉了GDP-L-巖藻糖的從頭合成,從而導(dǎo)致核巖藻糖基化結(jié)構(gòu)的減少,并證明巖藻糖基化抑制劑可通過阻斷食管鱗狀細(xì)胞癌(esophageal squamous cell carcinoma, ESCC)異常巖藻糖基化抑制腫瘤轉(zhuǎn)移[36]。同時(shí),Fucosylation抑制劑在動(dòng)物試驗(yàn)中也顯示出效用,如2-F-Fuc治療的小鼠血清含有更有效地介導(dǎo)腫瘤細(xì)胞溶解的非巖藻糖基化抗體(Non fucosylated antibody)(巖藻糖基化抗體是指在巖藻糖基化相關(guān)酶的催化下在抗體蛋白上加入巖藻糖,非巖藻糖基化抗體則與之相對(duì)),2-F-Fuc治療小鼠外周血中產(chǎn)生的腫瘤特異性I型T細(xì)胞可增強(qiáng)抗腫瘤活性,所以,口服2-F-Fuc可以抑制或預(yù)防小鼠的癌癥發(fā)展,表明在癌癥預(yù)防或輔助治療方面有潛在的用途[37]。還有一種6-三氟代甲基巖藻糖(6,6,6-3F-Fuc)也可以在一定程度上阻斷細(xì)胞內(nèi)的Fucosylation[38]。6,6,6-3F-Fuc通過降低細(xì)胞中表達(dá)的重組抗體巖藻糖基化程度,抑制GDP-甘露糖4,6脫氫酶(GDP-mannose4,6-dehydrogenase, GMD)在Fuc從頭合成中的活性[39]。

3.2 巖藻糖的天然藥物

海參硫酸軟骨素(sea cucumber chondroitin sulfate, SC-CHS)是一種海參多糖,研究發(fā)現(xiàn),SCCHS作為一種帶有巖藻糖支鏈的天然酸性黏多糖,硫酸化程度高,有著不同于其它動(dòng)物體內(nèi)硫酸軟骨素的生物活性。在很早的研究中發(fā)現(xiàn),SC-CHS具有抗凝血作用,這種作用依賴于其成分中的巖藻糖支鏈和硫酸酯含量較高,這兩種成分正是SC-CHS發(fā)揮作用的關(guān)鍵。

近年來的研究發(fā)現(xiàn),刺參硫酸軟骨素也能顯著抑制小鼠乳腺癌細(xì)胞的生長,動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明,它能抑制腫瘤細(xì)胞向小鼠肺組織的轉(zhuǎn)移。研究還表明,海參硫酸軟骨素經(jīng)化學(xué)處理后,體內(nèi)外對(duì)巖藻糖支鏈的抑制作用消失,表明巖藻糖支鏈在海參硫酸軟骨素的生理活性中起著關(guān)鍵作用[40]。還有研究表明,SC-CHS具有體外抗腫瘤活性、促進(jìn)細(xì)胞凋亡、抗腫瘤轉(zhuǎn)移以及抑制腫瘤血管新生的作用,而在小鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中也具有抑制腫瘤生長和轉(zhuǎn)移的作用[41]。這些研究為含巖藻糖藥物對(duì)腫瘤的抑制作用提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù),為研究含巖藻糖藥物是否可能通過抑制腫瘤細(xì)胞中的巖藻糖基化對(duì)腫瘤MDR產(chǎn)生抑制作用開拓了新的思路,為開發(fā)新的抗腫瘤生物因子提供了理論依據(jù)。

4 小結(jié)和展望

總的來說,糖基化作為蛋白翻譯后修飾的方式之一,參與腫瘤細(xì)胞對(duì)化療藥物的泵出、攝入及吸收代謝,細(xì)胞凋亡、DNA損傷修復(fù)、上皮細(xì)胞-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial mesenchymal transformation, EMT)等多種腫瘤耐藥機(jī)制[42]。尤其是近年來對(duì)于FUTs家族的關(guān)注更加廣泛,它們通過多種信號(hào)通路及機(jī)制促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的MDR,導(dǎo)致患者治療效果不佳或預(yù)后不良,為臨床治療增加了難度。

雖然在體外實(shí)驗(yàn)中,對(duì)巖藻糖基化抑制劑的研究顯示其對(duì)腫瘤MDR有一定的抑制作用,但仍然需要更多的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)來證明藥物的效果和安全性。含巖藻糖的天然藥物和巖藻糖基化抑制劑作為有潛力的抗腫瘤藥物,有望為繼續(xù)研究蛋白質(zhì)糖基化修飾與腫瘤MDR的分子機(jī)制以及兩者之間的關(guān)聯(lián)提供更好的選擇,也可為開發(fā)新的腫瘤分子靶點(diǎn)、腫瘤臨床療效評(píng)定、治療腫瘤MDR提供更好的策略。