邢風娟,王 巖,孟令杰
(吉林大學中日聯誼醫院 臨床基因診療中心,吉林 長春 130033)
腫瘤多藥耐藥機制及其相關信號通路的研究進展
邢風娟,王 巖*,孟令杰
(吉林大學中日聯誼醫院 臨床基因診療中心,吉林 長春 130033)
*通訊作者
臨床腫瘤治療中化療藥物的應用在一定程度上抑制了腫瘤的生長,復發和轉移,但近年來,腫瘤多藥耐藥的產生嚴重影響了化療對腫瘤的療效。多藥耐藥(multidrug resistance,MDR)由一種抗腫瘤藥物誘發,同時產生對多種結構和作用機制不同的藥物敏感性減弱,導致化療失敗。MDR產生機制主要包括以下方面。
1.1 ABC盒式轉運蛋白的高表達 主要有P-糖蛋白(P-glycoprotein),多藥耐藥相關蛋白(multi-drug resistance related protein,MRP),肺耐藥相關蛋白(lung resistance-related protein,LRP)和乳腺癌耐藥蛋白(breast cancer resistance protein,BCRP)等。P-gp是一種由多藥耐藥基因 MDR1編碼的,分子量170KD的跨膜轉運蛋白,具有ATP酶活性,能將多種化療藥物從胞內泵出胞外,從而降低胞內的有效藥物濃度致多藥耐藥的產生[1]。MRP與P-gp同屬于ATP盒式轉運蛋白家族。MRP是谷胱甘肽、葡萄糖醛酯、硫酸鹽化合物的主要轉運者,也是抗腫瘤藥物主要轉運者。MRP1存在于多種腫瘤細胞中,與細胞的耐藥相關。BCRP也是ATP盒式轉運蛋白家族成員之一,是一種膜蛋白,在胎盤、肝臟、血腦屏障等分布廣泛,也是參與多藥耐藥的主要成員之一[2]。LRP不屬于ABC家族,它能阻止化療藥物進入細胞核,也能通過胞吐作用將胞內的藥物排出。
1.2 酶介導的MDR 主要有谷胱甘肽-S轉移酶(Glutathione S-transerases,GST),DNA拓撲異構酶Ⅱ(TopoⅡ)和蛋白激酶C(proteinkinaseC,PKC)等。GST與細胞的解毒功能相關,其催化谷胱甘肽與化療藥物相結合,使藥物代謝為無毒性物質。其次,谷胱甘肽與化療藥物相結合形成GSH-藥物結合物(GSH-X),然后被多藥耐藥相關蛋白泵出細胞外,降低胞內藥物濃度。DNA拓撲酶能催化超螺旋DNA的解旋反應,參與DNA復制、轉錄。TopoⅡ能與蒽環類抗生素結合,切斷DNA導致細胞凋亡。TopoⅡ活性、含量的下降或者基因突變都將導致細胞耐藥的產生[3]。PKC可以增加P-gp的磷酸化水平,使細胞內藥物聚集濃度減少,從而增加耐藥性。
1.3 控制凋亡的基因和蛋白的改變 腫瘤細胞抗凋亡是MDR的重要機制之一,多數化療藥物是通過細胞凋亡導致細胞死亡。抗凋亡基因的過度表達或凋亡基因缺失都將導致MDR產生。野生型P53基因可以抑制多種癌基因,并參與DNA損傷修復。突變型P53基因使腫瘤細胞逃逸放化療所致DNA損傷誘導的細胞凋亡,產生耐藥。Bcl-2是一種抗凋亡基因,其過度表達時將抑制細胞凋亡,使腫瘤細胞重新生長。Survivin是凋亡抑制蛋白家族中最小的成員,在多種腫瘤細胞中過表達,參與腫瘤細胞的發生、發展、化療耐藥。將Survivin沉默后,肺腺癌和軟骨肉瘤細胞G2/M期阻滯,且對化療藥物敏感性增強,原因與化療藥物作用于細胞后Caspase3/7活性增強促進了細胞的凋亡有關[4,5]。
PI3K/AKT是促進細胞增殖,抑制凋亡的一條經典信號通路。近年來研究發現,其在腫瘤的發生發展中也起了主要的作用,如參與血管發生,化療耐藥和放療抗拒等。磷脂酰肌醇-3激酶 (phosphatidylinositol-3-kinase,PI3K)為 一 種胞質蛋白,具有絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶和磷脂酰肌醇激酶雙重活性。當細胞受各種生長因子等刺激后,PI3K的激活將導致3,4-二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)轉化為3,4,5-三磷酸磷脂酰肌醇(PIP3)[6]。PIP3可與胞內 AKT結合,進而激活AKT。AKT是原癌基因c-AKT編碼的一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,有三個結構區分別為PH區,激酶/催化區,調節區。PIP3與AKT的PH結構域結合并介導AKT由胞質轉移到胞膜。激活后的磷酸化AKT蛋白再到胞漿中或者胞核內,將磷酸化下游靶蛋白,最終產生一系列生物學反應。
PI3K/AKT信號轉導通路受多因子調節,參與調節的分子主要是負反饋分子,包括PTEN、CTMP(carboxyl terminal modulator protein )、PHLPP(PH domain leucinerich repeat protein phosphatase)和SHP2(Src homology phosphotyrosyl phosphatase 2)等抑癌蛋白[7]。PTEN是一種具有雙重特異性磷酸酶活性的抑癌基因,其編碼的蛋白能使PIP3去磷酸化,阻斷PI3K/AKT信號通路,從而促進細胞凋亡、抑制細胞增殖、抑制腫瘤新生血管生成,抑制腫瘤遷移和侵襲、逆轉細胞耐藥等作用。
NF-KB蛋白家族是一種多效性轉錄因子,可以與啟動子部位的KB位點發生特異性結合從而促進其轉錄表達。最基本的NF-KB信號通路,包括IKB激酶復合物,IKB蛋白和NF-KB二聚體。當細胞受到刺激后,IKB激酶被激活,從而導致IKB蛋白降解,NF-KB得以釋放,并轉移至細胞核中與目的基因結合,促進目的基因轉錄。激活的PI3K/AKT能夠導致IKB激酶磷酸化,激活NF-KB進而改變基因的表達來促進腫瘤細胞生長,抑制凋亡,促進遷移。mTOR,雷帕霉素作用的靶分子,是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶。mTOR是PI3K/AKT信號通路主要的下游分子。AKT可激活mTOR,激活的mTOR可調控多種基因的翻譯,如cyclinD、CDK4、c-myc等,進而調控腫瘤細胞的生長增殖,細胞周期,遷移等[8]。
PTEN/PI3K/AKT信號通路介導與 p-gp,MRP1介導的多藥耐藥存在密切聯系。Lee等研究發現人前列腺癌PTEN基因缺失的細胞系AKT及P-Akt的表達均高于PTEN陽性表達的細胞,且前者對阿霉素和紫杉醇有較高的耐藥性。PI3K活化可增加CaP(人前列腺癌細胞系)內MRP1基因及蛋白的表達水平,致細胞耐藥性增強,而LY294002(PI3K抑制劑)能增強CaP對阿霉素和紫杉醇的敏感性[9]。楊玉捷等通過體外誘導法成功建立人結腸癌的順鉑耐藥細胞系,LY294002阻斷PI3K/AKT信號通路后,耐藥細胞株中的P-AKT蛋白水平顯著降低,且細胞的生長抑制率和凋亡率均明顯升高[10],提示細胞耐藥的產生與PI3K/AKT的激活抑制了腫瘤細胞的凋亡有關。PI3K/AKT信號通路激活后可上調mTOR表達,進而促進細胞的增殖,抑制凋亡,導致細胞的多藥耐藥。人肺腺癌耐順鉑細胞株A549/CDDP與A549細胞比,AKT1的基因和蛋白表達水平增多,且耐順鉑機制與PI3K/AKT/mTOR信號通路激活有關,經LY294002或雷帕霉素(mTOR抑制劑)處理后,明顯地抑制了耐藥細胞的增殖[11]。Wortmannin(PI3K抑制劑)處理白血病耐藥細胞后,耐藥細胞MRP1表達下調,胞內Rhodamine123蓄積減少,可能與PI3K/AKT信號通路被抑制而導致的P53蛋白增多有關。P53可抑制MRP1啟動子活性,,降低胞內MRP1表達。而耐藥細胞中p-gp與上述信號通路無關[12]。報道證實,PI3K/AKT的下游作用因子NF-KB可以激活MDR1基因的轉錄。抑制NF-KB可以降低人結腸癌HCT15細胞 MDR1mRNA和p-gp的表達。雷公藤內酯(TPL)作為NF-KB的抑制劑與阿霉素聯合應用可以明顯增強K562/A02對阿霉素的藥物敏感性。TPL可以明顯抑制p-gp的表達,致胞內抗腫瘤藥物濃度增加[13]。
LY294002可明顯抑制PI3K/AKT信號通路,改善耐藥細胞對抗腫瘤藥物的敏感性,提高化療療效。LY294002預處理胃癌耐藥細胞SGC7901/ADR和白血病耐藥細胞K562/DNR可部分抑制p-AKT和P-gp的表達,增強藥物敏感性,隨著處理時間的延長,胞內藥物蓄積有增強的趨勢[14]。石小燕等用LY294002處理卵巢癌耐藥細胞A2780/Taxol細胞后,流式細胞儀檢測細胞凋亡率明顯升高;A2780/Taxol細胞對紫杉醇敏感性增加,相對逆轉率達78%;MDR1mRNA、P-Akt及 P-gp蛋白均明顯降低[15],提示可把阻斷PI3K信號通路作為分子靶向治療的方向,研究相應小分子抑制劑,逆轉MDR。
MAPK,絲裂原活化蛋白激酶,是哺乳動物內廣泛存在的一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。MAPK信號轉導通路主要分為4類,分別為:細胞外信號調節激酶(ERK1/ERK2),c-Jun氨基末端激酶(JNK1,2,3/SAPK),p38絲裂原活化蛋白激酶 (p38MAPKαβγ),ERK5/大 絲 裂 素 活 化 蛋 白 激 酶(ERK5/BMK1)[16]。不同的信號刺激可以激活不同的通路。ERK1/2信號通路主要是在生長因子,有絲分裂原、G蛋白耦聯受體等刺激時連續激活Raf,MEK1/2,ERK1/2促進細胞增殖、分化。JNK有三種異構體即JNK1,JNK2,JNK3。JNK/SAPK可被炎性細胞因子、紫外線、熱休克、氧化損傷等刺激因素激活,主要參與炎癥與細胞凋亡過程。活化的JNK由胞膜轉移至胞核,激活下游轉錄因子促進凋亡相關基因表達[17]。P38是一種38KD的酪氨酸蛋白激酶,存在于胞核和胞質中,可以磷酸化激活轉錄因子促進基因的表達。P38MAPK主要參與細胞凋亡,但也可促進細胞增殖,進而導致腫瘤的發生。
3.2.1 ERK1/2在腫瘤多藥耐藥中的研究 表皮生長因子(EGF)或成纖維生長因子(bFGF)可作為刺激因子與相應受體結合,通過受體蛋白酪氨酸激酶激活Ras(調節性GTP酶),活化的Ras激活Raf(MAPKK激酶)并將其定位于細胞膜,最終激活的ERK1/2從胞膜轉移至胞核參與調控轉錄因子,完成細胞的生長、增殖、分化。近年來發現ERK通路不僅與腫瘤的發生、發展有關,也參與了腫瘤的耐藥過程,其作用機制可能是通過調控MDR1基因及蛋白的表達。Kazuhiro等研究發現內源性和外源性P-gp的表達均由 MEK/ERK/RSK信號通路調節,U0126(MEK抑制劑)或者沉默RSK促進P-gp的降解而不改變MDR1基因水平,激活上述通路 后 P-gp 表 達 增 加[18]。Yang 等 研 究 發 現 人 腎 癌NIH3T3細胞外刺激激活PLC(磷脂酶C),進而通過Raf/MEK/ERK信號通路調節 MDR1mRNA 的表達[19]。Feng Yan等ERK1/ERK2能下調肝癌耐藥細胞HepG2/ADM與SMMC7721/ADM 的 P-gp的表達[20]。J.Kisucka等證實敏感和耐藥細胞L1210的ERK表達水平無變化,但P-ERK在耐藥細胞中高表達,加入ERK抑制劑PD98059和U0126處理后,耐藥細胞的p-gp表達下降[21]。
3.2.2 JNK和P38在腫瘤多藥耐藥中的研究 JNK接受上游信號被激活后,可以進一步激活核內轉錄因子c-Jun,c-Jun可通過調節MDR1、MRP1基因或蛋白水平參與耐藥。c-Jun活化可下調K562/A02耐藥細胞中 MDR1基因的表達[22]。隋華等人將 MDR1基因轉染至 HCT8和 HCT8/V細胞,MDR1啟動子的活性明顯增高。加入JNK抑制劑sp600125后,HCT8/V細胞中MDR1基因啟動子活性表達明顯降低。結果提示阻斷JNK信號通路抑制了信號轉導,使人結腸癌耐藥細胞的MDR1的基因表達降低,從而降低了細胞的耐藥性[23]。Zhou等[24]的研究發現胃癌耐藥細胞株EPG85-257RDB和胰腺癌耐藥細胞株EPP85-181RDB高表達p-gp,而JNK和p-c-jun表達低于親本細胞。在穩定轉染了高表達JNK的質粒后,兩種耐藥細胞的MDR1基因及蛋白表達均降低,并呈時間,劑量依賴性。提示JNK能誘導耐藥細胞內p-gp表達減少,胞內阿霉素、柔紅霉素蓄積量明顯增多。Feng Yan等[25]人成功構建了肝癌耐藥細胞SMMC-7721/ADM,檢測顯示高表達p-gp蛋白。與親本細胞比耐藥細胞中JNK1,JNK2,JNK3 的基因表達減少,P-JNK1,PJNK2,P-JNK3蛋白表達均減少。P-JNK2/3表達越低,耐藥細胞耐藥性越高。提示JNK的活性與肝癌細胞耐藥性呈負相關。然而,與上述結果截然不同的是在其他細胞中,JNK活化后可以刺激MRP1基因表達。小細胞肺癌GLC4細胞在阿霉素處理8小時后即有MRP1基因明顯的增加,16小時即有明顯的蛋白表達。其可能的機制是,阿霉素誘導JNK活化,JNK激活c-Jun,p-c-Jun與 MRP1基因啟動子 AP-1相互作用進而使MRP1基因表達增多[26]。
p38MAPK參與細胞耐藥可能與凋亡基因的激活,耐藥基因或蛋白的改變有關。焦今文等[27]發現上皮性卵巢癌經多療程化療后p38MAPK通路受抑制,導致Survivin、ERCC1、LRP的表達增高,進而導致腫瘤順鉑耐藥的產生。SB203580(p38抑制劑)處理后的L1210/VCR細胞對長春新堿的敏感性增加,胞內長春新堿的藥物濃度增加。SB203580并沒有改變 MDR1基因和p38-MAPK蛋白的表達,但是p38-MAPK的活化增強。耐藥的改變可能是SB203580作用于p-gp的結果[28]。SB202190(p38-MAPK 抑制劑)通過降低轉錄因子 AP-1的活性來抑制 MDR1基因的表達[29]。p38-MAPK在MDR1基因表達中起的作用與細胞類型相關。ERK,JNK,P38MAPK信號通路存在著廣泛的交叉作用 。而PI3K/AKT和MAPK信號通路作為與細胞生命活動密切相關的兩條信號通路,彼此也存在著密切的聯系,可以交叉激活。
PKC是一種鈣和磷脂依賴的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,經第二信使激活后PKC通過磷酸化蛋白或者參與其他基因轉錄參與細胞的增殖、分化、凋亡等多種生物學。目前研究PKCα與腫瘤的多藥耐藥相關[30]。PKCα、PKCε及 P-gp在卵巢癌中表達明顯高于正常、良性、交界性上皮性腫瘤的表達,復發癌組織中PKCα、PKCε及P-gp的表達明顯高于初治者[31]。可能的機制如下:通過激活啟動子增強 MDR1基因轉錄,致p-gp蛋白增多;增加p-gp磷酸化;介導 MRP1轉錄水平的提高。加入PKC的抑制劑Staurosporine后,細胞內MDR1的表達升高,胞內藥物濃度增高。
耐藥的產生不僅與基因和蛋白表達密切相關,也與腫瘤藥物被泵出胞外過程相關。阿帕替尼可以通過刺激p-gp及MRP1的ATP酶活性增強耐藥細胞對阿霉素的敏感性,胞內羅丹明123蓄積量增多,并未改變MDR1及MRP1基因和蛋白水平,PI3K/AKT和 ERK信號通路也未激活[32]。YC-1能明顯抑制耐藥細胞中p-gp的轉運功能,增加胞內藥物蓄積量,且依賴于 NO/cGMP/PKG/ERK信號通路[33]。
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