PAK5在腫瘤組織中的研究進展

鄒競慧，張萍

(上海交通大學醫學院附屬新華醫院婦科，上海200092)

PAK5在腫瘤組織中的研究進展

鄒競慧，張萍

(上海交通大學醫學院附屬新華醫院婦科，上海200092)

PAK5為PAKs(p21活化的激酶)家族中新近發現的成員，PAKs在細胞骨架重組、細胞增殖、細胞侵襲轉移、基因轉錄及細胞凋亡等一系列的細胞功能中發揮著重要的調控作用。PAKs是一類高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，通過與Rac和Cdc42結合而激活發揮作用。PAKs作為小G蛋白Rho家族的下游靶蛋白，可被生長因子及其他胞外信號活化。近來研究表明，PAK5在神經源性腫瘤、胃腸癌、骨肉瘤及卵巢上皮癌等過表達。本文就PAK5的結構、表達部位和功能及影響腫瘤細胞增殖、侵襲、轉移和凋亡，影響腫瘤耐藥的作用等方面綜述。

P21活化的激酶(PAK5)；細胞增殖；侵襲；細胞凋亡；耐藥

p21活化激酶(p21-activated kinases，PAKs)作為小G蛋白Rho家族的下游靶蛋白，是一類進化上高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。PAK5是目前PAKs中研究最少的激酶，主要在成熟的神經組織中表達，在正常的胃腸組織、胰腺、卵巢和睪丸等組織也有表達。近來發現PAK5在一些腫瘤組織中過表達，并且隨著惡性程度增高，表達含量增高。PAK5主要影響腫瘤細胞運動、異常增殖、侵襲轉移、凋亡及腫瘤細胞耐藥等過程。目前化療是治療惡性腫瘤的主要方法之一，能明顯改善患者的生存率。隨著化療藥物濃度的升高，對腫瘤細胞殺傷作用的增強，對正常細胞的毒副作用也越大，有的患者無法耐受大劑量的化療藥物或因腫瘤細胞的耐藥導致化療失敗，故從基因分子層面和信號傳導通路對PAK5進行研究至關重要。通過探索PAK5在腫瘤細胞中的作用機制，腫瘤耐藥的分子機制，提高化療的敏感性，逆轉耐藥，為臨床上惡性腫瘤細胞治療提供一個新的線索。

1 PAK家族(PAKs)的結構特點

p21活化激酶是一類進化上高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，PAKs首次在篩選Rac和Cdc42的效應物時發現，迄今共發現6個成員，是腫瘤細胞內信號傳導的關鍵調節分子之一，PAKs各成員均可以獨立的激活效應蛋白[1]。根據PAKs的結構及生化特征分為兩類，Ⅰ類包括PAK1-3，分子量為62 104 kD，Ⅱ類包括PAK4-6，其分子量為65～68 kD。所有PAKs結構的C末端均含有催化域，N末端含有調節域(PBD)，其內部有一個Cdc42/Rac結構域(CRIB)。Ⅰ類PAK催化序列中有80%～90%的同源性。在N末端CRIB部分結構重疊，形成一個自動抑制結構域(AID)，CRIB通過與Cdc42以及Rac結合后構象發生改變，PAK活性被激活，發揮細胞的粘附、遷移以及凋亡功能[2]。Ⅱ類PAK和Ⅰ類PAK催化區序列同源性只有40%～50%，其N末端和C末端也含有PBD和催化域，但不含有AID，不需耍與Cdc42以及Racl結合被激活發揮PAK活性。研究發現CRIB與Cdc42/Rac結合并不增強Ⅱ類PAK活性[3]。此外，兩類PAK催化域的活化環內均含有絲氨酸/蘇氨酸磷化位點及TXY保守序列，Ⅱ類PAK的激活可能與此序列有關[3]。

2002年首次從成人腦組織中克隆出PAK5，其cDNA序列基因全長4 612 bp，位于20p12，含有12個外顯子，其上游大約1 kD為CpG島，編碼80 kD的蛋白質[4]，結構見圖1。C末端編碼1個Ste20樣的激酶區域，包含11個激酶亞單位。PAK5 N末端含有一段120個氨基酸的自動抑制結構域(AID)，而在其他的II類PAK家族中并不存在，其活化受CDC42調控，這一區域與PAK5發揮功能密切相關[4]。

圖1 PAK5基因結構圖

2 PAK正常組織分布及生理功能

2.1 PAK5組織分布PAK5是目前PAKs中研究最少的激酶。Pandey等[4]發現PAK5在成熟的神經細胞中表達較高，在胃腸組織、胰腺、卵巢和睪丸等組織也有表達。動物試驗顯示PAK5在成年小鼠整個腦組織中表達量均較高，以大腦皮層、小腦和嗅球細胞表達量最高[5]。近來學者發現PAK5在腫瘤細胞內過表達，如神經母細胞瘤、消化道腫瘤、乳腺癌、卵巢癌及胰腺癌等。PAK5參與惡性腫瘤細胞的發生發展過程，隨著惡性表達程度的增強，PAK5表達量逐漸增加。

2.2 PAK5的生理功能PAK5主要定位于細胞線粒體中，是多種信號傳導通路的核心分子。當PAK5激活后活化下游的效應蛋白，如MAPK、JNK等引起生物學功能的改變，如細胞的異常增殖、細胞的粘附遷移和細胞抗凋亡等[6]。研究發現PAK5被生長因子及其他胞外信號分子通過GTP酶依賴的信號傳導通路或非GTP酶依賴的信號傳導通路活化，作用于下游的激酶底物或結合其他蛋白發揮生物學功能，PAK5的激活主要受G蛋白耦聯受體和幾種生長因子受體如酪氨酸激酶受體(如表皮生長因子、胰島素、血管內皮生長因子受體)調控，這些通路均激活PAK5，相繼激活PI-3激酶(PI3K)和Dbl家族的鳥苷酸交換因子(GEF)，GEF作用于小GTPaseRac和CDC42受體發揮作用[2]。Cotteret等[7]發現PAK5定位于細胞內線粒體時直接磷酸化BAD蛋白第112位絲氨酸(Bad Serl12)，抑制細胞凋亡。當PAK5定位于細胞核時，不能有效的磷酸化BAD，不能抑制細胞凋亡。BAD蛋白是Bcl-2家族中促凋亡基因之一，在中樞及周圍神經元、骨髓造血細胞、淋巴細胞、生殖細胞及許多組織上皮細胞內均表達，同時在多種腫瘤細胞中如膠質母細胞瘤和前列腺癌等過表達。此外，PAK5也能通過AKT途徑間接使BAD蛋白第136位絲氨酸(Bad Serl36)磷酸化，抑制細胞凋亡[8]。AKT是一個絲／蘇氨酸激酶，是磷脂酰肌醇3激酶的下游蛋白，為許多促細胞生存信號蛋白所激活。關于PAK5抑制細胞凋亡的具體下游信號傳導通路尚未證明[8]。

3 PAK5 與腫瘤組織

3.1 PAK5與神經源性腫瘤PAK5在腦組織中高表達，與細胞骨架中的肌球蛋白和微管結合，促進微管形成，影響細胞運動。PAK5還可與細胞外基質受體結合，激活整合素，促進黏附結構蛋白及小GTPaseRac、Cdc42等，共同在細胞膜上簇集黏附[9]，促進細胞骨架重排，增強細胞極性化，增強細胞膜張力，同時小GTPaseRac、Cdc42刺激細胞胞膜形成絲狀偽足及片狀偽足[1]。Dan等[5]驗證了在N1E-115神經母細胞瘤細胞上，高表達的PAK5誘導神經細胞絲狀偽足的形成，促進軸突的生長。在HEK293細胞中共轉染野生型PAK5以及持續活化型Cdc42質粒以后促進神經細胞膜片狀偽足的形成，增強細胞的游走與遷徙能力[11]。PAK5在腦膠質瘤中也高表達，腦膠質細胞瘤呈浸潤性生長，高度惡性的腦膠質細胞瘤更易浸潤和侵襲周圍的正常組織，PAK5在Ⅲ級和Ⅳ級腦膠質細胞瘤表達量顯著增高，這與PAK5促進腫瘤細胞侵襲轉移的作用相一致[12]。惡性腫瘤的侵襲和遠處轉移與細胞外基質的降解和基底膜的破壞密切相關，近來研究表明PAK5促進神經源性腫瘤侵襲轉移可能與PAK5-Egr1(早期生長因子1)-MMP2(基質金屬蛋白酶2)傳導通路有關[13]。另有文獻還表明PAK5可通過抑制MARK活性阻止阿爾茨海默病相關的神經退行性變[14]。

3.2 PAK5與胃腸癌Gong等[15]報道PAK5在大腸癌中過表達，結直腸癌由正常黏膜細胞發展至癌細胞的過程中，PAK5的表達含量逐漸增加。PAK5導致結直腸癌遠處侵襲和轉移。腫瘤遠處轉移過程涉及多種信號通路，包括癌細胞的異常增殖、重塑細胞外基質、通過侵襲細胞外基質、黏附定植于新組織并重新增殖等過程。實驗發現過表達的PAK5通過對Ⅰ型膠原蛋白的影響降低細胞間粘附作用，增強細胞的游走遷徙能力。而敲除PAK5則增加細胞間粘附，降低細胞遷移能力[15]。隨后的研究還表明PAK5抑制結腸癌細胞凋亡是通過直接磷酸化Bad Ser112位點和通過AKT間接磷酸化Bad Serl36，顯著降低Bad與Bcl-2或Bcl-x(L)的相互作用，增加Bad與14-3-3蛋白的相互作用，抑制細胞凋亡[16]。兩條途徑的信號通路上任何一點的干涉均可能成為結直腸癌治療的靶點。Wang等[16]也發現在PAK5過表達的結直腸癌細胞中，凋亡過程Caspase-8活化明顯抑制，化療藥物喜樹堿誘導的腸癌細胞凋亡受到明顯抑制；相反，抑制PAK5表達，細胞凋亡明顯增加，具體機制尚未闡述。而Gu等[17]實驗證明敲除PAK5抑制胃癌細胞增殖是通過CDK2、CDC25A和細胞周期D1阻滯細胞G(0)/G(1)期。

3.3 PAK5與骨肉瘤與骨巨細胞瘤相比，PAK5在骨肉瘤細胞表達量顯著升高，其表達量與外科Enneking分期、腫瘤壞死率和遠處肺轉移密切相關。PAK5表達于骨肉瘤組織中的細胞質內，PAK5能夠促進骨肉瘤細胞的異常增殖，可能通過磷酸化P-BAD激活Caspase-3，Caspase-9抑制細胞凋亡[18]。細胞凋亡的激活有三條途徑：外源性途徑通過激活細胞表面死亡受體(如Fas)，引起Caspase-8或Caspase-10的激活；內源性途徑通過線粒體細胞色素C的釋放，引起Caspase-9的激活。未激活的Caspase是以酶原形式存在(pro-Caspase)，酶原活化時將酶原氨基端的“原結構域”切除，將剩余部分剪切成兩個亞基(P43KD和P20KD)，活性酶就是由這兩種亞基以(P43/P20KD)2的形式組成的，Capase-8是細胞凋亡過程中最重要的終末剪切酶。第三種途徑是內質網應激導致Caspase-12的活化，從而引起凋亡。實驗證明PAK5介導腫瘤細胞的凋亡主要是通過線粒體途徑。

3.4 PAK5與乳腺癌Taneja等[19]發現PAK5是乳腺癌細胞凋亡抑制因子，抑制PAK5基因表達可上調p21蛋白的表達，下調CyclinD1蛋白，使細胞停滯在Gl期，抑制細胞增殖，同時下調凋亡相關蛋白pre-caspase8及pre-caspase3的表達，誘發細胞的凋亡。下調PAK5通過上調Egr-1的表達，抑制MMP-2的表達，抑制乳腺癌細胞的侵襲和轉移。近來研究在乳腺癌細胞中，PAK5通過磷酸化GATA1 Ser161和Ser187抑制細胞間質鈣粘蛋白，使細胞連接斷裂，促進上皮間質轉化，降低細胞間的粘附性，促進乳腺癌細胞侵襲轉移[20]。

3.5 PAK5與卵巢癌、胰腺癌Diyou等[21]從卵巢上皮癌(EOC)細胞SK-OV-3中建立不同濃度紫杉醇的耐藥株SK-OV-3-TR1、SK-OV-3-TR2，證明PAK5在EOC組織中的表達顯著升高，并且促進EOC發生紫杉醇耐藥。PAK5可能通過調節EOC細胞周期促進細胞增殖，抑制細胞凋亡。隨后，在細胞模型上驗證了該基因的功能表型，證實PAK5是卵巢癌紫杉醇耐藥的核心調節靶點，具體信號傳導通路有待于進一步研究[21]。在目前耐藥機制中，多重藥耐藥相關基因-1(MDR1)編碼的P-糖蛋白(P-gp)備受關注。P-gp為ATP結合轉運蛋白(ATP binding cassette，ABC)家族成員之一，是一種分子量約為170 kD跨膜運輸蛋白，嵌插在細胞的漿膜上，由1 280個氨基酸殘基組成，為能量依賴型藥泵，能將多種結構和作用機制不同的天然藥物如紫杉醇、環孢菌素等藥物排出細胞外，使細胞內蓄積濃度下降，從而阻礙化療藥物作用的發揮而產生耐藥，因此抗腫瘤藥誘導細胞MDR1表達可能是導致EOC治療失敗的主要原因[22]。Giroux等[23]利用細胞轉染技術實驗證明PAK5在胰腺癌細胞株MiaPaCa2中過表達，通過抑制PAK5活性，胰腺癌細胞的凋亡數目比例明顯增加，從而推測PAK5參與胰腺癌的耐藥過程，具體耐藥機制尚不清楚。

4 展望

綜上所述，眾多證據表明PAK5可以通過不同機制在腫瘤組織中發揮作用，調控腫瘤細胞多種功能，包括細胞異常增殖、細胞侵襲轉移、細胞凋亡及促進腫瘤細胞耐藥等。未來的任務是通過驗證這些結果，并進一步闡明其在腫瘤組織中作用的具體分子機制和相關的信號傳導通路，確定PAK5是否可以作為治療腫瘤的一個新靶點，為臨床上干預有效的信號傳導環節及研發新型的腫瘤抑制藥物提供新的思路。

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Research progress of PAK5 in tumor tissues.

ZOU Jing-hui,ZHANG Ping.Department of Gynecology,Xinhua Hospital,Shanghai Jiaotong University School of Medicine,Shanghai 200092,CHINA

p21-activated kinase 5(PAK5)is a recently identified member of PAKs that play an important role in cytoskeleton remodeling,cell proliferation,cell invasion,gene transcription and cell apoptosis.PAKs are evolutionarily conserved families of serine/threonine protein kinase that are activated by small GTPases of the Cdc42 and Rac families.As the down-stream target protein of Rho family of small GTPase,PAKs can be activated by growth factor and extracellular signaling.Recently,studies found that PAK5 was overexpressed in some cancer such as neurogenic,gastric and colon cancer,osteosarcoma,epithelial ovarian cancer.This review focuses on the structure,expression,function of PAK5,and its role in the proliferation,invasion,apoptosis,and drug resistance of tumor.

p21-activated kinase 5(PAK5);Proliferation;Invasion;Apoptosis;Drug resistance

R73-3

A

1003—6350（2016）02—0262—04

10.3969/j.issn.1003-6350.2016.02.030

2015-04-01)

張萍。E-mail：amyjinghui@163.com