OGR1與腫瘤微環(huán)境

李維莎，劉宏飛，嚴立波，高 苒*，秦 川*

(1.國家衛(wèi)生健康委員會人類疾病比較醫(yī)學重點實驗室，北京市人類重大疾病實驗動物模型工程技術(shù)研究中心，中國醫(yī)學科學院醫(yī)學實驗動物研究所，北京協(xié)和醫(yī)學院比較醫(yī)學中心，北京 100021； 2.首都醫(yī)科大學附屬北京同仁醫(yī)院，北京 100730)

腫瘤由腫瘤細胞和腫瘤細胞相關(guān)細胞組成，而腫瘤相關(guān)細胞包括血管內(nèi)皮細胞、外周血細胞以及炎性細胞，腫瘤細胞不僅與腫瘤相關(guān)細胞相互作用而且也受細胞外基質(zhì)成分的影響[1]。腫瘤細胞與其周圍環(huán)境構(gòu)成了腫瘤特異性的腫瘤微環(huán)境。腫瘤微環(huán)境酸中毒(細胞外氫離子濃度上升、pH值下降)對腫瘤的惡性程度和發(fā)展有重要作用[2]。G蛋白偶聯(lián)受體(GPCRs)家族可以幫助細胞感知細胞外酸中毒[3]。近年來，GPCRs作為主要的藥物靶標，對GPCRs與腫瘤酸性微環(huán)境之間作用機制和功能的研究及其pH敏感的GPCR小分子調(diào)節(jié)劑的開發(fā)可為腫瘤治療提供新的策略。

1 腫瘤微環(huán)境

腫瘤相關(guān)細胞，免疫細胞和細胞外基質(zhì)等與腫瘤細胞的相互作用調(diào)節(jié)腫瘤的生長和發(fā)育。腫瘤細胞與其周圍環(huán)境所組成的高度異質(zhì)性的、且隨著腫瘤發(fā)展而不斷變化的微小生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成了腫瘤特異性的腫瘤微環(huán)境。由于供血不足，缺氧，炎癥和腫瘤細胞糖酵解代謝不足，腫瘤微環(huán)境早已被認為是特征性酸性環(huán)境[1-5]。腫瘤細胞獨特的糖酵解代謝產(chǎn)生過量的乳酸[6]。因此，通過酸堿調(diào)節(jié)劑(如Na+/H+交換劑和單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白)將質(zhì)子和乳酸從腫瘤細胞輸出到細胞外空間可能是導致腫瘤微環(huán)境呈酸性的原因[7-8]。在正常生理條件下，血液和組織的pH值嚴格控制在7.4左右。然而，在諸如腫瘤微環(huán)境的病變組織中，局部pH范圍可能在5.5至7.0[2-3, 5]。因此，與細胞外環(huán)境相比，腫瘤細胞的胞內(nèi)pH略微呈堿性，并且越來越多的研究表明，這樣內(nèi)部的堿性環(huán)境對腫瘤細胞增殖有促進作用[2, 9-11]。

腫瘤微環(huán)境酸中毒(細胞外氫離子濃度上升、pH值下降)可能對腫瘤的惡性程度和發(fā)展有許多作用(圖1)。研究表明慢性酸中毒可以通過誘導染色體不穩(wěn)定性，細胞分裂和基因突變來影響腫瘤細胞增殖[12-13]。酸中毒還可通過降解細胞外基質(zhì)而促進轉(zhuǎn)移[14-15]。此外，酸中毒也具有細胞毒性，抑制腫瘤細胞增殖，誘導應激反應和細胞凋亡[16-17]。總之，酸中毒已被認為是腫瘤微環(huán)境的決定性標志[18]。然而，腫瘤細胞，免疫細胞和血管細胞感知酸中毒并對其作出反應的機制尚未完全清楚，因此對其機制的研究有利于更全面地了解腫瘤生物學。

2 G蛋白偶聯(lián)受體(G-protein coupled receptors, GPCRs)

有些受體和離子通道家族可以幫助細胞感知細胞外酸中毒[19]，比如G蛋白偶聯(lián)受體(GPCRs)。已知GPCR家族成員有卵巢癌G蛋白偶聯(lián)受體1(OGR1)，G蛋白偶聯(lián)受體4(GPR4)，G2積累受體(G2A)和T細胞死亡相關(guān)基因8受體(TDAG8)。研究發(fā)現(xiàn)GPCRs可以作為一種新的pH傳感器[20-22]，在腫瘤的發(fā)展，轉(zhuǎn)移，炎癥和血管生成中均有一定作用[20]，并且研究證明OGR1是細胞外酸中毒的傳感器[20, 23-24]。與其他GPCRs成員一樣，OGR1也是由7個跨膜結(jié)構(gòu)域組成，信號傳導涉及Gs，Gi，Gq和G12/13途徑[25]。OGR1對細胞外pH變化的具有極高的敏感性，感受區(qū)存在于幾個組氨酸殘基中，其在pH 7.2～7.5時半活化，在pH 6.4～6.8下完全活化[20, 24]。GPCRs作為主要的藥物靶標，對其pH敏感的GPCRs小分子調(diào)節(jié)劑的開發(fā)已經(jīng)成為研究熱點。因此，對OGR1與腫瘤酸性微環(huán)境之間作用機制和功能的研究可能為腫瘤治療提供新的策略。

圖1 酸性微環(huán)境調(diào)節(jié)腫瘤細胞的增殖、凋亡、克隆突變以及降解胞外基質(zhì)，炎癥反應，抗腫瘤免疫等Figure 1 The acidic environment regulates tumor cell proliferation, apoptosis, cloning, mutation, and degradation of the extracellular matrix, inflammation, anti-tumor immunity,etc.

G蛋白偶聯(lián)受體是細胞表面信號蛋白超家族，在多種疾病中起重要作用，尤其是炎癥和腫瘤的發(fā)展過程中[20]。GPCRs作為藥物的靶標的發(fā)現(xiàn)已引起廣泛關(guān)注，據(jù)報道，40%的臨床實踐中使用的藥物通過靶向GPCRs進行篩查。它們可以參與多種病理生理過程同時介導細胞內(nèi)的多種信號通路[26]。在人體中，有四種已知的質(zhì)子傳感器GPCRs，包括GPR4、TDAG8(GPR65)、OGR1(GPR68)和G2A(GPR132)[20, 23, 27]。這些質(zhì)子傳感GPCRs已被研究證明可以感知腫瘤細胞外質(zhì)子變化[28]。對腫瘤的發(fā)展，轉(zhuǎn)移，炎癥乃至血管生成有著重要作用。OGR1最早是從人卵巢癌Hey細胞系中克隆得到的一種G蛋白偶聯(lián)受體，以前稱為鞘氨醇磷酸膽堿受體，現(xiàn)在稱為卵巢癌G蛋白偶聯(lián)受體1或者是GPCR68[25, 29]。除了各種腫瘤組織細胞， 在正常組織細胞中也普遍分布，包括脾、睪丸、小腸、外周血白細胞、腦、心、肺、胎盤和腎等[29]。

3 OGR1與腫瘤發(fā)生

目前已經(jīng)有許多研究是關(guān)于酸中毒對腫瘤細胞的影響，然而，由于酸中毒反應的復雜性，其對腫瘤細胞作用的分子機制在很大程度上還是未知的。最初認為GPCRs是一種溶血脂類受體，之后，Ludwig 等人[20]研究發(fā)現(xiàn)在酸性條件下，質(zhì)子能夠破壞組氨酸殘基之間的氫鍵從而使GPCRs活化。一方面，OGR1 通過Gq/11蛋白與PLC/Ca2+信號傳導途徑偶聯(lián)[29]，可以促進腫瘤細胞的存活。另一方面，還可通過酸性條件激活OGR1信號傳導細胞內(nèi)Ca2+/PKC通路和ERK信號級聯(lián)反應促進黏附因子和細胞外基質(zhì)蛋白結(jié)合基因的表達[25]，從而抑制腫瘤的遷移和增殖。如圖2所示，OGR1通過酸中毒增強細胞 - 基質(zhì)黏附和相互作用，并在腫瘤發(fā)生中發(fā)揮相應的作用[30]。

研究顯示，OGR1敲除(OGR1-/-)小鼠前列腺癌(TRAMP)模型中腫瘤形成減少。OGR1-/-小鼠的黑色素瘤異種移植實驗中中顯示出相似的結(jié)果[27, 31]。與原發(fā)性前列腺癌組織相比，在轉(zhuǎn)移性腫瘤中OGR1的表達較低。OGR1抑制前列腺癌轉(zhuǎn)移而不影響原發(fā)腫瘤進展，提示OGR1是一種新的前列腺癌轉(zhuǎn)移抑制基因[32]。與抑癌基因(如p53和Rb)不同，轉(zhuǎn)移抑制基因可通過啟動子甲基化和其他機制抑制它們的表達，降低癌細胞系的轉(zhuǎn)移傾向，而不會影響腫瘤的發(fā)生[33-34]。因此，恢復轉(zhuǎn)移抑制基因的表達可能抑制腫瘤轉(zhuǎn)移。該研究結(jié)果也延伸至乳腺癌，其中Li等人[35]最近的研究顯示OGR1通過激活Gα12/ 13-Rho-Rac1信號傳導途徑抑制MCF7的細胞遷移。這些結(jié)果表明OGR1可能充當腫瘤轉(zhuǎn)移抑制因子的角色[30]。需要進一步研究pH和質(zhì)子激活信號在該蛋白中的作用及其與這種抗腫瘤轉(zhuǎn)移的關(guān)系。

圖2 OGR1介導的信號通路：OGR1感知細胞外質(zhì)子，導致cAMP信號傳導途徑的激活。OGR1通常通過Gq/11蛋白與PLC/Ca2+途徑偶聯(lián)Figure 2 OGR1-mediated signal transduction pathway: OGR1 perceives extracellular protons, leading to cAMP signaling pathway activation. OGR1 usually functions through Gq/11 protein coupling with PLC/Ca2+ channels

然而也有研究報道，OGR1在人成神經(jīng)管細胞瘤(一種神經(jīng)元前體細胞癌)中過度表達。該報道顯示，人成神經(jīng)管細胞瘤細胞系中通過細胞質(zhì)中質(zhì)子介導的Ca2+釋放觸發(fā)ERK信號傳導途徑激活OGR1[36]。這意味著細胞外酸化能促進成神經(jīng)管細胞瘤的細胞存活。這一重要發(fā)現(xiàn)證明了OGR1的腫瘤促進機制，不同于先前在前列腺癌和黑素瘤中報道的抗腫瘤機制。另外，研究證明只有增殖細胞才能在酸性pH下轉(zhuǎn)化進入基因轉(zhuǎn)錄，表明酸性微環(huán)境為非轉(zhuǎn)化增殖腫瘤細胞提供了生存優(yōu)勢[37]。總之，所有這些觀察結(jié)果都意味著酸性pH敏感信號的轉(zhuǎn)導是高度依賴于環(huán)境的，并且取決于腫瘤類型。

4 OGR1與腫瘤免疫反應

腫瘤微環(huán)境中最常見的免疫細胞是腫瘤相關(guān)巨噬細胞(TAM)和T細胞。TAM主要促進腫瘤生長，可能是血管生成，侵襲和轉(zhuǎn)移的必要條件。OGR1是一種質(zhì)子傳感分子，可以檢測炎癥期間發(fā)生細胞外pH降低。已顯示OGR1在各種疾病中具有促炎功能，其在腫瘤自身免疫中也發(fā)揮著中重要作用。最近的研究指出在許多疾病中各種免疫細胞(包括有巨噬細胞，樹突細胞，T細胞及中性粒細胞等)OGR1的表達與否，對炎癥反應有重要影響[38]。Yan等人[27]研究證明小鼠體內(nèi)的OGR1缺乏顯著減少了小鼠前列腺癌的發(fā)生幾率。過繼轉(zhuǎn)移實驗表明，骨髓來源的細胞，特別是DP細胞中的OGR1表達對腫瘤細胞誘導的免疫抑制和腫瘤發(fā)展很重要，發(fā)揮作用的途徑可能是通過促進M2巨噬細胞發(fā)育和抑制T細胞浸潤。與WT小鼠相比，ogr1-/-小鼠的腫瘤中，誘導型一氧化氮合酶(iNOS)(M1巨噬細胞標記物)的表達較高，并且精氨酸酶-1(Arg1)(M2巨噬細胞標記物)的表達較低[38]。另外，為了確定T細胞是否有在前列腺癌發(fā)生中參與ogr1-/-小鼠排斥腫瘤細胞的能力，CD4+和CD8+T細胞在ogr1-/-小鼠中被耗盡，數(shù)據(jù)表明CD4+和CD8+T細胞參與ogr1-/-小鼠中的TRAMP-C2腫瘤排斥，并且可以在腫瘤排斥中起到效應細胞的作用[38]。在前列腺癌模型中，觀察到，帶有腫瘤的ogr1-/-小鼠與體外腫瘤細胞刺激WT小鼠相比，前者得到的脾單核細胞，顯示出促炎細胞因子和抗炎細胞因子的損傷[39]。

5 OGR1與血管生成

腫瘤血管系統(tǒng)是一個對腫瘤生長和轉(zhuǎn)移極其重要的調(diào)節(jié)因素。因為缺氧致使腫瘤的生長需要增加腫瘤內(nèi)血液供應，腫瘤缺氧促進血管生成從而增加其轉(zhuǎn)移能力。腫瘤中的血管生成導致以結(jié)構(gòu)和功能缺陷為特征的血管的異常發(fā)育[40]。腫瘤細胞和宿主細胞釋放的幾種分子誘導血管的生成，一些生長因子如VEGF及其同源酪氨酸激酶受體(VEGF-R1，VEGF-R2)是血管生成的主要貢獻者，但也有研究證明許多GPCRs參與其中[41-43]。研究表明OGR1所屬的GPCRs及其同源配體可通過誘導內(nèi)皮細胞的增殖直接促進血管生成，或通過促進VEGF和其他血管生成因子從基質(zhì)細胞，免疫細胞或癌細胞中釋放而間接促進血管生成[44]。腫瘤血管生成提供營養(yǎng)物質(zhì)以促進腫瘤生長，以及侵襲和轉(zhuǎn)移。研究表明腫瘤細胞可以通過調(diào)節(jié)OGR1及其配體的異常表達，利用激活的GPCRs引發(fā)一系列信號傳導途徑，包括第二信使，GEF，Ras和Rho GTP酶，MAP激酶，PI3K及其眾多下游胞質(zhì)和核靶標途徑，來促進血管生成[45]。OGR1主要起質(zhì)子傳感器的作用，可被細胞外酸中毒激活[5]，血管生成由促血管生成和抗血管生成分子的平衡調(diào)節(jié)，觸發(fā)此調(diào)節(jié)的信號之一是低pH[46]，酸性pH增加促血管生成因子VEGFA和IL8的表達[41]，研究表明在細胞外酸性條件下頭頸部鱗狀細胞癌中IL8和VEGFA的分泌可以誘導血管生成[47]，OGR1同源的GPCRs-GPR4在酸性pH下促進促血管生成因子的分泌， 表明了抑制GPR4或酸性pH可以抑制腫瘤血管生成[47]。

6 結(jié)語

由于腫瘤微環(huán)境具有酸性特征，因此探索涉及酸堿調(diào)節(jié)和pH穩(wěn)態(tài)的分子途徑可以為癌癥治療提供新思路[7]。例如，幾個研究小組最近發(fā)現(xiàn)質(zhì)子泵抑制劑可以減少食管腺癌和肝母細胞瘤的腫瘤發(fā)展[48-49]。由于GPCR是重要的藥物靶標[26]，因此研究pH敏感GPCRs家族中OGR1與腫瘤微環(huán)境之間相互作用的分子機制在癌癥治療和化學預防領(lǐng)域是非常有價值的。OGR1參與了腫瘤細胞增殖，凋亡，轉(zhuǎn)移，血管的生成，免疫細胞功能和炎癥等生命活動[32]。對質(zhì)子感應OGR1或其下游信號傳導途徑的控制和改造具有抗癌治療的適用性。此外，一些報道發(fā)現(xiàn)OGR1可能作為轉(zhuǎn)移抑制因子起作用[50]。另外，OGR1對腫瘤血管生成的研究則也可以開發(fā)新的腫瘤抑制藥物。隨著質(zhì)子傳感GPCRs家族在腫瘤生物學中的影響不斷擴大，在腫瘤免疫飛速發(fā)展的今天對OGR1的研究對于了解腫瘤細胞，免疫細胞和血管如何在腫瘤微環(huán)境中感知和應對酸中毒至關(guān)重要，可能為醫(yī)學診斷、治療乃至藥物的發(fā)現(xiàn)提供新的策略。