JAK/STAT3介導腫瘤惡病質肌肉萎縮及藥物干預研究進展

桑亞洲,張 艷,陳玉龍,吳耀松

(河南中醫藥大學中醫藥科學研究院 河南省中醫方證信號傳導重點實驗室/河南省中醫方證信號

傳導國際聯合重點實驗室,鄭州 450046)

腫瘤惡病質是一種以體重減輕和肌肉萎縮為主要特征,伴隨或不伴隨脂肪減少,并且營養支持不能完全逆轉,生理機能減退和功能出現障礙為主要特征的綜合征[1],這與機體代謝紊亂密切相關,至今尚無有效的藥物干預措施可完全逆轉惡病質狀態[2-4]。惡病質的公認診斷標準以體重和體重指數(body mass index,BMI)為主要觀察指標,即6個月內腫瘤患者非意愿性體重降低＞5%;或BMI＜20 kg/m2伴體重降低＞2%:或者四肢骨骼 肌質量指數(appendicular skeletal muscle index,ASMI)小于7.26 kg/m2(男)或小于5.45 kg/m2(女)伴體重降低＞2%[5]。其病理生理學特征是食物攝入不足和代謝異常(包括能量消耗,過度的分解代謝和炎癥)引起的機體功能和器官嚴重衰退。大量文獻表明,多個器官參與晚期癌癥患者的骨骼肌丟失,如中樞神經系統調節[6]、白色脂肪組織損失[7]、胰腺功能障礙[8]、肝代謝失衡[9]、骨骼和肌肉的相互作用[10]、腸道菌群變化[11]均可以誘發機體能量失衡和體重丟失,導致嚴重的腫瘤惡病質肌肉萎縮,已成為癌癥相關惡病質發展的重要因素[12-13]。JAK/STAT3信號通路是一條多種細胞因子共用的信號傳導途徑,在調控細胞增殖、凋亡、血管新生等多個方面承擔著關鍵作用,在腫瘤惡病質的發生發展中也發揮重要的調節作用,相關研究表明JAK/STAT3信號通路是引起腫瘤惡病病質肌肉萎縮的關鍵環節,現總結如下:

1 JAK/STAT3信號通路介導的腫瘤惡病質肌肉萎縮機制

Janus激酶(Janus kinase,JAK),是一個細胞內非受體酪氨酸激酶家族,可介導細胞因子產生的信號,并通過JAK/信號傳導及轉錄激活因子(signal transducers and activators of transcription,STAT)信號通路傳遞。JAK/STAT信號通路參與將信息從細胞外多肽信號傳遞到細胞核中的靶基因啟動子。該途徑是通過細胞因子配體與細胞表面細胞因子受體的結合而啟動,配體的結合觸發JAK的活化,而活化的JAK可以磷酸化受體上的關鍵酪氨酸殘基,從而通過其SH2結構域(src homology 2,SH2)募集特定的STAT形成二聚體,并在輸入蛋白α(importin-α)的轉運下進入細胞核與特定的DNA靶標結合進而發揮其調控細胞生長、分化、增殖,凋亡等一系列生理病理作用[14-15]。STAT有多個蛋白家族,包括(STAT1、STAT2、STAT3、STAT5A、STAT5B、STAT6),其中STAT3的蛋白和基因表達是造成腫瘤惡病質肌肉萎縮的關鍵。腫瘤惡病質相關的臨床實驗觀察中發現一些炎癥因子可以活化JAK/STAT3信號通路引起STAT3過表達,相反的,通過使用JAK或STAT3抑制劑可有效減緩肌肉萎縮進程[16]。在C26結腸癌腫瘤惡病質動物模型的骨骼肌中可發現STAT3磷酸化和其靶向核基因被激活,通過激活C2C12成肌細胞中的STAT3表達可誘導肌纖維萎縮并加劇肌肉消耗[17]。

骨骼肌是高度可塑性的組織,當有外源性或內源性刺激時,其質量和代謝功能會發生改變,這種改變是骨骼肌維持正常動態平衡的關鍵。骨骼肌的動態平衡主要通過分解代謝和合成代謝實現的。合成代謝平衡在生長因子,營養物質利用和身體活動等作用下調節,主要通過胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factors-1,IGF1)/磷脂酰肌醇-3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,AKT)/雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信號傳導途徑和肌生長抑制素(myostatin)-smad2/3途徑的激活來促進蛋白質的合成;分解代謝平衡主要通過泛素蛋白酶體途徑(ubiquitin-proteasome system,UPS)和自噬體溶酶體途徑的激活來促進蛋白質降解導致骨骼肌質量損失[18-19],在腫瘤惡病質的相關研究中,JAK/STAT3信號通路對泛素蛋白酶體途徑和自噬途徑均有調控作用,可通過降解機體內蛋白質造成骨骼肌大量丟失,是造成腫瘤惡病質肌肉萎縮的兩種關鍵途徑。

1.1 JAK/STAT3激活可通過泛素蛋白酶體系統降解蛋白質加速骨骼肌萎縮

UPS是細胞內蛋白質降解的主要途徑,參與細胞內80%以上蛋白質的降解。泛素化步驟主要為E1活化泛素分子,活化的泛素分子轉移至E2,在E3催化下活化的泛素羧基和靶蛋白賴氨酸側鏈的氨基形成異肽鍵,靶蛋白被泛素化、蛋白酶體識別并降解靶蛋白。其中,E3催化泛素分子轉移到靶蛋白上是UPS的限速步驟,而肌肉萎縮基因(muscle atrophy f-box,MAFbx/Atrogin-1)和肌肉特異性環指基因1(muscle ring finger 1,MuRF1)正是導致肌肉降解的E3酶[20]。在C26結腸癌與C2C12成肌細胞共培養中,C2C12肌管中的STAT3(p-STAT3)被激活,且p-STAT3可誘導兩種蛋白水解途徑,一種是通過CAAT區/增強子結合蛋白δ(CAAT/enhancer-binding proteinδ,C/EBPδ)激活半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3(cysteinyl aspartate specific proteinase,caspase-3),被激活的caspase-3不僅裂解肌動球蛋白,為UPS降解提供底物,還刺激26 S蛋白酶體(UPS中關鍵蛋白酶)的蛋白質降解,即與UPS相互作用以增加肌肉蛋白質的降解[21];另一種是p-STAT3對UPS(MAFbx/Atrogin-1和MuRF-1)的激活,在體內外均發現,當STAT3被磷酸化后激活刺激MuRF-1和MAFbx/Atrogin-1的基因和蛋白表達增加,而抑制STAT3激活可有效減少蛋白水解,增加腫瘤惡病質小鼠的體重、肌肉質量、肌肉抓力,降低比目魚肌和趾長肌肌肉中蛋白質的降解率[22]。另外,一項針對C26小鼠腓腸肌萎縮和C2C12成肌細胞的實驗發現,通過抑制STAT3的活性可有效減緩C26小鼠的肌肉消耗以及IL-6誘導的C2C12肌管萎縮,其機制可能是當STAT3被抑制后可降低MAFbx/Atrogin-1和MuRF-1的表達,進而有效保持肌肉質量[23]。以上研究表明在肌肉蛋白質降解過程中STAT3介導的UPS發揮關鍵的作用。

1.2 JAK/STAT3可通過激活自噬溶酶體系統調控自噬并引起肌肉萎縮

自噬的發生是自噬體與溶酶體的融合形成自噬溶酶體,其作用是靶向清除蛋白質和受損細胞器等[24]。自噬主要有四個步驟:包括誘導階段、啟動階段、延長階段、成熟降解階段,主要參與的分子有Atg1/ULK1、Atg6/Beclin1、Atg8/LC3B、p62/SQSTM1。

生理狀態下,自噬以一種低速率保持穩態,以維持細胞正常的代謝需要和細胞器的更新,但在不同的應激刺激下,自噬對肌肉質量的保持是雙向性的,當自噬被長期抑制時,可引起肌無力、肌萎縮;當自噬過度激活可引起骨骼肌蛋白的水解加速,進而引起肌肉萎縮[25-26]。

STAT3對自噬的調控也是雙向性的,胞質中的STAT3單體在Tyr705上被Src或JAK激酶磷酸化,然后形成STAT3二聚體,入核與特定的DNA結合,通過轉錄激活或抑制自噬相關靶基因,例如B細胞淋巴瘤-2(B-cell lymphoma-2,BCL2)、自噬基因BECN1、低氧誘導因子-1α(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)和BCL2和腺病毒E1B19×103相互作用蛋白3(bcl2/adenovirus e1b interacting protein 3,BNIP3)基因等,并根據不同的環境刺激抑制或促進自噬。另外,胞質中未磷酸化的STAT3可有效抑制真核翻譯始動因子2-α激酶2(eukaryotic translation initiation factor 2-αkinase 2,EIF2αK2)、叉頭狀轉錄因子O1(forkhead transcription factor O1,FoxO1)和叉頭狀轉錄因子O3(forkhead transcription factor O3,FoxO3)基因,其中EIF2AK基因可通過磷酸化EIF2A來促進自噬;FOXO1和FOXO3基因可通過轉錄激活一系列自噬相關基因來促進自噬[27]。在三種不同的癌癥惡病質實驗模型中,通過評估自噬降解途徑中具有代表性的標志物BECLIN-1、LC3B、p62/SQSTM1的蛋白和基因表達水平,表明了肌肉萎縮與自噬激活的正相關[28]。通過分析食管癌惡病質患者肌肉中相關自噬基因LC3B、p62/SQSTM1的過表達,說明自噬溶酶體可能通過激活蛋白水解系統參與人類癌癥惡病質肌肉萎縮的發展[29]。另外,在腫瘤的發生發展進程中自噬與凋亡也發生相互拮抗作用,自噬通過為腫瘤細胞提供能量,抑制其凋亡進程[30]。

1.3 JAK/STAT3與microRNA-17的相互作用在腫瘤惡病質肌肉萎縮中的機制研究

MicroRNA(miRNA)是細胞基因表達調節劑的一部分,可以顯著改變細胞的表型特征,相關的動物研究通過篩選多種microRNA的功能及其在小鼠乳腺癌轉移中發揮的作用,表明microRNA在癌癥轉移中具有相關性[31]。相關miRNA和共調節因子可作為特定靶標,激活JAK/STAT3誘導特定表型表達[32],在一項基于癌癥惡病質肌肉消瘦研究的miRNA調控網絡Meta分析表明miR-17與肌肉萎縮有關,其機制是miR-17可通過抑制STAT3活性而發揮作用[33]。當JAK/STAT3信號通路受到抑制時,可導致miR-17和miR-20a的過表達,相關分析還表明miR-17與JAK2表達密切相關[34]。另外,STAT3是miR-17的靶向分子,經雙熒光素酶報告系統實驗發現,miR-17的激活可以下調STAT3,p-STAT3和BCL2的表達而抑制人前列腺癌細胞(LNCaP)增殖并誘導細胞凋亡,其機制可能是miR-17與STAT3 mRNA 3′UTR結合而抑制其表達[35]。另外,有關miR-17-92簇干預骨骼肌分化的機制具有雙向性,其中miR-17和miR-20a可以有效促進C2C12成肌細胞和原代細胞的分化,但miR-18a可能在C2C12細胞分化中起負作用[36]。因此,miR-17對腫瘤惡病質肌肉萎縮有抑制作用,其作用機制與抑制JAK/STAT3的表達密切相關。

1.4 JAK/STAT3促進腫瘤微環境生成加速腫瘤惡病質形成

JAK/STAT3信號傳導對于微環境中的腫瘤-宿主相互作用非常重要。目前普遍認為,腫瘤微環境對腫瘤的生長和侵襲作用是不可或缺的[37]。JAK/STAT信號通路介導的STAT3激活在促進腫瘤細胞增殖分化和誘導侵襲中發揮重要作用,除充當信號傳導和轉錄作用外,STAT3還可以通過表觀遺傳來激活相關基因和蛋白表達,促進上皮間質轉化,對腫瘤微環境的形成有促進作用[38-39]。JAK/STAT信號通路參與機體免疫調節過程,比如STAT1和STAT2在抗腫瘤治療中發揮重要的作用,其特異性表達可維持有效的免疫反應,但STAT3已被證實在腫瘤微環境中有參與癌細胞存活,調控免疫抑制,促進炎癥反應的作用[32,40]。在頭頸癌中,IL-6的過表達可通過激活JAK/STAT3介導上皮間質轉化增加,導致細胞間連接和細胞極性的喪失,從而增加細胞遷移和侵襲性的可能性[41]。腫瘤的惡性程度與轉移性病變的發展有關,涉及癌細胞從原發部位向遠處器官擴散的復雜過程,腫瘤微環境(腫瘤細胞和周圍組織)或大環境(包括循環中釋放的腫瘤物質和其他組織分泌的促炎因子)在此期間發揮了關鍵作用,且這個發展過程會影響腫瘤相關惡病質進展[42],IL-6在腫瘤生長轉移和惡病質的發展方面具有相關性,有研究者發現IL-6/JAK/STAT3前饋環驅動腫瘤發生和轉移,調控腫瘤微環境的形成,并加速腫瘤惡病質的進程,尤其在腫瘤惡病質期間肌肉質量損失的調節[43-44]。由此可認為,JAK/STAT3的激活還可能通過影響腫瘤微環境導致腫瘤惡病質的進一步惡化。

2 藥物干預JAK/STAT3信號通路減少腫瘤惡病質肌肉萎縮機制研究進展

2.1 JAK/STAT3相關抑制藥物干預腫瘤惡病質肌肉萎縮機制研究

使用STAT3-SH2結構域模擬物抑制劑(SH2 domain-containing protein tyrosine phosphatase1,SPI)進行體外干預的實驗表明,SPI可特異性的阻斷STAT3的磷酸化進程,降低DNA結合活性和轉錄功能,廣泛引起人乳腺癌、胰腺癌、前列腺癌和非小細胞肺癌的細胞產生形態變化,影響癌細胞的生存力和凋亡,并且該濃度下的SPI幾乎不影響STAT1、STAT5或促絲裂原活化蛋白激酶途徑的誘導和其它pTyr的形成,其機制可能是SPI充當STAT3-SH2結構域和pTyr相互作用的特異性抑制劑,同時SPI還破壞STAT3與IL-6R/gp130肽的結合[45]。魯索替尼(ruxolitinib)磷酸鹽是一種激酶抑制劑,可抑制janus相關激酶JAK1和JAK2,是第一個獲準的專門治療骨髓纖維化的藥物,經美國食品與藥物管理局批準上市,臨床研究表明ruxolitinib不僅可有效改善原發性骨髓纖維化患者的輸血需求和脾腫大癥狀,還可以增加患者體重,有效減緩體重耗損,使惡病質狀態得到恢復,整體生活質量得到顯著改善[46]。全身系統性炎癥在腫瘤惡病質中普遍存在,炎癥因子IL-6可激活UPS和JAK/STAT3信號通路[47-48],而ruxolitinib可能通過抑制炎癥和JAK表達,進而干預肌肉萎縮進程[49]。舒尼替尼(sunitinib)是一類能夠選擇性地靶向多種受體酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinase,RTKs)的新型藥物,可用于治療胃腸道基質腫瘤和轉移性腎細胞癌,相關研究表明,sunitinib能夠抑制STAT3和MuRF-1信號通路的過度激活,有效減緩腫瘤惡病質期間肌肉蛋白質分解代謝進程,并延長腎癌小鼠的生存期[50]。在一項研究中,真核生物起始因子4A(eukaryotic translation initiation factor 4A,eIF4A)抑制劑hippuristanol(Hipp)可顯著降低IL-6分泌,降低p-STAT3蛋白表達,而對STAT3 mRNA水平沒有影響,說明該抑制劑可能通過抑制eIF4A活性影響STAT3的翻譯進而防止細胞因子誘導的肌肉消瘦[51]。泮托拉唑(pantoprazole)被定義為一種抗酸及抗潰瘍藥,但在一項惡病質小鼠實驗中,pantoprazole以劑量依賴性方式降低血清IL-6和TNF-α的水平,表明pantoprazole減輕腫瘤惡病質所致肌肉萎縮的作用可能與其對炎癥因子血清水平的調節有關,該實驗還表明pantoprazole可作為JAK/STAT3途徑的抑制劑,不僅有效降低p-STAT3表達水平,還通過抑制UPS降低MuRF1和Fbx32蛋白的表達,有效治療腫瘤惡病質所致的肌肉萎縮和蛋白降解[52]。在患有胰腺癌的惡病質小鼠中,JAK2抑制劑AG490可以抑制JAK2的磷酸化和IL-6的表達水平,有效減緩體重下降進程[53]。C188-9是STAT3的小分子抑制劑,經C188-9治療的C26腫瘤惡病質小鼠,抑制了STAT3的激活以及肌肉中C/EBPδ和UPS的表達,導致蛋白質合成增加和蛋白質降解減少,并增加小鼠體重,阻止肌肉質量耗損和肌肉纖維的減少[22]。

2.2 中藥有效成分干預JAK/STAT3信號通路防治腫瘤惡病質肌肉萎縮機制

歐前胡素(imperatorin,IMP)是當歸的主要生物活性成分,具有多種藥理作用,如抗結腸炎,抗關節炎和抗腫瘤,研究表明,IMP可降低p-STAT3、MuRF1和Atrogin-1/MAFbx蛋白表達,是治療腫瘤惡病質肌肉萎縮的潛在藥物,其機制可能是IMP與STAT3的SH2結構域結合,進而抑制JAK/STAT3和UPS[54]。隱丹參酮是從丹參根中提取的主要親脂性化合物,已被廣泛用于治療包括癌癥在內的各種疾病,有數據顯示,隱丹參酮可以抑制惡病質小鼠肌肉中MuRF1和MAFbx/Atrogin-1的表達,預防腫瘤惡病質體重減輕以及骨骼肌浪費,同時以劑量依賴性(2.5~10μmol/L)降低了C2C12肌管中MuRF1和MAFbx/Atrogin-1的表達,抑制STAT3轉錄活性,改善肌管萎縮,表明隱丹參酮可通過體內外途徑抑制STAT3來防止腫瘤惡病質中的肌肉消瘦[55]。大蒜是常用和用途廣泛的草藥之一,研究者在大蒜中發現的一種硫化合物-Z-阿霍烯,其可以通過抑制炎癥反應和肌肉蛋白降解以及促進肌肉蛋白質合成來減輕腫瘤惡病質所引起的骨骼肌萎縮,其機制可能是通過抑制JAK/STAT3途徑并激活MAPK途徑[56]。匯總見表1。

表1 藥物干預JAK/STAT3信號通路介導腫瘤惡病質肌肉萎縮作用機制Table 1 Mechanism of drug intervention on JAK/STAT3 signaling pathway mediated muscle atrophy in cancer cachexia

3 總結和討論

綜上可知,JAK/STAT3信號通路可以從多個途徑介導腫瘤惡病質肌肉萎縮,如通過調控泛素蛋白酶體系統加速骨骼肌蛋白質降解;通過調控自噬溶酶體系統引起肌肉萎縮,另外microRNA、腫瘤微環境與JAK/STAT3信號通路的相互作用可誘導腫瘤細胞的增殖、遷移、侵襲,加速腫瘤惡病質的發生發展?；谝陨蠙C制,本文還分析相關藥物干預信號通路的臨床和基礎研究,結果表明JAK/STAT3相關抑制藥物可在體內外抑制JAK、STAT3、p-STAT3、IL-6和TNF-α等的表達,并進一步抑制UPS,相關的靶向干預在臨床和基礎研究中均有顯著的作用,可有效抑制肌肉蛋白降解,減緩肌肉萎縮進程,保持體重,改善晚期腫瘤惡病質患者生活質量。另外一些中藥有效成分如IMP、隱丹參酮、Z-阿霍烯也可以通過干預JAK/STAT3信號通路防治腫瘤惡病質肌肉萎縮。

盡管大量的體內外實驗和臨床觀察表明抑制JAK/STAT3信號通路可有效減緩腫瘤惡病質肌肉萎縮進程,然而目前仍沒有一種專項治療腫瘤惡病質的藥物批準上市,一些靶向抑制JAK的上市藥物如Ruxolitinib、Tofacitinib,其主要臨床應用也并不是用于治療腫瘤惡病質。另外造成腫瘤惡病質發生的因素除大量蛋白質耗損引起的骨骼肌萎縮外還與厭食癥、中樞神經系統、脂肪代謝異常、線粒體能量代謝異常、肝代謝異常[13]密切相關,這使得該綜合征具有復雜性和多樣性,為治療腫瘤惡病質肌肉萎縮增加更多的不確定因素。為了更好的認識腫瘤惡病質肌肉萎縮的機制,早日為腫瘤晚期惡病質患者保持體重、延長生存期提供有效藥物,針對JAK/STAT3通路介導腫瘤惡病質肌肉萎縮機制仍需進一步研究同時應對現有的信號通路抑制劑在治療腫瘤惡病質肌肉萎縮方面開展更多與藥效、安全性相關的基礎研究和臨床觀察。