內質網應激與mTOR信號通路在消化系統腫瘤中的研究進展

吳曉曼，李明綜述 譚詩云審校

根據國際癌癥研究機構(International Agency for Research on Cancer, IARC)的數據顯示，東亞地區胃癌、肝癌等消化系統腫瘤的發病率呈現較高的水平[1]。腫瘤的發生是一系列緩慢、復雜的代謝改變過程，在細胞生長、繁殖等過程中，每一個階段的發生都有各種代謝信號通路相互交叉影響。改變腫瘤細胞代謝過程，影響疾病進展一直是抗腫瘤治療的主要策略之一。內質網作為細胞內參與大部分分泌及跨膜蛋白生成修飾等過程的重要細胞器，其穩態對細胞代謝至關重要。當細胞內穩態受到外界刺激時，可引發內質網應激(endoplasmic reticulum stress, ERS)激活非折疊蛋白應答(unfolded protein response, UPR)維持內質網功能穩定。近期有研究發現[2]，ERS與哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)信號通路存在關聯，ERS可通過mTOR信號通路誘導代謝改變，從而對細胞起到相應的保護作用，但其具體機制還尚未明確，文章對此進行綜述。

1 ERS及mTOR信號通路

1.1 ERS ERS是指未折疊或錯誤折疊的蛋白質累積在內質網內，引發UPR消減未折疊蛋白質的毒性作用，從而維持細胞穩態。人類癌細胞通常具有維持UPR長時間激活的能力，并支持其生存。UPR由3種重要的內質網跨膜蛋白介導：RNA依賴的蛋白激酶樣ER激酶 (RNA-dependent protein kinase-like ER eukaryotic initiation factor-2α kinase, PERK)、肌醇需求激酶(inositol requiring enzyme, IRE)1α和激活作用轉錄因子(activating transcription factor, ATF)6。當未處于ERS狀態時，這3種蛋白均處于無活性狀態，與葡萄糖調節蛋白78/B細胞免疫球蛋白結合蛋白(glucose-regulated protein 78/B-cell immunoglobulin binding protein, GRP78/BIP)結合。當ERS被激活后，這3種跨膜蛋白與結合蛋白分離后，自身活化并激活下游蛋白進行信號傳導[3]。這3種蛋白分別參與不同的信號調節通路，進而調控細胞代謝。PERK被激活后可進一步誘導C/EBP同源蛋白(C/EBP-homologous protein, CHOP/GADD153)的轉錄，促進腫瘤細胞凋亡[4]。IRE1磷酸化后引起X-盒結合蛋白(X-box protein，XBP)1的mRNA被剪切得到sXBP1，進而上調伴侶蛋白與內質網相關降解途徑(endoplasmic reticulum-associated degradation,ERAD)機制的組分清除錯誤折疊蛋白[5]。ATF6被裂解后可誘導伴侶和UPR介質的表達，包括BIP和XBP1，而且高表達的ATF6與癌癥轉移、復發相關[6]。

1.2 mTOR信號通路 mTOR屬于磷脂酰肌醇3-激酶 (phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K) 家族中的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，可形成2種不同形式的復合物：mTOR復合物(mTOR complex,mTORC)1和mTORC2。mTORC2可通過磷酸化蛋白激酶B(protein kinase B，AKT)和蛋白激酶C控制細胞存活和細胞骨架重塑，但mTOR的大部分代謝功能歸因于mTORC1[7]。在人體糖代謝中，血糖水平升高可刺激胰島素信號傳導，導致特定激酶包括PI3K和下游激酶被激活，如AKT、非典型蛋白激酶C和mTOR復合物活化蛋白磷酸酶(如蛋白磷酸酶1和蛋白磷酸酶2)來調節體內代謝[8]。除了參與代謝，mTOR還是自噬誘導的重要調控因子，激活mTOR可抑制自噬，而抑制mTOR活性則可促進自噬，這在抗腫瘤治療領域是較熱門的研究方向[9]

2 ERS與mTOR信號通路在消化系統腫瘤中的研究

mTOR信號通路是調節多種細胞過程中最重要的信號傳導途徑之一，隨著研究不斷深入，越來越多的證據表明，ERS影響mTOR信號通路的調控機制。Choi等[10]研究發現，用衣霉素誘導ERS后，出現mTOR信號通路下游信號分子磷酸化核糖體蛋白S6激酶(ribosomal protein S6 kinase，S6K)下降，表明影響細胞內ERS水平能夠進一步調節mTOR信號通路的表達水平。在大鼠嗜鉻細胞瘤細胞系PC12中利用ERS抑制劑4-苯基丁酸(4-phenylbutyric acid，4-PBA)抑制ERS，mTOR磷酸化水平降低，并且證實是通過PI3K/AKT/mTOR信號通路調節自噬，更說明ERS能一定程度地影響mTOR信號通路進而調控代謝進程。mTOR信號通路也可影響ERS水平，用雷帕霉素抑制mTOR信號通路后可引起ERS標志蛋白BIP急劇下降[11]。但在不同的消化系統腫瘤疾病中，ERS與mTOR信號通路之間的相互影響有所不同。

2.1 ERS與mTOR信號通路在肝癌中的研究 肝細胞癌是全世界最常見的肝癌類型，也是第二大最常見的癌癥相關死亡原因。美洛昔康是一種選擇性的環氧合酶-2(cyclooxygenase-2，COX-2)抑制劑，常作為非甾體類抗炎藥(non-steroidal anti-inflammatory drug, NSAID)使用，除抗炎效果外，Zhong等[12]研究發現其在人肝癌細胞系HepG2和Bel-7402中可通過ERS下的GRP78誘導細胞凋亡，在此過程中利用腺苷酸蛋白活化激酶(AMP-activated protein kinases，AMPK)-mTOR信號傳導途徑誘導自噬激活。與美洛昔康組比較，美洛昔康+GRP78siRNA組Western-blot檢測結果顯示，p-AMPK蛋白表達量顯著降低,而p-mTOR表達量增加，自噬水平降低。上述研究結果表明，ERS可通過GRP78信號分子調控mTOR信號通路。該研究認為自噬是對ERS誘導凋亡的一種保護機制，ERS通過激活AMPK磷酸化，抑制mTOR激活，從而誘導自噬。Hispidulin(4'，5,7-trihydroxy-6-methoxyflavone)同樣可以導致人肝癌細胞系SMMC7721和Huh7中ERS水平增高并誘導癌細胞凋亡，同樣證實mTOR信號通路參與ERS調控凋亡的機制[13]。

2.2 ERS與mTOR信號通路在結直腸癌中的研究 結直腸癌是世界上第三常見的惡性腫瘤，是癌癥死亡的第四大原因，在結直腸癌的抗癌治療研究中，發現丁香活性組分(active fraction of clove, AFC)，可以明顯地抑制人結直腸癌細胞系HCT-116的細胞活力，并誘導自噬和細胞凋亡[14]。以往研究表示，mTOR信號通路可調控自噬，經蛋白表達檢測，在AFC的影響下，與對照組相比，試驗組以劑量依賴性方式抑制mTOR磷酸化，從而激活自噬。在抗結直腸癌治療中，藥物可以通過mTOR信號通路的調控影響癌細胞的增殖與生存[15-16]。You等[17]研究進一步說明ERS參與其中，發現使用衣霉素處理人結腸癌細胞系SW620能抑制mTOR表達，且可抑制結腸癌細胞生長并促進其凋亡。再次為ERS與mTOR信號通路的互連提供了確切的證據，為進一步尋找抗癌治療靶點提供了新的方向。在另外的抗結直腸癌藥物研究中，Tsai等[18]發現，肉桂曲霉有一定的抗癌作用，能有效引發細胞內ERS標志蛋白CHOP及降低AKT和mTOR的磷酸化水平，在抑制CHOP表達后mTOR磷酸化水平上升，并減少了由肉桂曲霉導致的細胞死亡，該研究認為，mTOR信號調控癌細胞增殖生長依賴于ERS的介導，其中CHOP發生了很大的作用。這提示結直腸癌中ERS與mTOR信號通路之間的調控機制可成為抗癌治療的新興研究方向，ERS調控mTOR信號通路并進一步誘導自噬，影響細胞凋亡水平。

2.3 ERS與mTOR信號通路在胰腺腫瘤中的研究 據美國癌癥協會統計，2019年美國新診斷胰腺癌病例約5.6萬例，預計有4.5萬例死于胰腺癌，僅次于肺癌和結腸癌[19]，闡述胰腺腫瘤的發生發展機制及尋找潛在治療靶點一直是胰腺腫瘤的熱點研究方向。在小鼠胰島β細胞系MIN6中，Chu等[20]研究發現，棕櫚酸可以誘導細胞發生ERS及自噬通量增加，在用自噬抑制劑CQ提前干預2 h的情況下，加用ERS抑制劑PBA可以減少自噬標志蛋白LC3Ⅱ，表示降低ERS可以降低自噬通量。由于mTOR信號通路參與調控自噬通量，因此在胰腺中ERS可能通過mTOR參與調控自噬。在大鼠胰島β細胞系RIN-5F中，Varshney等[21]研究進一步發現，mTOR的上游信號AMPK參與ERS調節，在運用siRNA干擾AMPK表達后，棕櫚酸誘導的ERS水平增高，自噬信號的傳導阻斷會使ERS標志蛋白CHOP表達量增高，表明AMPK調控的自噬可以消除部分ERS。Jia等[22]研究顯示，抑制AMPK/mTOR信號并不能顯著減輕非瑟酮(Fisetin)誘導的人胰腺癌細胞系PANC-1的自噬水平，也不能降低ERS下游信號通路PERK、ATF4或ATF6的表達，并且ATF4表達增加。Su等[23]研究同樣發現，AMPK敲低并不能降低粗糠柴毒素(rottlerin)在胰腺細胞內對真核起始因子(eukaryotic initiation factor，eIF)2α磷酸化或CHOP表達的影響，說明在此條件下mTOR信號通路上游信號分子AMPK不參與ERS的正向調節。但Kim等[24]研究顯示，mTOR抑制劑雷帕霉素，誘導自噬可以增加GRP78/BIP蛋白的表達，增強了大鼠胰島素瘤細胞系INS-1E內的ERS，此時自噬不再起細胞保護作用，無法消解細胞的ERS水平。在胰腺腫瘤中，ERS與mTOR信號通路之間存在相互作用，但并非單純的單向調節，具體調節機制還需要進一步研究。

2.4 ERS與mTOR信號通路在其他消化系統腫瘤中的研究 胃癌是世界排名第五大最常見的惡性腫瘤，每年估計有超過100萬的新病例[25]。而mTOR抑制劑也已被證明是有效的抗腫瘤藥物，可激活UNC-51樣激酶(unc-51-like kinase, ULK)復合物以誘導自噬并抑制血管生成[26]。張麗敏等[27]研究顯示，在大鼠胃竇Cajal間質細胞(interstitial cells of Cajal, ICCs)中應用mTOR抑制劑雷帕霉素后，可以明顯增加GRP78 mRNA含量，表明胃細胞內mTOR信號通路參與調控ERS。Chen等[28]在人胃癌細胞系SGC-7901和BGC-823中進一步發現，雷帕霉素通過抑制mTOR磷酸化引起eIF2α磷酸化明顯升高。在ERS中，磷酸化的PERK被激活使eIF2α磷酸化，促使一般蛋白質翻譯工作減弱來降低內質網負荷，eIF2α的磷酸化程度降低說明mTOR參與負向調節細胞內的ERS水平。食管癌是一種常見的上消化道腫瘤，多為鱗狀細胞癌，Zhou等[29]研究發現，衣霉素能引起ERS水平上升，并且可顯著下調磷酸化AKT，mTOR蛋白的表達。在Ansari等[30]研究中也顯示了同樣的結果，并且進一步誘導了食管癌細胞自噬的發生。在同樣多為鱗狀細胞癌的口腔癌中，PERK基因敲低能使自噬略有減少，但暴露于烷基磷酸膽堿類藥物Erufosine會使細胞自噬增加，并且促進腫瘤細胞凋亡。

ERS與mTOR信號通路的關聯出現在很多消化系統腫瘤中，可見其在消化系統腫瘤發生、發展和治療過程中起著重要作用。目前ERS與mTOR信號通路之間并非單方向的影響，還有很多其他因素參與相互作用，其內在聯系更為復雜，需要科研人員更多的研究與探索。

3 小 結

綜上所述，ERS與mTOR信號通路之間的相互作用可表現為mTOR信號通路調節ERS水平，但在消化系統腫瘤發展過程中，目前研究更多的是ERS下游信號分子PERK、IRE1α等表現出參與調控mTOR信號通路，由此調節細胞內自噬、凋亡水平。但ERS并非所有信號分子均可與mTOR發生相互作用，具體調控機制可因部位或疾病的不同有所差異。針對這一調控機制進行干預，成為抗腫瘤治療的藥物靶標，可為消化系統腫瘤的治療方案提供新的方向。