熱休克蛋白90在非小細胞肺癌中的研究進展

曾攀科 王湘 王立升

廣西大學醫學院,南寧530004

惡性腫瘤已經成為嚴重威脅全人類生命健康的高病死率并且治愈率低下的嚴重疾病。據調查顯示,2018年肺癌發病率占總癌癥發病率11.6%,其致死率高達84.1%[1]。在諸多的癌癥中全球的肺癌發病率持續增加,以非小細胞肺癌 (non-small cell lung cancer,NSCLC)最為常見。由于肺癌在發生的早期階段沒有明顯的臨床癥狀,因此在確診之后都處于晚期,從而導致病死率高并且難以治愈。

在1962年,由意大利科學家Ferruccio在研究果蠅幼蟲的唾液腺染色體時,發現染色體中出現特征性的膨脹隨后發現熱休克蛋白 (heat shock protein,HSP)[2]。該蛋白又稱應激蛋白,是當機體受到外界環境 (缺氧、寒冷、創傷等)刺激時,會迅速合成表達分泌的一類蛋白。HSP 家族成員有6 種,根據其相對分子質量的不同分為:HSP110、HSP90、HSP70、HSP60、HSP40 以及各類小分子量熱休克蛋白[3]。在人體各細胞中,HSP主要以一種“分子伴侶”的形式發揮其生物學功能。其參與新蛋白質合成,使蛋白能夠正確地折疊再折疊,幫助空間結構改變的蛋白重新復性,并且參與維持蛋白質的構象和生物活性穩定性[4]。目前,研究發現HSP90已經成為最為重要的癌癥治療靶點,它與癌細胞的增殖、凋亡、轉移甚至產生耐藥性密切相關。

隨著對腫瘤發病機制的深入研究,人們發現HSP90對于腫瘤細胞生長、凋亡以及周期通路中的調節蛋白發揮著至關重要的作用[5]。因此,對于HSP90的研究已經成為抗腫瘤研究的熱點蛋白。近年來研究發現HSP90 在NSCLC的發生發展中具有重要的調控作用。本文將圍繞HSP90在NSCLC的作用作一綜述。

1 HSP90結構和功能

1.1 HSP90結構 HSP90蛋白家族是一種相對分子質量為90 000并且高度保守的ATP依賴性分子伴侶,HSP90主要是真核細胞中最為豐富的一種蛋白,在正常生理狀態下HSP90的表達量較低,為細胞總蛋白的1%～2%,而在應激狀態下,HSP90會過表達,為總蛋白的4%～6%[6-7]。

HSP90的結構包括三部分:N-末端結構域、C-末端結構域、中間結構域,HSP90每個區域的功能各不相同,在HSP90沒有與腺嘌呤三磷酸腺苷結合時,其主要以 “V”字無活性開放形式存在[8]。其N-末端結構域可與ATP 結合,從而發揮生物學功能。C-末端結構域含有特殊MEEVD 保守序列,負責HSP90 的二聚化[9]。連接N-末端結構域和中間結構域的是一段構象易變且帶電的連接體,由于其結構不穩定,因此很難解析HSP90的全長結構。中間結構域可以與共伴侶分子結合作用于客戶蛋白充分發揮分子伴侶的作用。當蛋白結合到中間區域后HSP90通過與輔助分子伴侶相互作用和ATP 的水解放能共同調節HSP90的N 端構象轉變為 “關閉”狀態,此時HSP90 才能行使其生物學功能[10-11]。

1.2 HSP90細胞質亞型 人體的HSP90的細胞質亞型可分為兩類:可誘導型HSP90α、組成型HSP90β,這2種亞型的蛋白氨基酸序列具有高度同源性[12]。研究表明,這2種亞型通常以同源二聚體 (αα、ββ)的形式存在于胞質中,HSP90α往往更容易形成同源二聚體[13]。HSP90α型通常在正常細胞中表達量較低,而在腫瘤細胞中HSP90α的表達量異常增加。研究發現,HSP90βm RNA 在早期胚胎發育的生理溫度下正常表達,而HSP90α m RNA 幾乎不存在,在熱休克溫度下HSP90β m RNA 則不改變,HSP90α m RNA 的含量顯著增加,說明HSP90β型在胚胎的發育早期和細胞的生理功能發揮重要作用[14]。HSP90α 與HSP90β結構相似度高,生理作用近似,但也有差異。例如,HSP90α在惡性腫瘤中表達量明顯增高,腫瘤的惡性程度越高,HSP90α的表達量越高,而HSP90β的表達量則較低[15]。

1.3 HSP90功能 HSP 的主要生理作用是作為一種分子伴侶蛋白來協助客戶蛋白完成正確的空間折疊。作為分子伴侶,HSP90擁有廣泛的客戶蛋白并且參與多種細胞信號通路。例如,絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶 (AKT serine/threonine kinase 2,Akt2)、細胞周期蛋白質依賴激酶類(syclin-dependent kinases,CDKs)、蛋白激酶C (protein kinase C,PKC) 以及多種轉錄因子 BCL-6 (B-cell lymphoma 6)、p53、八聚體結合轉錄因子4(octamerbinding transcription factor 4,Oct4)[16-19]。其中被報道的第一個和HSP90形成非共價結合復合物的蛋白激酶是病毒酪氨酸激酶 (viral srckinase,v-Src)[20]。HSP90可以輔助許多細胞周期調節蛋白的生成,其中包括細胞周期蛋白質依賴激酶4 (cyclin-dependent kinase 4,CDK4),CDK4是控制細胞周期的關鍵性蛋白,它與細胞周期蛋白D1結合導致底物磷酸化,調控細胞處于G1期[21]。因此,在腫瘤細胞中HSP90對于癌細胞的增殖、凋亡以及周期都有著直接調控作用。

2 HSP90在NSCLC的作用

2.1 HSP90調控受體方式 通過調節表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor,EGFR)影響NSCLC發生,EGFR 是分布于上皮細胞表面的一種跨膜蛋白。由三部分組成,分別為:胞內酪氨酸激酶結合區域、跨膜以及胞外受體結合區域[22]。

據調查顯示,在晚期NSCLC 患者中EGFR 基因序列突變的發生率為10%～20%[23]。HSP90在NSCLC 的患者中呈現高表達,該蛋白的升高與年齡、既往吸煙史有關[24]。HSP90的分型α型在NSCLC 發生發展的過程中維持了EGFR 的功能穩定[25]。許露等[26]研究發現,在HSP90α表達水平升高的情況下,患者EGFR 突變的風險高于正常值。說明HSP90α的升高與EGFR 突變呈正相關。也有研究表明,當HSP90抑制劑與EGFR 阻斷劑聯用時,可更加有效地抑制NSCLC 細胞的增殖活性以及促進該細胞的凋亡作用[27]。因此,更加可以確證HSP90 通過調節EGFR 蛋白的活性來影響NSCLC的發生和發展。

2.2 HSP90調控蛋白改變 通過影響Bax、Bcl-2的表達影響NSCLC的發生,在研究NSCLC 的過程中,發現許多癌癥相關調控蛋白發生改變,該過程則可以調節癌細胞的增殖、凋亡以及分化能力,最終加重癌癥的癥狀。

通過分子機制研究發現,HSP90α的表達上升,能夠抑制腫瘤細胞相應的基因轉錄,從而提高腫瘤細胞的浸潤和黏附能力[28]。HSP90α能夠通過對其客戶糖蛋白末端進行磷酸化修飾,進而導致癌細胞G1/S期比例異常,使癌細胞快速跨越G0期,最終導致癌細胞快速增殖[29]。凋亡促進因子Bax和凋亡抑制因子Bcl-2 能夠通過激活癌基因相關信號通路,進而導致腫瘤細胞產生程序性死亡,最終導致腫瘤病灶組織的萎縮以及腫瘤細胞的死亡[30]。有研究指出Bax、Bcl-2的表達與NSCLC 的病程進展有著密切的關系,當二者的表達上升時能夠促進肺癌患者臨床分期的進展,從而影響肺癌患者臨床預后療效[31]。有研究顯示,在NSCLC患者中,HSP90α和Bcl-2蛋白表達成正比,而與Bax蛋白成反比[32]。提示了HSP90α、Bcl-2和Bax 3種蛋白在影響到肺癌的病情進展過程中可能發揮了一定的協同作用。

2.3 HSP90調控新生血管生成 腫瘤組織中新生血管的生成受血管生成素-2 (angiopoietin,Ang-2)和血管內皮生長因子 (vascular endothelial growth factor,VEGF)的調控[33]。研究表明,當腫瘤組織血管生成異常時HSP90 表達升高,缺氧誘導因子α (hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)作為HSP90 的客戶蛋白參與Ang-2 和VEGF 基因的轉錄和表達,從而促進癌癥周圍血管的生成來適應缺氧效應[34]。在缺氧狀態下,HIF-1α在許多情況下發揮作用,同時會影響VEGF的基因轉錄,在肺部血管重塑和腫瘤血管生成中發揮重要作用[35]。

研究證實,HSP90具有促血管生成的作用,在癌癥組織中HSP90與VEGF 具有相似的氨基酸序列和結構,它與VEGFR-1結合,從而導致VEGFR-2 激活并磷酸化使VEGF擴增,最終導致癌癥周圍血管的生成[36]。研究顯示,給予HSP90抑制劑Ganetespib在體內外均可抑制腫瘤血管的生成,其作用機制是通過抑制各種促血管生成因子,包括Ang-1、Ang-2以及VEGF等[37]。

2.4 HSP90通過影響免疫反應干預NSCLC 的發生 免疫平衡的失調是惡性腫瘤發生的重要標志,在NSCLC、宮頸癌等諸多惡性腫瘤中均發現相關免疫標志物異常的改變[38]。現代免疫學發現在NSCLC 發生過程中T、B 細胞分泌的細胞因子均有參與機體免疫反應的調節,T 細胞主要介導的細胞免疫,其分泌的細胞因子可抑制腫瘤細胞的增殖;而B細胞則相反,分泌的細胞因子可促進腫瘤細胞的增殖[39-40]。因此,在生理狀態下,2 種細胞介導的免疫反應處于動態平衡,當腫瘤細胞異常增長時,則T 細胞功能相對低下,B細胞功能相對亢進。此外,初始T 細胞還可以介導Th17 細胞以及Treg細胞的產生,Th17 細胞主要分泌IL等促炎癥因子,其大量的分泌可以加重癌癥的惡化程度[41];Treg細胞在生理狀態下可以維持機體內環境的穩態,但隨著癌細胞的惡化,進一步造成腫瘤細胞的免疫耐受,加快了病程的進展[42]。

研究發現,HSP90可能通過調節T 細胞的分化以及激活,從而產生IL-6 等炎癥介質[43]。有學者表明,HSP90能與TLR-7/9相互作用,從而介導漿細胞樣樹突狀細胞分泌INF-α,當使用HSP90抑制劑時,可降低小鼠血清自身抗體的水平[44]。Kelly等[45]發現,抑制HSP90 基因的表達,可使轉座子因子基因表達顯著增加,進而導致干擾素合成增加。因此HSP90可通過影響細胞免疫以及體液免疫來發揮抗腫瘤的作用。

2.5 針對HSP90蛋白的靶向藥物 隨著對HSP90蛋白的深入研究,發現抑制HSP90蛋白的表達可以發揮重要的抗癌作用,HSP90 的靶向抑制劑,包括格爾德酶素(geldanamycin,GA)、根赤殼菌素 (radicicol)、替拉替尼(17-AGG,tanespimycin)等N-末端抑制劑,小部分C-末端抑制劑以及直接和HSP90 結合的抑制劑,如紫杉醇(taxol)、Silybin、SNX-2112 等[46]。有研究顯示,新生霉素類似物KU758作為HSP90蛋白的抑制劑,該類似物為C-端抑制劑,體外機制研究顯示KU758可使哺乳動物類雷帕霉素靶蛋白 (mammalian target of rapamycin,m TOR),p-m TOR,蛋白激酶B (Akt)和p-Akt均呈劑量依賴性減小,CDK4、CDK6也均呈劑量依賴性降低,該2個蛋白是調控細胞處于G1、S 期的關鍵蛋白,其直接作用的靶點HSP90蛋白亦呈劑量依賴性減小,體內抗腫瘤活性顯示在60 d內腫瘤組織塊的直徑與對照組相比明顯減小,且小鼠的存活率幾乎不受影響[47]。Fu 等[48]研究顯示,直接與HSP90蛋白結合的抑制劑SNX-2112 通過降低蛋白激酶、m TOR、S6和真核翻譯起始因子E4結合蛋白1的磷酸化,使Akt/m TOR 通路失活,有效地抑制癌細胞的增殖、遷移和侵襲,此外,SNX-2112通過滅活局部黏著斑激酶和抑制基質金屬蛋白酶-9 和2、鋅指轉錄因子、波形蛋白和βcatenin的表達來抑制細胞的遷移,SNX-2112 還可以下調癌細胞的內質網應激,使未折疊蛋白反應失活,最終發揮抗癌作用。

3 小結與展望

NSCLC發病率在肺癌中位居首位且致死率高,臨床治療效果不理想。HSP90 作為分子伴侶蛋白可以通過改變EGFR 蛋白的穩定性,凋亡促進因子Bax和凋亡抑制因子Bcl-2基因的活性,最終來調控癌細胞的擴散與消除。在肺部實體瘤組織中HSP90通過調節促血管生成因子的活性來影響肺癌組織周圍血管的生成。在免疫反應過程中,HSP90也可通過調節T 細胞的分化和激活以及介導漿細胞樣樹突狀細胞分泌炎癥因子來影響NSCLC 細胞的增殖。近年來,HSP90靶向抑制劑大部分為N-末端抑制劑,但大都具有活性低、毒性大的缺點。因此,需要繼續深入研究HSP90的結構和功能,從而開發出有效的HSP90抑制劑,為癌癥的治療提供全新的方案。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突