CaMKⅡ在腫瘤中的研究進展

鄧成念，周文玉，謝 斌，劉模榮

鈣/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶(CaMK)屬于鈣信號下游的一種多功能絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶家族[1]，CaMKⅡ包括α、β、γ和δ 4種不同亞型，CaMKⅡ各種亞型在多種惡性腫瘤中過表達，如非小細胞肺癌(NSCLC)、結直腸癌、乳腺癌、前列腺癌、骨肉瘤、肝癌和胃癌等[2-6]，且與其增殖、侵襲和轉移等生物學特性及臨床病理參數密切相關。有研究表明CaMKⅡ能夠通過調控腫瘤干細胞的生長及分化,進而在腫瘤復發和治療抵抗等方面發揮重要作用[7]。本文對CaMKⅡ在腫瘤中的研究進展綜述如下。

1 CaMKⅡ概述

CaMK包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ 4種類型。CaMKⅡ為一種多聚體蛋白，其全酶由12個亞基聚合組成，全酶分子質量為300～700 kU，亞基分子質量為50～62 kU。每個亞基都具有位于N-末端的催化結構區，與其相鄰的自動調節區和末端的中心結合區。CaMKⅡ有4個不同的基因(α、β、γ和δ)，每個基因編碼一個不同的CaMKⅡ同種型，其中α和β亞型在神經細胞的發育及功能活性中發揮重要作用，γ亞型在免疫系統尤其是T細胞記憶、CD8+細胞活化中發揮重要的作用，而δ亞型的研究主要集中在調節心肌細胞的穩態和功能。因此，腫瘤的發生和發展可能與CaMKⅡγ亞型高表達所致免疫功能紊亂有關。所有的CaMKⅡ亞型似乎都具有共同的調控機制和蛋白質靶標，但是在組織分布上卻有所不同[8]。CaMKⅡ的激活需要Ca2+和鈣調蛋白，當鈣調蛋白結合4個Ca2+時，它與CaMKⅡ結合并在蘇氨酸286(T286)位點誘導CaMKⅡ自身磷酸化，這可能為CaMKⅡ在癌癥中潛在作用的基礎。鑒于CaMKⅡ活化包括轉錄因子、離子通道、激酶在內的約40種蛋白質[9]，故其在多種腫瘤的增殖、侵襲、分化和轉移中發揮關鍵作用。

2 CaMKⅡ表達與相關腫瘤發生和發展機制

2.1CaMKⅡ表達與NSCLC 肺癌是世界上最常見的惡性疾病，也是與癌癥相關的死亡主要原因，每年有近160萬人死于肺癌[10]。近年，肺腺癌(ADC)發病率逐年增高[11]，腫瘤轉移是肺腺癌治療失敗和與癌癥相關病死率的主要原因。現臨床對于NSCLC尚無明確的預后生物標志物[12]。Liu等[13]通過總結CaMKⅡ表達與肺腺癌樣本及其臨床病理參數之間的關系，發現CaMKⅡ表達與組織學類型、TNM分期、淋巴結轉移和遠處轉移有一定關系，CaMKⅡ表達陽性患者比CaMKⅡ表達陰性患者更容易轉移。說明CaMKⅡ表達與肺腺癌轉移密切相關，CaMKⅡ和腫瘤標志的組合可用于預測肺腺癌患者的轉移。該研究還證明CaMKⅡγ在人NSCLC組織中異常表達并與其惡性程度具有相關性，并且CaMKⅡγ可以用作NSCLC的潛在惡性生物標志物[13]。Aran等[14]發現NSCLC中有多種致癌信號通路，CaMKⅡγ可以在Ser177/181處磷酸化IKBα激酶β(IKKβ)，并在NSCLC中起IKKβ活化的介體作用；同時，CaMKⅡγ可以直接或間接上調細胞外信號調節激酶1/2(Erk 1/2)、蛋白激酶B、Stat 3和β-catenin等多種信號通路，參與調節細胞增殖。上述研究表明，在未來的研究中應探討CaMKⅡ作為生物標志物在癌癥診斷和治療中的作用。

2.2CaMKⅡ表達與結直腸癌 結直腸癌是全球常見的癌癥之一，是受遺傳和環境因素共同影響的復雜疾病[15]。預計到2030年，全球每年結直腸癌將導致超過110萬例死亡和220萬例新診斷病例[16]，對人們生命安全構成嚴重威脅。因此，臨床迫切需要了解結直腸癌的分子發病機制，這對于預防疾病及尋找有助于降低相關病死率的藥物至關重要。Ca2+是一種普遍存在的第二信使，可作為多種細胞過程(例如控制細胞周期、凋亡和遷移)的信號分子，其中Ca2+信號在結直腸癌的發生和發展中扮演著舉足輕重的角色[17]。CaMKⅡ是Ca2+信號最重要的傳感器和調節劑，細胞內Ca2+濃度升高則是細胞增殖的重要環節，當細胞內Ca2+水平周期性上升時，Ca2+通過結合鈣調蛋白激活CaMKⅡ，CaMKⅡ通過直接或間接上調NF-κB、STAT3、Erk1/2、p38、MAPK和Wnt/β-Catenin等[6，18]信號通路導致結直腸癌的發生和發展，其信號通路錯綜復雜、聯系密切。有研究表明CaMKⅡ是結直腸癌細胞增殖、遷移和侵襲所必需的[19]。也有研究顯示，通過寡核苷酸微陣列分析對來自12個結腸癌和12個直腸癌的原發腫瘤組織進行了表達譜分析，結果顯示在結腸癌和直腸癌之間差異表達的基因中CaMKⅡγ是最顯著改變的基因之一[20]，其為直腸癌的關鍵基因，并在細胞黏附中起關鍵作用，可能與直腸癌轉移的發生率更高有關[6]。說明CaMKⅡγ有可能成為區分結腸癌和直腸癌的分子標志物。在人結腸癌細胞系HCT116中，CaMKⅡ特異性抑制劑KN-93降低了癌細胞的增殖、遷移和侵襲。CaMKⅡ特異性抑制劑(例如KN-62和KN-93)通過抑制結直腸癌等腫瘤和正常細胞中CaMKⅡ依賴性過程[21]，從而導致細胞周期停滯、細胞凋亡或細胞增殖抑制。因此，CaMKⅡ不僅可以作為區分結直腸癌的分子標志物，而且其特異抑制劑的研發可能為結直腸癌的治療帶來福音。

2.3CaMKⅡ表達與乳腺癌 乳腺癌是最常見的惡性腫瘤，并且是全世界女性與癌癥相關死亡的主要原因[22]。盡管近年乳腺癌存活率有所提高，但仍有1/3的患者發生遠處轉移，乳腺癌一旦轉移，通常被認為是無法治愈的[23]。Ca2+信號是乳腺癌細胞轉移的控制器[24]。當細胞內Ca2+水平升高時，Ca2+與鈣調蛋白結合，從而激活CaMKⅡ，并導致T286處CaMKⅡ磷酸化，在T286處CaMKⅡ的磷酸化誘導CaMKⅡ的自主激活。CaMKⅡ的T286磷酸化控制乳腺癌細胞的遷移和侵襲，而其細胞作用可能是通過啟動EMT以及激活FAK、STAT5a和Akt介導的，并且抑制CaMKⅡ活性阻止了乳腺癌細胞在體外的侵襲和遷移[9]。因此，預防T286處CaMKⅡ磷酸化對控制乳腺癌細胞轉移具有潛在治療意義。但是也有研究顯示CaMKⅡ(T286)的磷酸化導致細胞凋亡，例如三陰性乳腺癌(TNBC)通常是指具有侵襲性且預后不良[25]。有研究者通過進行TNBC細胞和異種移植小鼠用氯喹(CQ)和異鼠李素(IH)聯合處理實驗，證明了氧化應激介導的CaMKⅡ/Drp1信號傳導在調節CQ/IH誘導的線粒體裂變和凋亡中的關鍵作用[26]。這些作用與氧化應激介導的CaMKⅡ(T286)和Drp1(S616)的磷酸化以及隨后的線粒體易位有關。同樣，乳腺癌特異性調幅射頻電磁場(BCF)是一種針對乳腺癌腦轉移的新型靶向治療方法。有研究證明BCF誘導Ca2+內流通過CaMKⅡ激活p38MAPK以抑制腫瘤細胞生長，BCF暴露誘導是通過V3.2電壓門控鈣通道的間歇性鈣通量激活p38信號傳導從而介導腫瘤抑制作用，其中V3.2電壓門控鈣通道在功能上可能與假定的微結構域耦聯，以激活CaMKⅡ-p38信號傳導，從而限制了Ca2+向其他細胞區室的遷移[27]。以上可能解釋為CaMKⅡ的生物學特性通過多位點磷酸化和靶向特定亞細胞微域控制。目前臨床對于CaMKⅡ在腫瘤細胞中的促進或抑制作用機制仍然知之甚少。

2.4CaMKⅡ表達與前列腺癌 前列腺癌是西方男性中最常被診斷出的癌癥。盡管局部前列腺癌可以使用既定的手術和放射治療得到控制，但晚期前列腺癌的預后仍然令人失望，故了解其發病機制極其重要[28]。在前列腺癌中CaMKⅡ能夠引起細胞骨架重塑導致細胞運動性增加[29]。CaMKⅡ可以通過Ca2+/CaM依賴性和非依賴性機制激活。此外，CaMKⅡ還可以被乙酰基輔酶A激活，其中β-氧化途徑是其中之一，β氧化速率限制酶ACOX家族蛋白的基因缺失降低了CaMKⅡ的激活，而過表達ACOX則增加了CaMKⅡ的激活。激活的CaMKⅡ可以促進前列腺癌細胞的增殖、遷移和轉移。Yu等[30]對原發性前列腺癌(20例)、淋巴結轉移(19例)和骨轉移(19例)前列腺癌標本中的pCaMKⅡ(T286)表達進行了免疫組織化學分析，發現原發性前列腺癌與淋巴結轉移或骨轉移之間的pCaMKⅡ(T286)表達存在差異。證明CaMKⅡ與前列腺癌的轉移有關。Peimine(PM)是貝母中的一種生物活性物質，PM通過Ca2+/CaMKⅡ/JNK途徑破壞細胞內鈣穩態，從而抑制前列腺癌細胞的生長和運動并誘導凋亡[31]。但是，在多種培養的細胞系中也觀察到了依賴CaMKⅡ的凋亡[32]。因此，在不同的腫瘤中CaMKⅡ可能激活方式不一致，從而導致CaMKⅡ的生物學特性差異顯著。

2.5CaMKⅡ表達與骨肉瘤 骨肉瘤是兒童和青少年最常見的原發性惡性骨腫瘤，其中超過90%是高度惡性腫瘤[33]。因此，為了增強骨肉瘤的療效，迫切需要了解其新的生物學靶標或分子機制。眾所周知，腫瘤的生長、進展和轉移取決于新生血管的形成，而血管內皮生長因子(VEGF)家族的成員是一些血管生成的主要誘因。VEGF通過與內皮細胞上的VEGF受體1和2(VEGFR-1和VEGFR-2)結合，從而導致其隨后的募集、增殖和遷移而局部作用于腫瘤微環境(旁分泌)，而且VEGF已被證明在多種癌癥中具有自分泌作用，這種自分泌作用導致不同信號通路的激活，最終誘導腫瘤的生長和增殖。而VEGF誘導的骨肉瘤腫瘤生長受CaMKⅡ控制。有研究通過基因或藥理作用抑制骨腫瘤患者CaMKⅡ，觀察到VEGF蛋白分泌減少了約50%；當CaMKⅡ在骨腫瘤細胞中過表達時，觀察到VEGF蛋白分泌增加了約1000%；同時抑制CaMKⅡ和VEGFR會導致低氧誘導因子(HIF)-1α和AP-1與VEGF啟動子的結合減少，這很可能是導致VEGF轉錄下降的原因[34]。也有研究表明，活性CaMKⅡα同種型(p-α-CaMKⅡ)在人類骨肉瘤的生長和侵襲性中起關鍵作用。p-α-CaMKⅡ可能通過控制幾種細胞內蛋白質和轉錄因子(例如CREB、ERK、c-Fos和p21)的激活和表達最終導致這些細胞的失控增殖和生長，也可能通過調節幾種分子和不同VEGFR表達來改變骨腫瘤的微環境，從而促進骨肉瘤生長環境[35]。CaMKⅡ和VEGFR抑制劑的聯合使用可以用作手術前或手術后干預，聯合治療將減弱骨肉瘤腫瘤生長和增殖的能力，減小腫瘤體積使其切除更加容易。但關于CaMKⅡ抑制劑在骨肉瘤的治療方面仍需更多的臨床前研究來佐證。

2.6CaMKⅡ表達與肝癌 肝細胞癌是全世界與癌癥相關的死亡第二大主要原因。年輕肝細胞癌患者預后可得到改善，但年齡相對較大患者(通常認為>45歲)在被診斷出肝細胞癌后病死率增加。在分子水平上阻斷肝癌發展對于治療肝癌至關重要。CaMKⅡ在調節肝癌細胞線粒體應激中具有重要地位。CaMKⅡ通過促進線粒體延伸因子1(MIEF1)表達引起線粒體生物功能紊亂，如氧化損傷、電位降低、裂變和凋亡導致肝癌細胞凋亡，而CaMKⅡ的阻滯有利于癌癥存活并維持線粒體功能[36]。類似的，一項肝細胞癌的研究也表明線粒體裂變主要受CaMKⅡ調控[37]，CaMKⅡγ還可以通過AKT/mTORC1信號傳導拮抗肝細胞癌發生過程[38]。以上研究證明CaMKⅡ在肝細胞癌的進展中起到一定程度的保護作用。但Meng等[39]通過體內異種移植研究和體外細胞培養實驗研究顯示，CaMKⅡγ在肝細胞癌中過度磷酸化，而且其過表達增強肝細胞癌進程。因此，CaMKⅡγ在肝細胞癌的發生和發展過程中可能具有雙重作用，但具體機制需要進一步試驗探索。

2.7CaMKⅡ表達與其他腫瘤 鑒于CaMKⅡ有多個亞型且組織分布不同、活化形式繁多，故其與許多腫瘤有千絲萬縷的聯系，如胃癌、口腔鱗狀細胞癌(OSCC)和白血病等。抑制CaMKⅡβ可以觸發Akt/NF-κB途徑抵抗胃腺癌細胞的細胞增殖和遷移[40]，CaMKⅡ還參與幽門螺旋桿菌誘導NF-κB介導的炎癥反應從而導致胃癌的發生和發展，并為診斷包括胃癌在內的胃炎性疾病提供了潛在的分子標志[41]。TRPV4/CaMKⅡ/AKT軸可能會被細胞外環境激活，從而促進OSCC腫瘤細胞的生長[42]。活化的CaMKⅡ參與調節Erk 1/2的激活，導致髓樣白血病細胞增殖[43]。

總之，在本文中，我們描述了CaMKⅡ與各種腫瘤發生和發展相關機制的最新進展。由于激酶結構和功能之間的特殊關系，CaMKⅡ能夠將多種信號事件轉化為下游生理效應，其中CaMKⅡ的生物學特性可能與多位點磷酸化和靶向特定亞細胞微域控制有關，從而對多數腫瘤具有促進作用，且可以成為相關腫瘤診斷的新型分子標志物，其抑制劑有助于抑制腫瘤細胞增殖、侵襲和轉移；而對部分腫瘤則表現出保護作用。盡管我們對CaMKⅡ的了解正在發展，但對其在許多腫瘤中的具體機制仍然知之甚少，需要進一步探討，以期為相關腫瘤的早期診斷、預后評估及臨床靶向治療提供新方法。