熱休克因子1在腫瘤侵襲與治療中的研究進展

張琳， 王桂春， 尹萍， 宋陽， 路中

(1.濰坊醫學院，山東省濰坊市 261000；2.濰坊醫學院附屬醫院腫瘤科，山東省濰坊市261000)

蛋白質穩態是細胞平衡蛋白質生物合成、折疊和降解的一個過程。當機體受高溫、輻射、氧化劑、毒物等刺激時，會激發一種自我的防御機制——熱休克反應(heat shock response,HSR)來維持蛋白質的穩態。熱休克因子1(heat shock factor 1,HSF1)是一種普遍表達的轉錄因子，在未應激的正常細胞中處于潛伏狀態，而當受到各種應激原的刺激時，HSF1可以誘導產生熱休克蛋白(heat shock protein,HSP)。HSP具有分子伴侶的功能，能促進受損蛋白質的重折疊和降解，從而保持蛋白質穩態。HSF1的異常激活可引起多種疾病[1]。HSF1在多種癌癥中過度表達，在腫瘤增殖、遷移、侵襲等方面發揮巨大作用，抑制HSF1活性是一種潛在的抗癌策略。

1 HSF1的結構

HSF1的N端是一個結構高度保守的螺旋-轉角-螺旋的DNA結構域，DNA結構域之后是亮氨酸拉鏈重復序列1-3(leucine zipper1-3,LZ1-3)，也稱為七肽重復序列，DNA結構域與LZ1-3相互作用可以介導HSF1的寡聚化。與LZ1-3相鄰的是調節結構域，能夠啟動熱休克反應并正負調節HSF1的轉錄活性，C端是一個轉錄激活域，可以促進靶基因的轉錄激活并將HSF1引導至特定的靶基因[2]。

HSF1的激活是一個多程序、多步驟的過程，受到多個分子的精細調控。HSF1激活主要包括三聚化、核易位、DNA結合和轉錄激活。HSF1主要以單體形式集中于細胞質中，未受刺激時，HSF1的DNA結合和轉錄能力在分子內和分子間受到抑制。有研究表明七肽重復序列A與B之間離子相互作用可以在分子內抑制HSF1的三聚體化，另外HSP90可以與HSF1形成復合物抑制三聚體化，HSP90是HSF1的主要調節物[3]。當機體暴露于高溫、輻射、氧化劑時，HSF1轉化為具有DNA結合能力的三聚體，轉移至細胞核中與熱休克元件的特定DNA序列結合誘導靶基因的轉錄。

2 腫瘤對HSF1的調控

癌細胞通過多種途徑調節HSF1，HSF1的Ser326磷酸化是HSF1激活重要修飾。Tang等[4]發現HSF1是一種新的MEK底物，HSF1可以通過MEK介導的Ser326磷酸化激活，而細胞外調節蛋白激酶(extracellular regulated protein kinase，ERK)通過抑制MEK在Thr292和Thr386位點的磷酸化來達到抑制HSF1Ser326的磷酸化的效果。ERK是MEK的唯一底物，這揭示了腫瘤細胞可以通過RAS/RAF/MEK信號通路調節HSF1，而且說明了RAS/RAF/MEK信號傳導的復雜性[5]。腫瘤細胞也可以通過代謝調節HSF1。AMP依賴的蛋白激酶(AMP activated protein kinase，AMPK)是生物能量代謝調節的關鍵分子,AMPK可以使HSF1 Ser121位點磷酸化，從而抑制HSF1的轉錄激活。LKB1-AMPK通路的抗腫瘤作用，在非小細胞肺癌、惡性黑色素瘤和宮頸癌的研究中證實LKB1的失活突變，因此腫瘤細胞通過抑制AMPK而增強HSF1激活[6]。

3 HSF1在腫瘤中的作用

3.1 HSF1促進腫瘤的增殖和轉移

HSF1是熱休克反應的主要調節因子，HSF1可在惡劣環境中提高生物體的存活率，但HSF1也可以通過惡性轉化來損害機體。HSF1對腫瘤產生的影響并非在于其充當了癌基因或抑癌基因，而是協調了一個廣泛的細胞網絡功能，在腫瘤的生長、侵襲和遷移等方面發揮了重要的作用。HSF1的致癌潛力最初是在敲除HSF1基因的小鼠模型中發現的，Dai等[7]發現HSF1缺陷小鼠對由致癌基因RAS和腫瘤抑制基因p53突變驅動的皮膚癌的發生表現出顯著的抗性。Kourtis等[8]敲除人類淋巴細胞白血病細胞系中HSF1，結果導致蛋白質穩態的缺失，細胞凋亡明顯增加，這表明癌細胞的生長依賴于HSF1。HSF1的缺失可以減少相關癌蛋白的表達，因此，HSF1可以通過穩定癌蛋白的表達來促進腫瘤發生。HSF1驅動癌癥特異性信號通路來抑制細胞凋亡。HSF1激活可以誘導核因子-κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)的抑制凋亡作用，NF-κB的激活是最重要的抗凋亡信號之一。HSF1可以上調HSP27和HSP70來抑制細胞凋亡，也可以通過調節HSPs以外的靶基因實現，Bcl-2相關抗凋亡基因3(Bcl-2-associated athanogene 3，BAG3)是HSF1的一個重要的非HSP靶基因，在惡性膠質瘤細胞中沉默BAG3可顯著增強Bcl-2抑制劑誘導的細胞死亡并重新激活細胞凋亡。在小鼠神經膠質瘤模型中，BAG3耗竭可導致細胞基質黏附和腫瘤生長的抑制，因此，HSF1/BAG3通路在Bcl-2過度表達的神經膠質瘤細胞抗凋亡中起著關鍵作用[9]。糖代謝的增強可以促進腫瘤的發展，而HSF1可以激活乳酸脫氫酶A的表達，從而促進腫瘤發展[10]。HSF1促進丙酮酸脫氫酶激酶3的轉錄，丙酮酸脫氫酶激酶3通過抑制丙酮酸脫氫酶來刺激糖酵解。因此，HSF1在維持腫瘤細胞糖酵解中發揮重要作用。

HSF1可以驅動癌細胞的遷移、侵襲。在腫瘤微環境中，腫瘤相關成纖維細胞(cancer-associated fibroblasts,CAFs)對于腫瘤的轉移至關重要,在乳腺癌、胃癌、肺癌等標本中證實HSF1在CAFs中高表達，并且HSF1的消耗導致轉化生長因子-β(transforming growth factor-beta,TGF-β)的丟失，TGF-β在誘導上皮間充質轉化中發揮巨大作用[11]。Grunberg等[11]證實HSF1可以上調抑制素亞基βA和血小板反應蛋白2，從而在CAF衍生的細胞外小泡中分泌到腫瘤微環境以促進癌癥。Shi等[12]證實血小板反應蛋白-4/整合素ɑ2/HSF1/TGF-β軸介導膽管癌細胞的轉移，CAFs分泌血小板反應蛋白-4與膽管癌細胞上的跨膜受體整合素ɑ2結合可以誘導HSF1 S326磷酸化，激活的HSF1信號增加了TGF-β1表達進而促進腫瘤的轉移。HSF1通過調節細胞骨架和細胞運動促進轉移。Tong等[13]證實HSF1可以與cw型鋅指蛋白2相互作用抑制精氨酸結合蛋白2(Arg-binding protein 2，ArgBP2)介導胃癌細胞的遷徙。腫瘤的轉移涉及多種細胞活動,包括細胞黏附能力的降低、細胞形態的改變以及細胞運動能力的加強，ArgBP2是細胞骨架和細胞運動的重要調節因子。

3.2 HSF1可作為腫瘤標記物

癌細胞的快速增殖導致大量基因突變的積累，從而需要更高水平的HSP來維持蛋白質穩態。Hoang等[14]在原發性前列腺癌標本中發現HSF1上調，因而推測HSF1可能與腫瘤密切相關，隨后又在胃癌、乳腺癌、結直腸癌中發現HSF1的高表達。除了實體瘤，HSF1在造血系統惡性腫瘤中也高表達，表明HSF1在不同癌癥類型中的促癌作用[15]。Song等[16]發現，HSF1的過表達與前列腺癌的Gleason分級有關，說明HSF1可作為一種新的生物標志物，對評估前列腺癌的惡性程度具有重要的參考價值。Lin等[17]收集胰腺癌組織、癌旁組織和正常胰腺組織來鑒定HSF1 RNA和蛋白質表達，結果顯示HSF1 RNA和蛋白在胰腺癌組織中的表達顯著升高，并與淋巴結轉移、腫瘤淋巴結轉移分期、分化程度、血管侵犯和遠處轉移顯著相關。Santagata等[18]對1 841名參與者的乳腺癌樣本進行了核HSF1分析，約80%的原位癌和浸潤性乳腺癌的核HSF1升高，并且高表達的HSF1是死亡率增加的獨立危險因素。因此，HSF1可以作為腫瘤預后的標志物。

3.3 HSF1與耐藥

全身化療是大多數癌癥患者的主要治療方法，但化療的耐藥性是腫瘤治療的最大挑戰。化療藥物耐藥性的潛在機制包括藥物的攝取減少、外流增加、影響藥物的代謝以及細胞凋亡機制的改變。HSF1可以通過多種方式影響耐藥性，其中之一就是HSF1的抗凋亡作用，乳腺癌對化療的耐藥及胃癌對BGJ398的耐藥均與HSF1/BAG3通路激活引起的抗凋亡有關[19]。此外，HSF1可以上調ATP結合盒轉運蛋白表達藥物向細胞外轉運，ATP結合盒轉運蛋白是一種跨膜蛋白，可以水解ATP將藥物泵出細胞。研究表明HSF1直接結合多藥耐藥基因1的啟動子區，調節包括P-糖蛋白在內的多種耐藥蛋白的表達，促進了耐藥性的發展[20]。HSF1通過代謝途徑影響耐藥性。Shen等[21]證明，限制葡萄糖的攝取可以延遲肝癌細胞對奧沙利鉑耐藥性的產生，而HSF1可以激活AMPK通路促進代謝類型向糖降解轉化，從而促進耐藥性的產生，因此限制葡萄糖攝取與靶向HSF1/AMPK相結合或許是一種提高奧沙利鉑治療敏感性的新策略。然而Zaidi等[22]發現，AMPK激活劑二甲雙胍可以使前列腺癌的化療敏感增加并抑制腫瘤干細胞的生長，因此，AMPK信號在腫瘤細胞耐藥性的作用機制仍需進一步研究。

4 HSF1的靶向治療

HSF1敲除不會影響小鼠的發育，僅表現出輕微的生長遲緩、熱休克反應缺陷和不孕，因此，HSF1對哺乳動物發育不是必需的。HSF1是一種高度非結構化的轉錄因子，因此很少有合適的藥物結合位點，由于缺乏有效的特異性藥物來抑制HSF1轉錄活性，靶向HSF1仍處于臨床前測試階段。就HSF1結構而言，其中一個重要的靶點是N端高度保守DNA結構域，目前已知靶向該位點的小分子包括KRIBB11、IHSF115和RNA適配體。在使用熒光素酶報告基因篩選HSF1抑制劑后，從合成化學庫中鑒定出TKRIB11化合物可以直接靶向HSF1，研究表明，KRIBB11通過干擾轉錄延伸因子p-TEFb和抑制RNA聚合酶Ⅱ的磷酸化來抑制熱休克反應[23]。也有研究表明，KRIBB11可以下調抗凋亡蛋白MCL-1的水平抑制神經膠質瘤細胞的生長，從而抑制腫瘤發展[24]。IHSF115直接與HSF1的DNA結構域結合，干擾含有轉錄激活因子1的轉錄復合物的組裝來抑制HSF1的轉錄活性，但不影響HSF1的三聚化、核易位和DNA結合，IHSF115對多種人類癌細胞系具有細胞毒性，尤其對多發性骨髓瘤[25]。RNA適配體可以與DNA結構域相互作用，與HSF1競爭結合HSE，并減弱MAPK信號通路，可以誘導細胞凋亡。HSF1三聚化是HSF1激活的開始,破壞LZ1-3相互作用可能會阻止HSF1寡聚化。

靶向HSF1下游成分可以抑制HSF1的活性。Nikotina等[26]使用熒光素酶報告基因篩選CL-43，CL-43抑制HSP40、HSP70和HSP90的水平，從而抑制結腸癌細胞的生長，CL-43還可以提高依托泊苷、順鉑和阿霉素的生長抑制和細胞毒活性，表明CL-43在各種抗腫瘤治療方案中具有廣闊的應用前景。既往報道，許多小分子化合物通過抑制下游熱休克蛋白來抑制HSF1的活性，包括雷公藤甲素、4-羥基苯酚、斑蝥素、BEZ235、SNS-032等[27]。盡管已經確定了這些分子可以抑制HSF1對HSP誘導來發揮抗癌活性，然而這些分子的確切機制仍然未知，并且未與HSF1直接作用。

5 總結與展望

HSF1通過多種途徑促進腫瘤增殖和轉移。HSF1驅動特異性信號通路或者激活下游靶基因抑制細胞凋亡，穩定癌蛋白表達和改變癌細胞代謝途徑促進腫瘤的增殖，調控多種因子的表達促進癌癥的轉移，參與多種藥物的耐藥導致抗腫瘤治療的失敗。目前可與HSF1直接結合的抑制劑僅有3種，對HSF1的深入研究將有助于開發更具特異性的HSF1抑制劑，HSF1靶向治療與其他治療方式聯合是否具有協同增效作用仍需進一步的探索。