VPRBP 蛋白與Abl 激酶誘發、抑制前列腺癌的一種物理機制

趙新軍, 李 循, 王書恒, 李九智

(1.伊犁師范大學 物理科學與技術學院 新疆凝聚態相變與微結構實驗室， 伊寧 835000; 2. 伊犁師范大學微納電傳感器技術與仿生器械實驗室， 伊寧 835000; 3. 新疆維吾爾自治區人民醫院 泌尿外科， 烏魯木齊 830000)

1 引 言

前列腺癌(PCa)是男性最常見的腫瘤之一，占男性癌癥死亡率的 6.6%[1-5]. 在許多患者中，PCa 是惰性的且生長緩慢. PCa 的診斷治療面臨的挑戰是確定那些不太可能出現顯著進展的患者，同時為有風險的患者提供根本性治療. 廣泛的基因組分析為原發性和轉移性 PCa 發病過程中常見的基因組改變提供了重要的借鑒[4-9]. 研究發現，PCa 基因組顯示出高頻率的復發性大規模染色體重排，例如 TMPRSS2-ERG[10]. 另外，廣泛的拷貝數改變(CNA) 在 PCa 中也很常見，但與其他癌癥相比，原發性 PCa 中的點突變相對較少[6,11]. 其中一個重要而復雜因素是，大約 80% 的 PCa 是多病灶性的，并且具有多個空間和通常形態上不同的腫瘤病灶[12,13]. 最近研究表明，大多數在形貌上不同的腫瘤病灶似乎是獨立出現的，并且驅動基因改變很少或沒有重疊[14-16]. 因此，為了對 PCa 的生化狀態進行更多的功能評估，有必要全面編目癌癥特異性基因組、轉錄組和蛋白質組改變[17-19]. 雖然迄今為止已經分析了數百個 PCa 基因組和轉錄組[20]，但仍然對 PCa 蛋白質組知之甚少，缺乏對 PCa 發生發展過程中基因組變化和蛋白質水平的了解，尤其是腫瘤分級、腫瘤進展和多層分子網絡變化之間的復雜關系在很大程度上仍然難以分辨[17-19].

雄激素受體(AR)是 PCa 起始和進展的主要驅動因素，目前，應用抗雄激素療法治療 PCa 是一種有較為效的治療方案，在使用該療法治療期間，PCa 通常會從雄激素依賴階段發展到去勢抵抗階段，但在大多數情況下，AR 介導的轉錄激活始終保持活躍[20-22]. 因此，全面了解前列腺癌發生過程中的 AR 信號傳導機制有助于開發對抗該疾病的新策略. Poulose 等人[23]的最新研究發現，AR 的調節因子 VPRBP(Vpr 結合蛋白)的轉錄水平受 AR 調節，在人體組織樣本中，VPRBP 蛋白表達與 AR 擴增和不良預后相關. VPRBP，也稱為 DCAF1(DDB1 和 CUL4 相關因子1)，它被認為是細胞周期和細胞增殖過程中一重要的調節因子. Poulose 等人[23]的研究還發現，PCa 細胞中的 VPRBP 通過在 AR 和 OGT 的影響下抑制 p53 活性來促進前列腺癌細胞增殖.

Abl激酶(Abelson激酶)家族在各種白血病中作為原癌基因發揮作用，并具有促腫瘤功能[24]，盡管如此，但越來越多的證據表明 Abl 激酶可以在多種癌癥中發揮抑制惡性行為的作用[25-27]. Marchal 等人[28]的研究發現，Abl 激酶缺失顯著增強了去勢抵抗性前列腺癌(CRPC)的進展和轉移，這對應于 AKT 蛋白信號傳導和 3D 基質上腫瘤細胞生長的上調，以及腫瘤細胞運動性的增加. Marchal 等人[28]的研究結果揭示了 Abl 抑制腫瘤進展的新機制，并支持在 PTEN蛋白缺陷、AR 無關的 mCRPC(轉移性去勢抵抗性前列腺癌)中靶向 AKT 蛋白信號傳導的基本原理. 由于 PTEN 缺陷導致 PI3K/AKT 信號過度激活可以促進 mCRPC 的發展[29,30]，這在機制上與 AR 和 PI3K/AKT 信號通路之間的相互抑制有關[31-33]. 新的研究普遍認為：PI3K/AKT 和 AR 信號通路相互抑制，單獨對任一通路的治療抑制導致另一通路的代償性激活[34,35].

Poulose 與 Marchal 等人[23,28]實驗結果，雖然分別確認了VPRBP 與 Abl 通過各自信號通路誘發、抑制前列腺癌的作用，但是，在 PCa 發生發展過程中，VPRBP 與 Abl 如何通過怎樣互聯的通路信號網絡，誘發和抑制 PCa，仍然是不清楚的，需要進一步研究探索. 鑒于文獻[23,28]中新穎而重要的實驗結果，在本文中，將建立互聯的通路信號網絡動力學理論模型，研究在 PCa 進展過程中， VPRBP 與 Abl 誘發、抑制前列腺癌的調控作用. 進一步深刻揭示 VPRBP 蛋白與Abl 激酶誘發、抑制 PCa 的物理機制特性，為設計阻斷 PCa 通路的治療方案提供理論依據.

2 理論模型

VPRBP 與Abl誘發、抑制前列腺癌細胞周期過程中，ATM(共濟失調毛細血管擴張癥突變)和 ATR(ATM 和 Rad3 相關)激酶是最上游的 DNA 損傷反應信號成分，激活腫瘤抑制蛋白 p53，并抑制 Plk1 活性[36,37]. 在抑制癌細胞增殖過程中，MDM2 蛋白通過抑制 p53 的反式激活抑制 p53 表達，而 PTEN 則抑制 AKT 激活[38]. AKT 通過 MDM2 調節 p53 的表達水平誘導細胞凋亡，即形成 AKT-MDM2-p53-PTEN 信號回路，在此通路中，VPRBP 誘導 MDM2 表達上調，Abl 抑制 AKT 表達. 因此，在 PCa 進展過程中，VPRBP 與 Abl 誘發、抑制前列腺癌的物理模型如圖 1 所示為

在理論模型中，ATM 和 ATR 統一標記為 [ATM(t)]，基于 Hill 動力學與 Michaelis-Menten 方程[39, 40]，可以獲得各組分相對濃度隨時間演化的動力學方程組為：

-kDm[DNADam(t)][Plk1(t)]

(1)

(2)

(3)

(4)

dMDM2R[MDM2R(t)]

(5)

(6)

(7)

(8)

以上方程組中，我們可以通過考察模型對參數(如表1所示)變化的敏感性，檢測參數設置的合理性.

3 結果與討論

在細胞周期過程中，DNA 損傷誘發致癌、抑癌信號通路激活，致使各種致癌、抑癌因子做出應激反應，不同的 DNA 損傷程度，會在不同程度上激活應激反應信號. 為了考察 DNA 損傷誘發的應激信號激活，可以首先考察不同 DNA 損傷(不同[DNADam(0)])條件下，[ATM] 與 [AKT] 隨時間演化的動力學關系.

圖2 不同[DNADam(0)]條件下， [ATM]、[AKT]隨時間演化的動力學關系.Fig.2 Temporal evolutions of the levels of [ATM] and[p53] at different [DNADam(0)].

圖2 呈現了在不同 DNA 損傷(不同 [DNADam(0)])程度條件下，[ATM]與[p53] 隨時間演化的動力學關系. 作為 DNA 損傷信號響應，圖 2 左圖中 ATM 呈現了脈沖式激活信號，瞬間的 DNA 損傷使得 ATM 很快激活，之后表達幅度迅速下調，而后趨于穩定值不變. 由此表明，在細胞周期過程中出現的 DNA 損傷會立即被 ATM 發覺，并啟動應激處理. 通過激活上調 p53， DNA 損傷的后續破壞會在很大程度上通過 p53 表達上調而被抑制. 作為 ATM 信號的快速響應，圖 2 右圖中 p53 一開始呈現了較大幅度的應激上調，以便很快抑制 DNA 損傷，之后穩定的周期性表達表明了 DNA 損傷已被抑制修復，細胞周期恢復到正常. 由此可見，針對在細胞周期過程中出現的 DNA 損傷，通過 ATM 信號，p53 在抑制 DNA 損傷變異進而抑制腫瘤的發生發展過程中起著極其重要的作用，因此 p53 表達異常很可能誘發腫瘤的發生發展.

表1 模型中的參數取值

Poulose 等人[23]發現，在 VPRBP 蛋白通過調節 MDM2 促進前列腺癌的發生發展，MDM2 則會在一定程度上抑制 p53 表達水平，從而致使前列腺癌的發生發展.

圖3 不同 [VPRBP] 條件下，[p53] 隨時間演化的動力學關系.Fig.3 Temporal evolutions of the levels of [p53] at different [VPRBP].

圖3 顯示了不同 [VPRBP] 條件下，[p53] 隨時間演化的動力學關系. 從圖 3 可以看出，較大的 [VPRBP] 使得 p53 周期表達變為阻尼振蕩模式，應激反應幅度減弱，之后趨于較低表達值. 由此表明了 VPRBP 通過上調 MDM2，使得 p53 表達水平異常，進而無法正常抑制 DNA 損傷誘發的腫瘤進展，因此可以得出，VPRBP 蛋白的高表達會使得 p53 功能受阻，從而誘發前列腺癌的發生發展.

VPRBP 影響 p53 表達從而誘發前列腺癌，這是前列腺癌致癌的一種可能的因素. 另外，代謝的紊亂也是腫瘤的標志之一，腫瘤患者往往表現出疲倦困乏，Marchal 等人[28]的研究發現，Abl 可抑制 AKT 表達水平，由此可以推斷，Abl 可通過影響 AKT 信號通路使得代謝出現紊亂 (例如，細胞中的糖原代謝)，進而促進前列腺癌的發生發展，AKT 信號通路(例如，PI3K-AKT-mTOR-S6K 信號通路)[38]，一直被認為是代謝過程中重要而又復雜的代謝途徑，除了影響代謝，AKT 信號通路也會對 p53 信號產生重要影響，進而誘發腫瘤的發生發展.

圖4 不同 [Abl] 條件下，[AKT]、[p53] 隨時間演化的動力學關系.Fig. 4 Temporal evolutions of the levels of [AKT] and [p53] at different [Abl].

圖4 呈現了不同 [Abl] 條件下，[AKT]、[p53] 隨時間演化的動力學關系. 從圖 4 左圖可以看出，AKT 被 Abl 抑制，較大濃度的 Abl 使得 AKT 的表達水平下調，由于 Abl 對 AKT 的抑制作用，致使在 AKT 信號通路(AKT-MDM2-p53-PTEN回路)中抑制 MDM2 表達水平，進而下調 p53 表達. 圖 4 左圖中呈現了 Abl 相對濃度的減少使得 p53 周期表達幅度隨時間演化逐漸減弱. 由此表明，Abl 通過調控 AKT-MDM2-p53-PTEN 信號通路中 AKT 的表達，會促使 p53 處于合理的表達水平，過少的 Abl 對 AKT 的抑制程度減弱，不僅使得細胞代謝出現紊亂[38]，而且還會促使 p53 正常的周期表達水平異常，對 DNA 損傷誘發的腫瘤抑制性減弱，進而促進前列腺癌的發生發展.

圖 5 敏感參數(Parameter Sensitivity)分布.Fig.5 Parameter sensitivity analysis.

圖 5 顯示了對模型中部分參數敏感性分布，從圖中可以看出，kp53、kMp、kMDM2導致 p53、Plk1 信號發生顯著變化，kp53直接控制著 p53 的合成速率，kMp、kMDM2相應地通過控制著 MDM2 的合成，進一步影響 p53、Plk1 的合成與表達水平. 其他調節器要么對參數變化不太敏感(例如 MDM2)，要么表現相似分布特性(例如 PTEN). 此外，p53 對kVP和kAA也表現出相當的擾動敏感(圖 5 左圖). 因此，可以預期 VPRBP 與 Abl 作為誘發、抑制前列腺癌的調節劑對現有和潛在的抗癌治療較為敏感，這表明 VPRBP 與 Abl 作為誘發、抑制前列腺癌過程中的重要因素，在一定程度上通過影響 p53 蛋白功能，改變對 DNA 損傷誘發的腫瘤的抑制性，這一分析結果可用于預測旨在阻斷前列腺癌細胞周期進程的潛在治療效果.

VPRBP 與 Abl 作為誘發、抑制前列腺癌的機制，是一個多步驟的過程，具有許多中間物種，例如，中間存在 p53 與 Plk1 的復合物以及磷酸化等[43]，這種多步機制在 VPRBP 蛋白與 Abl 激酶作為誘發、抑制前列腺癌的信號通路會產生時滯性.

圖6 不同時間延遲條件下，[p53]、[Plk1]、[AKT]與 [PTEN] 隨時間的演化.Fig. 6 Temporal evolutions of the levels of [p53],[Plk1],[AKT] and [PTEN] at different time delays.

圖6 呈現了在不同時滯條件下，[p53]、[Plk1] 、[AKT] 與 [PTEN] 隨時間演化的周期特性. 從圖 6 可以看出，[p53] 與 [Plk1] 隨時間的演化一開始呈現了較強的波動演化，隨著時間的進一步演化，顯示了較為穩定的周期演化振蕩特性，[AKT] 與 [PTEN] 呈現出了較大的增長幅度后趨于穩定不變. 比較圖中不同時滯τ，可以發現，隨著τ的增大，[p53] 與 [PTEN] 隨時間演化一開始都呈現了較大的幅值，[AKT] 呈現了較小的幅值，之后趨于正常. [Plk1] 則由于時間延遲，改變了周期振蕩相位，振幅略微增加. 這是由于，VPRBP與 Abl 作為誘發、抑制前列腺癌的信號通路中，由于各種基因、蛋白激活合成的時滯性，導致信號通路中 [p53] 與 [PTEN] 蓄積量增多，減弱了 [AKT] 表達幅. [Plk1] 隨時間演化的相位推移，表明了在 VPRBP 與 Abl 誘發、抑制前列腺癌的過程中，[Plk1] 自身生化反應在時間上的長期關聯性，這種關聯性受到其過去中間物(p53 與 Plk1 的復合物以及磷酸化等)的影響，出現了時滯效應，產生額外的周期振蕩相位修正. 由此表明，時間延遲可以在一定程度上影響VPRBP 與 Abl 誘發、抑制前列腺癌系統的動力學，并且還可能調控動力學系統的穩定性. 在VPRBP 與 Abl 誘發、抑制前列腺癌的進程中，系統中的轉錄、翻譯與翻譯后步驟導致的時滯性，會導致功能調節蛋白的表達上調，在一定程度上抑制前列腺癌的發生發展[27,28].

4 結 語

在本文中，基于Hill 動力學與 Michaelis-Menten 方程，建立理論模型研究 VPRBP 與 Abl 誘發、抑制前列腺癌的一種物理機制. 研究發現，瞬間的 DNA 損傷使得 ATM 很快激活，并啟動激活上調 p53，DNA 損傷的后續破壞會在很大程度上通過 p53 表達上調而被抑制. VPRBP 通過上調 MDM2，使得 p53 表達水平異常，進而無法正常抑制 DNA 損傷誘發的腫瘤進展，因此可以得出，VPRBP 蛋白的高表達會使得 p53 蛋白功能受阻，從而誘發前列腺癌的發生發展. AKT 信號通路(例如，PI3K-AKT-mTOR-S6K信號通路)，作為一種重要而又復雜的代謝途徑，除了調控糖類代謝外，也會對 p53 表達產生重要影響，進而誘發各種腫瘤的發生發展[38]. 通過考察 Abl 在前列腺癌進程中的作用發現，Abl 使得 AKT 的表達水平下調，由于 Abl 對 AKT 的抑制作用，致使在 AKT 信號通路中抑制 MDM2 表達水平，進而穩定 p53 表達. 由此表明，Abl 通過抑制 AKT 的表達，促使 p53 處于合理的表達水平，過少的 Abl 對 AKT 的抑制程度減弱，不僅使得細胞代謝出現紊亂，而且還會促使 p53 正常的周期表達水平異常，對 DNA 損傷誘發的腫瘤抑制性減弱，進而促進前列腺癌的發生發展. 我們的理論模型結果符合實驗觀測[23,28]，揭示了 VPRBP 與Abl 誘發、抑制前列腺癌的一種物理機制. 通過分析參數敏感性，確定了模型解釋 VPRBP 與 Abl 誘發、抑制前列腺癌的參數范圍，預測了 VPRBP 蛋白與 Abl 激酶作為誘發、抑制前列腺癌的調節劑對現有和潛在的抗癌治療較為敏感. VPRBP與 Abl 作為誘發、抑制前列腺癌的過程中，由于各種基因、蛋白激活合成的時滯，導致信號通路中 [p53]、[Plk1] 與 [PTEN] 蓄積量增多抑制 [AKT] 表達，以及 [PTEN] 周期振蕩相位轉移，可用于預測旨在阻斷前列腺癌細胞周期進程的潛在治療的效果.

本文只考慮 VPRBP 與Abl 誘發、抑制前列腺癌的作用機制，事實上，另外，OGT (O-GlcNAc 轉移酶)，在 PCa 發生發展過程中，催化 UDP-N-乙酰氨基葡萄糖(UDP-GlcNAc) 共價添加到絲氨酸和蘇氨酸殘基蛋白質，其表達通常在 PCa 中上調[43,44]，已知的研究[45,46]表明，VPRBP 對這些過程至關重要，至于 VPRBP 對 T 細胞生長和細胞周期進入的基本過程是如何調節的知之甚少. 因此，誘發、抑制前列腺癌的多樣化的致癌、抑癌因素仍需要進一步探索研究. 本文結果進一步揭示了VPRBP 與 Abl 誘發、抑制前列腺癌的進程中的一種調控作用機制，可為設計阻斷前列腺癌的通路治療方案提供理論依據.