熱休克蛋白70在腫瘤中的作用研究進展

楊瑩瑩，王宏茹，王麗芳，張 瑜，任 峰

(1.新鄉(xiāng)醫(yī)學院護理學院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.新鄉(xiāng)市第一人民醫(yī)院護理部，河南 新鄉(xiāng) 453000；3.新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎(chǔ)醫(yī)學院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

熱休克蛋白(heat shock proteins，HSP)廣泛存在于生物體中，具有高度保守性，當細胞受到高溫、缺氧、感染、炎癥因子等不利因素刺激后可誘導HSP的產(chǎn)生，因此，HSP又稱為應激蛋白，其在應激狀態(tài)下通過促進蛋白質(zhì)折疊并維持各種類型蛋白質(zhì)的自然結(jié)構(gòu)和功能來協(xié)助維持細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)[1]。根據(jù)HSP相對分子質(zhì)量大小，哺乳動物HSP包含HSP27、HSP40、HSP60、HSP70、HSP90、 HSP110和葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白170(glucose regulated protein 170，GRP170)[2]7個家族成員。HSP70在細胞內(nèi)含量最高，是HSP家族中最重要的一族，其在指導蛋白質(zhì)正確折疊、維持蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)和促進細胞在各種應激條件下存活等方面發(fā)揮著重要作用[3]。HSP70在腫瘤細胞中呈高表達，與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展及轉(zhuǎn)移密切相關(guān)[4]。本文就HSP70的結(jié)構(gòu)和功能及其在腫瘤發(fā)生、發(fā)展中的作用和靶向治療等方面的最新研究進展進行綜述，以期為腫瘤的治療提供新的方法與思路。

1 HSP70的結(jié)構(gòu)與功能

1.1 HSP70的結(jié)構(gòu)HSP70包含N端核苷酸結(jié)合域(nucleotide- biding domain，NBD)和C端底物結(jié)合域(substrate-binding domain，SBD)2個不同的功能區(qū)域。NBD結(jié)構(gòu)上高度保守，其相對分子質(zhì)量約為44 000，具有ATP酶活性；SBD相對分子質(zhì)量約為25 000，由相對分子質(zhì)量為10 000的底物結(jié)合結(jié)構(gòu)域和相對分子質(zhì)量為15 000的螺旋蓋結(jié)構(gòu)域構(gòu)成，SBD還包含1個羧基末端伴侶EEVD基序，負責底物結(jié)合及蛋白質(zhì)的重折疊[5]。

HSP70家族由13個成員組成，根據(jù)其生物學功能及在細胞器內(nèi)的定位不同，HSP70家族可分為4種類型：(1)應激誘導型HSP70，也稱HSP72。HSP72在正常細胞內(nèi)不表達或少量表達，當細胞受到外界刺激后，其表達量迅速增加；HSP72在指導蛋白質(zhì)完成正確折疊的過程中發(fā)揮著重要作用。(2)結(jié)構(gòu)型HSC70，又稱HSP73。HSP73主要存在于細胞質(zhì)中，在細胞的分化及發(fā)育中起著重要作用。(3)葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白75(glucose regulated protein 75，GRP75)，主要分布在線粒體中，行使分子伴侶功能。(4)葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(glucose regulated protein 78，GRP78)，主要位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激誘導產(chǎn)生。GRP78主要負責維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的正常功能，包括蛋白質(zhì)的合成、加工與修飾，新生肽鏈的折疊、組裝和運輸，調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣穩(wěn)態(tài)及充當內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激中心的感受器等[3]。

1.2 HSP70的生物學功能

1.2.1 分子伴侶功能HSP70是普遍存在的分子伴侶，對維持蛋白質(zhì)的穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。HSP70參與蛋白質(zhì)從合成到降解的所有生命過程，在蛋白質(zhì)合成過程中的正確折疊、蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運以及多蛋白復合物的組裝中起著重要作用。不同的伴侶蛋白與HSP70結(jié)合后發(fā)揮多種細胞保護作用。與HSP70共伴侶的有：J-域共伴侶，如HSP40與HSP70中的NBD結(jié)合，可提高ATP酶的活性；核苷酸交換因子(nucleotide exchange factors，NEFs)共伴侶，如Bag3和HSP110，可催化ADP的釋放，完成HSP70 ATP酶的循環(huán)；TPR結(jié)構(gòu)域共伴侶，如HOP和CHIP，可結(jié)合到HSP70和HSP90的C端EEVD基序上，是HSP70和HSP90結(jié)合所必需的關(guān)鍵物質(zhì)[6]。

1.2.2 抑制細胞凋亡HSP70能夠通過內(nèi)源性和外源性途徑抑制細胞凋亡。內(nèi)源性凋亡途徑中，HSP70一方面可抑制c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-teriminal kinase，JNK)和p38的活性，阻斷JNK介導的細胞凋亡；另一方面，HSP70能阻止Bax和Bid向線粒體的移位，從而阻斷細胞色素C向細胞質(zhì)中的釋放并抑制其與凋亡酶激活因子-1(apoptotic protease activating factor-1，Apaf-1)和caspase-9結(jié)合形成凋亡體復合物；HSP70也可通過與Apaf-1結(jié)合，阻止其與procaspase-9的關(guān)聯(lián)，從而破壞凋亡小體的形成[7-10]。外源性凋亡途徑中，HSP70通過與腫瘤壞死因子相關(guān)的凋亡誘導配體受體1和凋亡誘導配體受體2受體相互作用，阻斷死亡受體(death receptor，DR)4和DR5形成死亡誘導信號復合物[11]。

1.2.3 參與免疫反應HSP70可參與機體固有性和適應性免疫應答。HSP70通過激活多種天然免疫細胞，如單核-巨噬細胞和自然殺傷細胞，促進炎癥因子的釋放和相關(guān)免疫細胞的增殖，引發(fā)固有免疫反應，從而非特異性地殺傷腫瘤細胞。而且，HSP70能與腫瘤特異性多肽結(jié)合，形成 HSP70 多肽復合物，協(xié)助抗原呈遞細胞將抗原呈遞給T細胞，引發(fā)特異性免疫反應，提高機體對腫瘤的體液免疫和細胞免疫能力[12]。

2 HSP70家族與腫瘤的相關(guān)性

HSP70在腫瘤中呈高表達，可抑制細胞凋亡，介導腫瘤細胞對放化療的耐藥性，并與癌癥的不良預后密切相關(guān)[13]。研究表明，HSP70家族中有5個成員(HSP72、HSPA6、HSC70、HSPA9和GRP78)參與了腫瘤的發(fā)生、發(fā)展過程[14]。

2.1 HSP72與腫瘤HSP72 在多種癌癥中呈高表達，其表達量與腫瘤分級及預后不良相關(guān)。YOSHIDOMI等[15]研究發(fā)現(xiàn)，下調(diào)宮頸鱗狀細胞癌細胞中HSP72基因能夠抑制癌細胞增殖、遷移和侵襲，促進癌細胞的凋亡。BONVINI等[16]研究發(fā)現(xiàn)，在間變性大細胞淋巴瘤中HSP72與致癌基因核磷素-間變性淋巴瘤激酶(nucleophosmin-anaplastic lymphoma kinase，NPM-ALK)相互影響，HSP72在NPM-ALK陽性的淋巴瘤細胞中過表達，HSP72水平增高能夠抑制細胞損傷、Bax激活和細胞死亡，同時抑制線粒體上游細胞色素C的釋放，并限制下游caspase-3酶的活性；相反，當NPM-ALK活性被抑制后HSP72的表達降低。近年來研究發(fā)現(xiàn)，HSP72是人乳腺癌、小鼠神經(jīng)母細胞瘤細胞系等癌細胞中心體擴增的關(guān)鍵蛋白，抑制HSP72的表達可使癌細胞有絲分裂受阻，細胞凋亡增加[17]。

2.2 HSPA6與腫瘤HSPA6在正常生理條件下表達量較低，甚至無法檢測到，但在應激條件下，大部分組織和細胞中HSPA6表達量增高。YANG等[18]研究發(fā)現(xiàn)，與正常組織相比，肝癌組織中HSPA6 表達水平更高，高表達的HSPA6與乙型肝炎病毒相關(guān)的早期肝癌患者的不良預后相關(guān)。COURT等[19]在細胞和動物實驗中發(fā)現(xiàn)，抑制 HSPA6 基因的表達，可增強磁流體熱療對卵巢癌的治療效果。

2.3 HSC70與腫瘤HSC70代表HSP70家族結(jié)構(gòu)型同源蛋白，是維持細胞生長發(fā)育并調(diào)節(jié)細胞活性的關(guān)鍵介質(zhì)[20]。TANAKA等[21]研究發(fā)現(xiàn)，HSC70以伴侶依賴的方式與癌細胞存活的必需分子Rab1A相互作用，通過抑制應激條件下結(jié)腸癌細胞中Rab-1A 蛋白的降解，促進結(jié)腸癌細胞的增殖。研究發(fā)現(xiàn)，HSC70在神經(jīng)膠質(zhì)瘤組織中表達水平明顯升高，且與腫瘤的惡性程度及不良預后密切相關(guān)；HSC70可通過調(diào)節(jié)β4GalT5蛋白水平在神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞增殖與凋亡中發(fā)揮作用；此外，HSC70過表達還可通過調(diào)節(jié)類固醇受體共激活因子/黏著斑激酶(steroid receptor coactivator/focal adhesion kinase，Src/FAK)信號通路中的FAK、Src和富含脯氨酸的酪氨酸激酶2分子的磷酸化和激活來增強人腦膠質(zhì)瘤細胞的增殖、遷移和侵襲[22-23]。

2.4 HSPA9與腫瘤HSPA9基因位于人類 5q31.2染色體上，是編碼HSP70家族成員之一，也被稱為GRP7S。HSPA9定位于線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、細胞質(zhì)膜、細胞質(zhì)小泡和細胞質(zhì)中[24]。有文獻報道，HSPA9與多種癌變過程有關(guān)，包括腫瘤抑制因子p53失活，細胞凋亡的失調(diào)和上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transformation，EMT)的激活[25]。研究表明，在卵巢癌和甲狀腺髓樣癌細胞中，HSPA9通過激活絲裂原活化蛋白激酶/細胞外信號調(diào)節(jié)激酶信號通路促進癌癥的發(fā)生；在乳腺癌細胞中，HSPA9通過調(diào)控磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinases，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B，PI3K/AKT)和酪氨酸激酶/信號轉(zhuǎn)導與轉(zhuǎn)錄激活子信號通路增加乳腺癌細胞的遷移、侵襲、EMT和轉(zhuǎn)移[26-28]。

2.5 GRP78 與腫瘤GRP78 主要存在于細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，通過協(xié)助蛋白質(zhì)折疊和組裝、蛋白質(zhì)易位、對錯誤折疊的蛋白質(zhì)進行降解等維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)正常功能。GRP78在腫瘤發(fā)生、細胞凋亡和自噬、耐藥等方面發(fā)揮著重要作用[29]。ZIELINSKA等[30]研究表明，GRP78能夠與胰島素樣生長因子結(jié)合蛋白3(insulin like growth factor binding protein 3，IGFBP-3)相互作用，GRP78缺失導致IGFBP-3進入細胞減少，從而抑制乳腺癌細胞的增殖與轉(zhuǎn)移。LEE等[31]研究報道，GRP78在5-氟尿嘧啶耐藥結(jié)直腸癌細胞中高表達，GRP78通過抑制細胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生促進腫瘤的增殖與轉(zhuǎn)移。相反，敲除GRP78基因可激活caspase-3和聚ADP核糖聚合酶1從而誘導細胞凋亡。

3 HSP70靶向抑制劑在腫瘤治療中的應用

HSP70在多種癌癥中高表達，并與腫瘤發(fā)生和耐藥密切相關(guān)，因此，HSP70抑制劑的研究與制備具有重要的臨床意義。目前，HSP70抑制劑按照其作用機制主要可分為3類：一是作用于NBD區(qū)域，通過干擾ATP和HSP70結(jié)合，使HSP70由于缺乏能量供應而喪失功能；二是作用于SBD區(qū)域，阻止底物和HSP70的結(jié)合；三是干擾HSP70分子伴侶的形成，阻斷HSP70的構(gòu)象變化[32]。

3.1 基于NBD區(qū)域的HSP70抑制劑ATP水解和ADP/ATP交換在HSP70伴侶活動中起主要作用，基于NBD區(qū)域的HSP70 抑制劑通過破壞HSP70與ATP之間的相互作用導致HSP70正常功能喪失。目前報道的針對NBD區(qū)域的HSP70抑制劑主要有VER-155008、MKT-077和A17。VER-155008是一種腺苷衍生的HSP70抑制劑，可競爭性抑制HSP70 ATP酶的活性，導致NBD區(qū)域的構(gòu)象變化。SAKAI等[33]研究報道，在間皮瘤細胞系中，VER-155008可抑制HSP70的功能，通過誘導細胞G1期阻滯，阻斷PI3K/AKT /哺乳動物雷帕霉素靶蛋白信號通路，從而抑制間皮瘤細胞的生長與增殖。MKT-077是一種對腫瘤細胞有選擇毒性的陽離子若丹菁染料類似物，其定位在線粒體上，并與線粒體HSP70相互作用。研究報道，MKT-077能抑制卵巢癌的細胞活力，并通過抑制Wnt/β-catenin信號傳導來阻止EMT的進展[34]。適配體A17是抑制HSP70功能的新途徑，能與HSP70的NBD區(qū)域特異性結(jié)合并阻斷其ATP酶活性。SCHILLING等[35]研究發(fā)現(xiàn)，A17與HSP90抑制劑 NVP-AUY922聯(lián)合使用，能顯著增強對放射治療的耐藥腫瘤細胞株H1339和T47D對放射治療的敏感性。

3.2 基于SBD區(qū)域的抑制劑SBD是HSP70另一個功能區(qū)，可被不同的抑制劑如2-苯乙炔磺酰胺(2-phenylethynesulfonamide，PES)、ADD70和適配體A8靶向作用。基于SBD區(qū)域的抑制劑通過破壞SBD與底物之間的結(jié)合來抑制HSP70功能。首先是PES，這種小分子抑制劑可破壞HSP70/HSP90分子伴侶系統(tǒng)，導致自噬-溶酶體系統(tǒng)和蛋白酶體2種主要蛋白質(zhì)降解系統(tǒng)受損[36]。ZHOU等[37]研究報道，PES通過G0/G1期細胞周期阻滯和促進DR4、DR5的表達，在體內(nèi)外顯示出對人非小細胞肺癌的抗腫瘤活性。研究報道，HSP70特異性抑制劑ADD70與SBD區(qū)域結(jié)合并抑制HSP70與黃素蛋白凋亡誘導因子的結(jié)合，從而使癌細胞對各種死亡刺激所誘導的凋亡敏感；在結(jié)腸癌和黑素瘤動物模型中進行的研究表明，ADD70可抑制腫瘤細胞增殖，并增加腫瘤對順鉑的敏感性[38]。適配體A8是另一個靶向HSP70的肽適配體，能特異性結(jié)合HSP70肽結(jié)合域并抑制HSP70伴侶活性。有研究報道，A8在體外對抗癌藥順鉑也具有較強的化學增敏作用[39]。

3.3 基于HSP70伴侶功能抑制劑抑制HSP70活性的另一種方法是抑制其共伴侶的活性，此類抑制劑干擾HSP70與共伴侶的結(jié)合，阻斷HSP70的構(gòu)象變化。YAGLOM等[40]研究發(fā)現(xiàn)，MKT-077的類似物JG-98破壞了HSP70與共伴侶Bag3的相互作用，增強了對癌細胞(如乳腺癌、肝癌)的抗癌活性。DORARD等[41]在結(jié)直腸癌中鑒定了HSP110突變體HSP110DE9，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，HSP110DE9的過表達抑制了HSP70/HSP110的伴侶活性，使結(jié)直腸癌細胞對化學治療藥物敏感，從而改善了患者的預后。因此，推測HSP110DE9可能是癌癥預后的標志物。

4 總結(jié)與展望

惡性腫瘤嚴重威脅人類健康，研究和開發(fā)新的癌癥治療方法已成為人們關(guān)注的重點。HSP70與腫瘤關(guān)系密切，在生理條件下HSP70的表達量較低，但在應激條件下其表達量急劇增加。HSP70過表達可抑制腫瘤細胞凋亡，增強對放化療藥物的耐藥性，并與腫瘤的不良預后密切相關(guān)。因為HSP70能同時激活機體先天性和適應性免疫應答，在抗腫瘤免疫中發(fā)揮著重要作用，所以靶向HSP70是一種很有前景的癌癥治療方法。目前，以HSP為靶點進入臨床研究的藥物主要是HSP90抑制劑，針對HSP70的研究仍然不充分，因此，有待于進一步對以HSP70為靶點的藥物進行研究。