吡咯啉-5-羧酸還原酶-1在腫瘤中的作用及機制研究進展

周波蓉 宋雅楠 綜述 夏偉 審校

脯氨酸是人體的非必需氨基酸,但在腫瘤生長中起到重要作用。吡咯啉-5-羧酸還原酶-1(Pyrroline-5-Carboxylate Reductase-1,PYCR1)是谷氨酸合成脯氨酸途徑的關鍵酶[1],與至少22種不同的癌癥類型有關,是所有脯氨酸代謝酶中與癌癥關系最密切的蛋白質[2]。近年來越來越多的研究發現PYCR1在腫瘤中高表達,與多種信號通路有關,參與腫瘤細胞能量代謝和信號傳遞[3],促進腫瘤細胞的增殖、遷移和侵襲[4],抑制細胞凋亡,改變腫瘤微環境等,涉及的分子機制復雜。本文將從PYCR1在腫瘤能量代謝、信號轉導和遺傳修飾等方面的具體機制,以及PYCR1在臨床預后及化療耐藥方面的意義闡述PYCR1在腫瘤中的作用,為PYCR1成為腫瘤分子標志物提供更多的理論和實驗依據。

1 PYCR1在腫瘤中的作用機制

1.1 PYCR1與能量代謝

PYCR1在線粒體內參與脯氨酸循環,通過影響胞質氨基腺嘌呤二核苷酸磷酸鹽(Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADP+)水平,將脯氨酸代謝與磷酸戊糖途徑和核苷酸生物合成聯系起來[5]。Bonnay等[6]發現PYCR1通過線粒體膜融合介導的氧化磷酸化,增加NADH/NAD+代謝以促使腫瘤永生化。Liu等[7]發現脯氨酸生物合成可上調糖酵解,促進腫瘤細胞生長,敲低PYCR1可下調NAD+和NADH水平。Westbrook等[8]研究表明腫瘤細胞能夠通過PYCR1表達內源性脯氨酸,并通過生成NAD+促進三羧酸循環(Tricarboxylic acid cycle,TCA),減少乳酸鹽的產生,從而維持腫瘤細胞活性;而PYCR1敲除會導致細胞死亡和腫瘤生長抑制。同樣,骨髓瘤細胞在低氧環境下也能刺激谷氨酰胺轉化為脯氨酸,而PYCR1小分子抑制劑pargyline處理可以減少脯氨酸的產生[9]。另外,PYCR1催化脯氨酸生物合成增加能夠緩解TCA循環中碳氧化升高導致的代謝還原電位的過度積累和活性氧(Reactive oxygen species,ROS)的產生[10],從而維持氧化還原信號以促進癌細胞存活和增殖。以上研究表明,PYCR1對腫瘤細胞能量代謝的作用多是通過NADH/NAD+代謝發揮作用。

1.2 PYCR1與信號轉導

PYCR1在腫瘤細胞中的高表達,不僅通過能量代謝維持細胞增殖,還通過調控信號通路促進腫瘤細胞增殖、侵襲和遷移,抑制腫瘤細胞凋亡。PYCR1參與的信號通路主要有Akt通路、JAK通路和STAT通路等。Zhang等[11]研究發現PYCR1敲減組凋亡相關標記物在肝癌細胞中持續上調,且PI3K、Akt和mTOR蛋白的磷酸化水平顯著低于對照組,結果提示紫草素通過下調PYCR1的表達,抑制PI3K/Akt/mTor途徑,從而誘導肝癌細胞凋亡和自噬。Guo等[12]也發現敲除PYCR1基因可以抑制Akt通路的激活進而誘導肝癌細胞凋亡和自噬。同樣,Xiao等[13]通過GEPIA數據庫發現胃癌中PYCR1 mRNA表達與PIK3CB和AKT1 mRNA表達呈正相關。Du等[14]發現膀胱癌細胞PYCR1基因敲除降低了Akt的磷酸化水平,增強了Wnt/β-catenin信號的激活。另外,Cheng等[15]研究表明RAC3能夠激活PYCR1/JAK/STAT信號通路,也能促進膀胱癌細胞增殖、侵襲和遷移。敲低PYCR1后Bcl-2和c-Myc的表達以及JAK2和STAT3的磷酸化水平顯著升高,說明PYCR1可能通過JAK/STAT信號通路促進肺腺癌細胞生長[4]。Yan等[16]研究表明,敲除PYCR1能夠通過STAT3抑制p38-MAPK和NF-κB信號的激活,抑制結直腸癌細胞增殖。另外,Wei等[17]通過GSEA分析揭示了與PYCR1高表達相關的通路,包括IL-6-JAK-STAT3信號通路、mTORC1信號通路、myc-靶向-v2通路和p53通路,這些通路主要與腫瘤細胞的增殖、侵襲和免疫微環境相關。PYCR1影響的信號通路多與磷酸化有關,能夠促使腫瘤細胞內某些蛋白質的磷酸化水平降低,這可能與PYCR1參與氧化還原平衡有關,但具體的作用機制以及與各通路之間的聯系有待進一步研究。

1.3 PYCR1與遺傳修飾

表觀遺傳學修飾與腫瘤的發生密切相關。DNA超甲基化可通過限制生物合成途徑的成分來調節代謝物水平,而脯氨酸水平的降低與PYCR1的甲基化有關[18]。研究表明,PYCR1在腸型胃癌中高表達的表觀遺傳學機制可能是PYCR1基因啟動子內CpG位點低甲基化和p300誘導H3K27ac修飾的協同作用[19]。Song等[20]研究發現USP18/FTO/PYCR1軸可促進膀胱癌的發生發展,其原理是泛素特異肽酶18(Ubiquitin specific peptidase 18,USP18)在蛋白水平上促進脂肪質量與肥胖相關蛋白(Fat-mass and obesity associated protein,FTO)的穩定性,而FTO又能通過其去甲基酶活性降低PYCR1中N6-甲基腺苷甲基化水平,從而最終穩定了PYCR1轉錄,促進了膀胱癌的發生發展。另外,Chen等[21]研究發現SIRT3和CBP通過調節PYCR1的乙酰化/去乙酰化參與了脯氨酸代謝的調節,并通過靶向PYCR1的K228位點影響腫瘤細胞的生長。癌細胞通過基因調控影響PYCR1遺傳修飾,特別是降低PYCR1甲基化,這也是導致腫瘤細胞中PYCR1表達增高的原因之一。

1.4 PYCR1與細胞外基質

脯氨酸的生物合成對細胞外力學環境有很大的影響,因為脯氨酸是膠原蛋白的主要組成成分之一[22],在營養豐富的時候,脯氨酸儲存在膠原蛋白中,參與構成細胞外基質[23]。膠原蛋白沉積增加,導致細胞外基質硬化,促進腫瘤遷移,而膠原蛋白在腫瘤微環境中又可通過金屬蛋白酶和膠原酶的活性降解生成游離脯氨酸反過來被細胞吸收,用于蛋白質合成/膠原蛋白生物合成,導致表觀遺傳重塑[2]。Kindlin-2是一種廣泛表達和進化保守的蛋白,對整合素介導的細胞外基質黏附和信號轉導至關重要。細胞外基質硬化通過整合素信號途徑促進Pinch-1的表達,從而抑制動力蛋白相關蛋白1(Dynamin-related protein 1,DRP1)的表達和線粒體的分裂[22],導致Kindlin-2移位到線粒體并與PYCR1相互作用,形成Kindlin-2-PYCR1復合體,從而促進脯氨酸合成和細胞增殖[9]。此外,PYCR1可與Lon蛋白酶相互作用產生ROS,通過p38-NF-κB通路誘導炎性因子產生,從而改變細胞外基質,誘導細胞侵襲以及上皮間充質轉化(Epithelial-mesenchymal transition,EMT)[24]。所以癌細胞不僅能通過直接調控PYCR1促進自身增殖,還能夠通過控制蛋白質合成效率,改變腫瘤微環境促進轉移。

2 PYCR1的潛在臨床意義

2.1 PYCR1與臨床預后

PYCR1作為促癌基因,能夠促進腫瘤細胞的生長和侵襲,在多種腫瘤中高度表達,與臨床腫瘤患者預后不良密切相關。肝細胞癌組織中PYCR1的表達顯著高于癌旁組織,且與較高的臨床分期(Ⅲ和Ⅳ期)有關[25]。PYCR1在胰腺導管腺癌中也高表達,PYCR1高表達患者總體生存率低[26]。Xiao等[19]研究發現,從非萎縮性胃炎到胃上皮內瘤變再到胃癌,組織中PYCR1的含量逐步增高,表明PYCR1表達增加可能導致腸型胃癌多步進展。Wei等[17]研究發現在腎細胞癌谷氨酰胺代謝基因中,PYCR1是免疫腫瘤微環境最強的調節因子,且ROC曲線發現PYCR1作為預測因子的曲線下面積為0.742,說明PYCR1有作為獨立預后因素的潛力。Liu等[27]從12個途徑的606個糖代謝相關基因中篩選出18個靶基因,這些基因的表達與啟動子甲基化強度與膀胱患者的生存顯著相關,其中包括PYCR1,且PYCR1的表達與膀胱癌患者的腫瘤分期密切相關。上述研究證明PYCR1與腫瘤進展及轉移有關,有望成為腫瘤診斷及預后評估的新的生物標志物。

2.2 PYCR1與化療耐藥

研究發現,PYCR1能夠增強肺腺癌、胃癌和乳腺癌等腫瘤的抗藥性。She等[28]研究發現PYCR1沉默增加了肺腺癌細胞對順鉑的敏感性。Shenoy等[29]在研究乳腺癌新輔助化療蛋白組學時發現,與預后不良有關的模式中的主要相關基因是參與脯氨酸代謝的PYCR1和ALDH18A1,且高表達PYCR1的患者呈現更短的無復發生存期,而PYCR1敲除能夠增強紫衫醇和阿霉素對激素陽性乳腺癌細胞的藥物毒性,表明高水平PYCR1與治療抵抗和預后不良有關。Liu等[30]在胃癌曲妥珠單抗耐藥的蛋白組學分析中發現,脯氨酸合成相關蛋白PYCR1/2顯著上調。PYCR1高表達促進了腎癌細胞對環丙胺、IC-87114和MK-2206等藥物的耐藥性[31],降低結直腸癌對5-FU的敏感性[32]。PYCR1 mRNA的表達在骨髓瘤進展過程中增加,復發/難治性樣本表達的PYCR1水平高于首次診斷時從相同患者分離的樣本,且與總生存期縮短顯著相關(P=0.017),其可能與PYCR1通過抑制PRAS40介導的蛋白質合成降低多發性骨髓瘤細胞對硼替佐米敏感性有關[9]。細胞及組學分析發現PYCR1與化療耐藥密切相關,有可能改善臨床化療耐藥的現象,之后需要通過一系列體內外實驗驗證這一作用,以更好地應用于臨床。

3 PYCR1抑制劑對腫瘤的影響

由于脯氨酸循環及PYCR1在腫瘤中起重要作用,靶向PYCR1抑制劑的開發越來越受到關注。Milne等[33]發現降壓藥帕吉林是一種PYCR1的小分子抑制劑。Westbrook等[8]以帕吉林作為PYCR1抑制劑進行研究,發現帕吉林可降低骨髓瘤細胞的活力和增殖,并增加細胞凋亡。Christensen等[34]發現N-甲酰l-脯氨酸(N-formyl l-proline,NFLP)與P5C競爭性結合PYCR1,改變PYCR1構象,是第一個經過驗證的PYCR1化學探針。Forlani等[35]發現苯基取代的氨基亞甲基-雙膦酸鹽也能抑制P5C還原酶,并對脯氨酸高產腫瘤細胞具有抗增殖活性。越來越多的研究發現PYCR1抑制劑能有效抑制腫瘤生長,但都局限于細胞水平,未來需要更多的實驗探索其在體內的抑瘤作用,為臨床治療癌癥提供更多的研究基礎。

4 小結與展望

越來越多的研究證明PYCR1是促癌基因,在多種腫瘤中高表達,通過調控多種信號通路,促進腫瘤細胞增殖、侵襲及遷移,參與影響腫瘤能量代謝及腫瘤微環境的改變。其作用的分子機制主要是通過NADH/NAD+代謝參與線粒體介導的氧化磷酸化和ROS生成,以及膠原蛋白相關的細胞外基質改變。臨床研究中,高表達PYCR1的腫瘤患者表現出高轉移率、低生存率和化療耐藥等預后不良。多種研究表明PYCR1在腫瘤中有著重要作用,證明了PYCR1可以作為腫瘤診斷、預后和治療的潛在的生物標志物,為臨床診斷和治療腫瘤提供重要理論支持和新方法。