乳酸及單羧酸轉運蛋白MCT4在組織纖維化和腫瘤中的作用及應用

余國營,姬志華,溫洪智,孫志恒

(河南師范大學 生命科學學院;河南省與科技部共建細胞分化調控國家重點實驗室;河南省肺纖維化國際聯合實驗室,河南 新鄉453007)

乳酸曾一度被視為代謝廢物,然而最近的研究發現乳酸在各項生命活動和疾病進展的過程中發揮了至關重要的作用[1].多項研究表明乳酸可以作為一種能量來源,糖異生的前體和信號分子在機體中發揮作用[2].乳酸由糖酵解的終產物丙酮酸還原而來,通過質膜上的單羧酸鹽轉運體(MCTs)在細胞內與微環境之間穿梭,因此,單羧酸轉運蛋白在乳酸調控的代謝活動中起著重要作用.其中MCT4主要負責細胞內乳酸流出[3],其有助于穩定細胞內外的H+水平.由于乳酸的異常累積常和疾病的加重與不良預后密切相關,故靶向MCT4是一種非常有前景的疾病治療策略.在此,總結了乳酸及MCT4的生理功能和參與調控MCT4表達的分子機制,同時也闡述了針對MCT4設計的抑制劑在疾病治療中的進展.

1 乳酸的生物學功能

1.1 作為一種能量物質,實現細胞間的代謝偶聯

即便是在有氧氣存在的情況下,癌細胞仍以糖酵解作為主要的能源獲取方式,即“Warburg effect”.不僅僅是癌細胞,快速增殖的細胞幾乎都存在著類似的共性.除此之外,也有學者提出了“Reverse Warburg effect”,即在腫瘤中,葡萄糖主要被遠離血管(缺氧)區域的癌細胞利用并供給能量,而靠近血管(富氧)區域的癌細胞處于代謝中的有利位置,且可以與缺氧區域癌細胞建立代謝共生關系.缺氧區域癌細胞將通過表達MCT4產生的乳酸排出細胞,而含氧區域的癌細胞則可以通過MCT1將胞外乳酸攝取進胞內,并且在乳酸脫氫酶的作用下氧化為丙酮酸,進而通過三羧酸循環和呼吸鏈供能[4].所以如將MCT1或MCT4的功能抑制進而使乳酸不能在腫瘤微環境中得以循環,缺氧的癌細胞將會因為缺少營養物質發生死亡,可見乳酸及其轉運蛋白在其中的關鍵作用.也有其他文獻表明在不同的組織器官中,乳酸及其轉運蛋白也發揮著重要作用,如:在骨骼肌中,表達MCT4的糖酵解型白色肌纖維向表達MCT1的氧化型紅色肌纖維提供乳酸[5](圖1).

在心肌細胞中,正常情況下脂肪酸氧化是產生ATP的主要途徑,然而在心力衰竭時,心肌細胞代謝方式發生改變,從脂肪酸的氧化轉向糖酵解,乳酸便是最主要的能量來源.在大腦中也有類似的共生關系報道,正常的星形膠質細胞以糖酵解的方式為自身提供能量,同時生成并釋放大量的乳酸,神經元能夠吸收和利用乳酸,進行充分氧化磷酸化供能,這一過程被稱為“神經元-星形膠質細胞乳酸穿梭”[6].

腫瘤微環境中的TGF-β信號可以被腫瘤細胞中的乳酸誘導,進而抑制由乳酸和其他經典配體誘導的巨噬細胞炎癥小體的活化.因此,在特發性肺纖維化(Idiopathic Pulmonary Fibrosis ,IPF)中,乳酸可以作為一種新型的促纖維化介質,通過酸化細胞外空間,并以pH依賴的方式激活TGF-β,從而進一步延續纖維化信號.JUDGE等[7]確定乳酸脫氫酶A(Lactate Dehydrogenase-A,LDHA)是肺纖維化的潛在治療靶點.LDHA可催化丙酮酸轉化為乳酸.進一步的研究表明,LDHA抑制劑棉酚(gossypol)的處理不僅可以在體外抑制TGF-β1誘導的肌成纖維細胞分化和膠原生成,還可以以劑量依賴性的方式抑制博來霉素誘導的小鼠肺內膠原蓄積和TGF-β1活化.該研究表明棉酚抑制LDHA在預防和治療博來霉素誘導的肺纖維化方面都有重要作用.與健康肺組織相比,特發性肺纖維化IPF中乳酸濃度顯著升高,約為正常肺組織的3倍[8].表明代謝失調的Ⅱ型肺泡上皮細胞(Alveolar type Ⅱ Epithelial Cell,AECⅡ)是IPF的主要驅動因素,而控制乳酸代謝可能是一種干預和逆轉這種致命疾病的手段(圖2).

另外,IPF、系統性硬化癥(SSc)、哮喘和慢性阻塞性肺疾病(Chronic Obstructive Pulmonary Diseases,COPD)患者都受到胃食管反流病(Gastro-Esophageal Reflux Disease,GERD)的影響.有假說認為食管上、下括約肌壓力的降低可能會導致小液滴的反流物微量吸入,長此以往,便會在分子和細胞水平上引起亞臨床肺損傷和纖維增生反應,導致肺纖維化.然而,GERD和IPF之間的因果關系尚未被很好地定義[9].

這些結果都說明乳酸在慢性疾病的發生發展中發揮著不可忽視的關鍵作用,理解并設法屏蔽上述疾病中的乳酸合成及其對效應細胞的直接作用,是重要的潛在治療方案之一.

1.2 作為信號分子,介導細胞與外界環境信息交流

越來越多的研究顯示乳酸在細胞的生命活動中承擔著信號分子的功能.GPR81又被稱為HCA1或HCAR1,是乳酸的特異性受體,被激活后不僅可以通過抑制Gi依賴性的腺苷酸環化酶活性進而發揮抗脂解作用和抑制cAMP的形成[10].另外,GPR81在軟腦膜成纖維樣細胞中高度富集,被激活后可促進腦血管內皮生長因子A(VEGFA)以及腦血管的生成[11].值得注意的是,GPR81在免疫逃避和化療耐藥方面也發揮了至關重要的作用[12].GPR132是乳酸的另一個感受器,目前僅在巨噬細胞中發現.過氧化物酶體增殖物激活受體(PPARγ)通過與GPR132的啟動子結合抑制其轉錄活性,進而抑制巨噬細胞向M2表型轉換,調節乳腺癌細胞-巨噬細胞之間的相互作用,抑制癌細胞黏附、遷移和侵襲.同樣在巨噬細胞中,其在攝取乳酸之后可以激活哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物1(mTORC1),導致轉錄因子TFEB及其下游的靶基因表達減少,比如編碼液泡質子泵D2亞單位的Atp6v0d2,該蛋白亞單位可酸化溶酶體并促進蛋白質降解,即巨噬細胞可以通過乳酸介導的相關信號通路減少其胞內蛋白的水解[13].此外,乳酸也可以直接與RLR(視黃酸誘導基因1樣受體)適配器線粒體抗病毒信號轉導蛋白(MAVS)的跨膜結構域結合,抑制MAVS的聚集和RLR介導的Ⅰ型干擾素的產生,進而干擾病原的清除.MAVS的跨膜結構域不僅對其線粒體定位至關重要,而且也參與了RIG-I(視黃酸誘導基因蛋白I)對MAVS的招募.這可能是乳酸擾亂MAVS的線粒體定位和與RIG-I蛋白結合的分子基礎[14].

1.3 免疫抑制作用

癌細胞和免疫細胞(主要是T細胞,自然殺傷細胞和NK細胞)之間的代謝競爭是腫瘤進展的基礎,Warburg代謝為癌細胞的生長和增殖提供了優勢,導致細胞外大量的葡萄糖被癌細胞攝取以及細胞外乳酸濃度升高,進而導致腫瘤浸潤和T細胞功能失調[15].有研究表明細胞外乳酸鈉和乳酸分別抑制CD4+和CD8+殺傷性T細胞的浸潤和遷移.這種對T細胞運動的選擇性控制是通過特異性轉運蛋白(Slc5a12和Slc16a1)介導的.乳酸鈉介導的CD4+殺傷性T細胞運動抑制是由于在趨化因子受體CXCR3與趨化因子CXCL10結合后對糖酵解的干擾所致.然而乳酸對CD8+殺傷性T細胞運動的卻不受糖酵解的控制,而是使其喪失細胞溶解功能,抑制了T細胞的腫瘤殺傷作用[16].另外,乳酸介導的酸中毒可以損害TCR(T細胞受體)觸發的JNK和c-Jun磷酸化,這兩條通路可以介導IFN-γ產生,進而對T細胞的功能造成損傷[17].同時,乳酸水平升高不僅直接抑制自然殺傷(NK)細胞的殺傷作用,而且通過增加髓系來源的抑制性細胞(MDSCs)的數量間接抑制NK細胞的功能[18].又如上文中提到乳酸抑制RLR對干擾素的誘導作用.Ⅰ型干擾素是細胞內關鍵的抗菌因子,可限制感染因子(如病毒病原體)的傳播[14].乳酸介導的酸中毒也可通過降低過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)的表達來抑制腫瘤浸潤恒定自然殺傷T(iNKT)細胞的脂質生物合成和抗腫瘤活性[19].

1.4 組蛋白乳酸化調控基因的表達

組蛋白賴氨酸乳酸化可以視為一種新的表觀遺傳學修飾,2019年文獻[20]首次報道了乳酸可以驅動組蛋白乳酸化并直接調控基因轉錄,發揮非代謝功能.研究者使用2-脫氧-D-葡萄糖(2-DG),二氯乙酸鈉(DCA)和草酸鹽分別抑制葡萄糖激酶,丙酮酸脫氫酶(PDH)和乳酸脫氫酶(LDH)的活性進而抑制乳酸的產生,3種藥物分別刺激均可以降低細胞組蛋白乳酸化水平.相反,魚藤酮是線粒體呼吸鏈復合物I的抑制劑,它增加了細胞內乳酸含量和組蛋白乳酸化水平[20].在巨噬細胞向M1型極化的過程中,組蛋白乳酸化的增加與時間密切相關,而M2巨噬細胞中不存在這一特征.在傷口愈合中,賴氨酸乳酸化增強的基因會出現明顯的富集現象.與此一致的是,在經外源性乳酸處理的M1巨噬細胞中,可以觀察到Arg1啟動子上的賴氨酸乳酸化富集和基因表達增加.在乳酸處理的巨噬細胞中,啟動子近端區域的修復基因(如Arg1、血小板衍生生長因子(Pdgf)、血小板反應蛋白1和Vegf)的組蛋白乳酸化顯著增加[21].我們的研究也提示在轉化生長因子TGF-β(TGF-β1)誘導的肺肌成纖維細胞的條件培養基中,以及在TGF-β1或博來霉素誘導的肺纖維化小鼠的肺泡灌洗液(BALFs)中,乳酸含量顯著增加,組蛋白乳糖化水平也顯著增加.

還有研究表明[22],使用乳酸和博來霉素誘導的肺纖維化小鼠的支氣管肺泡灌洗液處理巨噬細胞,可以增加促纖維化介質的表達,進而使肺泡巨噬細胞表現為促纖維化表型.這表明纖維化肺中因糖酵解增強產生的乳酸在纖維化肺的肺泡巨噬細胞促纖維化活性的調節中起重要作用.同時,作者發現纖維化肺的巨噬細胞中組蛋白乳酸化增加.進一步的研究發現,乳酸誘導組蛋白乳酸化和促纖維化基因表達是由p300介導的,這可以從p300敲除巨噬細胞中乳酸誘導組蛋白乳酸化和促纖維化基因表達水平的降低得到證明.但是由于p300也是最重要的乙酰轉移酶之一,它還履行著無數其他的細胞功能[22],因此靶向p300可能會產生遠遠超過組蛋白乳酸化所能引起的劇烈效應,從而帶來不必要的副作用.

2 MCT4的生物學功能

2.1 MCT4的結構

人類的SLC16基因家族一共有14個成員,該家族也被稱為單羧酸轉運蛋白(MCT)家族,因為第一個被確定的成員是負責與質子偶聯的單羧酸代謝物(如丙酮酸、L-乳酸和酮體)轉運的蛋白質.目前研究顯示所有的家族成員都有12個跨膜螺旋,胞內的C端和N端以及6和7螺旋之間存在一個很大的胞內環. MCTs1-4錨定到質膜的過程需要伴侶蛋白的協助,Basigin(也稱為CD-147,OX-47,EMMPRIN或HT7)是MCT1、MCT3和MCT4主要的伴侶蛋白,而Embigen(也稱為gp-70)主要負責MCT2的在質膜上的錨定.Basigin和Embigin都有一個單次跨膜結構域,該結構域包含一個保守的谷氨酸殘基、一個短的胞內C末端和一個較大的糖基化胞外結構域.敲降這兩個伴侶蛋白之后,MCTs1-4會因滯留在高爾基體中而無法行使正常的運輸單羧酸鹽的功能[23].

2.2 MCT4的功能

MCTs家族成員不僅可以同向協同轉運質子和乳酸,還可以運輸丙酮酸,酮體乙酰乙酸,D-β-羥基丁酸,短鏈脂肪酸丙酸和丁酸.雖然MCTs家族成員擁有共同的底物,但是它們對于同一底物的相對親和力是不同的.MCT2對單羧酸鹽的親和力最高,其次是MCT1,MCT3與MCT1的親和力相當,與其他MCT家族成員相比,MCT4對乳酸的親和力較低,這可能與MCT4主要分布在低乳酸水平組織中的生物學特性有關.值得注意的是,MCT4對丙酮酸的親和力更低.這可能是為了確保丙酮酸可以滯留在胞質內用于NAD+的再生.

2015年BAENKE等[24]在乳腺癌疾病中發現,MCT4是乳腺癌細胞存活的重要調節因子,它的存在可以維持乳腺癌細胞的pH穩定、乳酸分泌和非氧化性葡萄糖代謝(或Crabtree-effect).此外,MCT4的缺失增加了癌細胞對線粒體呼吸和谷氨酰胺代謝的依賴性.且描述了高糖和IL-1β處理降低MCT4的表達及其在質膜上的定位,MCT4表達的下調阻斷乳酸外流,導致人臍靜脈內皮細胞(HUVECs)中乳酸積累和pH下降,從而觸發HUVECs細胞凋亡.

SPINA等[25]進行的一項研究表明MCT4被敲降之后,膠質瘤干細胞(Glioma Stem Cells,GSC)的存活率和自我更新能力降低,并且抑制了癌細胞的侵襲性和致瘤性.同時,先前已有文獻證實MCT4在惡性膠質瘤(glioblastoma,GBM)中高度過表達,特別是在缺氧條件下.之后,進一步的研究發現在MCT4敲降之后,幾種嘧啶核苷酸的水平顯著降低,DNA損傷增加.而核苷的補充在很大程度上阻斷了MCT4缺失的有害影響.所以,MCT4的敲降會抑制嘧啶的從頭合成,直接導致DNA損傷和細胞凋亡.

2.3 調控MCT4的信號通路

ZBTB7A基因編碼的短轉錄誘導物連接因子1(FBI-1)是一個轉錄相關的胞內蛋白,又可以被稱為ZBTB7A,LRF,POKEMON,是POK轉錄抑制物家族成員之一.FBI-1可以調控ARF腫瘤抑制因子(p14ARF),細胞周期蛋白激酶抑制因子(Rb)和脂肪酸合成酶(FASN)的表達,在細胞周期進程、細胞分化、增殖、脂肪酸合成、免疫應答和腫瘤發生等多種細胞過程中發揮重要作用.先前已有報道表明,SLC16A3基因的啟動子區存在缺氧反應元件(HREs),可以被HIF1-α識別并結合,刺激MCT4的表達[26].RelA也可以被稱為p65,是構成NF-κB(Nuclear Factor-kappa B)轉錄因子家族的5種成分之一.其余的家族成員包括P50、P52、c-Rel 和 RelB. RelA的翻譯后修飾可以精確地調控NF-κB的轉錄激活,并在炎癥及炎癥相關疾病的發生和發展過程中發揮重要的作用.先前有研究闡明了缺氧可以激活NF-κB信號通路,增強RelA/p65與NF-κB靶基因啟動子的結合[27].在正常條件下,FBI-1與SLC16A3啟動子區域FRE(FBI-1響應元件)和HRE結合,抑制MCT4的表達.在缺氧時,RelA/p65表達增加并與ZBTB7A基因啟動子區域的NF-κB響應元件結合,抑制ZBTB7A的轉錄,FBI-1的表達降低,以至于其無法與SLC16A3啟動子區域的FRE和HRE結合,與此同時,HIF-1α可以與SLC6A3啟動子區域的HRE結合,進而解除FBI-1對SLC16A3的轉錄的抑制,MCT4蛋白的表達增加,進而造成胞外PH降低和乳酸濃度升高,給腫瘤存活創造了條件[28].

MicroRNAs(miRNAs)是一類由內源基因編碼的長度約為20～25個核苷酸的非編碼單鏈RNA分子,通過與mRNA的3′-UTR結合,介導基因表達的轉錄后調控,導致mRNA的降解或翻譯抑制.一項miRNA芯片研究表明,在飲食誘導的高血糖和肥胖小鼠中,miR-425-5p顯著上調[29].另一項miRNA微陣列分析顯示,miR-425-5p在人的胃腺癌中被IL-1β誘導后上調,且有研究顯示miR-425-5P啟動子區域有3個NF-κB的結合位點[30].在2020年一項研究[31]中,miR-425-5p被PicTar,TargetScan 和miRcode 3個計算機程序預測在MCT4 mRNA的3′-UTR中存在潛在的結合位點,并通過熒光素酶報告基因技術進行驗證.該研究闡述了在糖尿病中,NF-κB信號被激活,從而誘導內皮細胞中miR-425-5p的表達.miR-425-5p是MCT4表達的負調控因子,通過與MCT4 mRNA的3′-UTR區域結合,下調MCT4的表達,阻斷乳酸的外排,導致胞內乳酸的積累和pH值下降,從而觸發內皮細胞凋亡,最終導致內皮功能障礙[31].

DNA甲基化是一種廣泛研究的表觀遺傳學修飾策略,與組蛋白修飾等方式一起,在調控基因表達和染色質構象等方面發揮了重要作用[32].它是由DNA甲基轉移酶催化S-腺苷甲硫氨酸作為甲基供體,將DNA的CG兩個核苷酸的胞嘧啶被選擇性地添加甲基,主要形成5-甲基胞嘧啶(5-mC)(常見于基因的5′-CG-3′序列)和少量的N6-甲基嘌呤(N6-mA)及7-甲基鳥嘌呤(7-mG)[33].有研究表明透明細胞腎細胞癌(clear cell Renal Cell Carcinoma ,ccRCC,)中MCT4的蛋白mRNA水平明顯升高.之后,研究人員通過MALDI-TOF 質譜技術評估了SLC16A3啟動子區域的甲基化水平.結果表明,與癌旁組織相比,腎透明細胞癌中SLC16A3啟動子特定區域的DNA甲基化水平顯著降低.為了進一步確定DNA甲基化對SLC16A3啟動子活性的影響,研究者使用含有甲基化或模擬甲基化SLC16A3啟動子片段的不同啟動子/報告基因融合質粒進行報告基因以及啟動子的活性檢測.通過報告基因檢測結果表明,DNA甲基化對SLC16A3啟動子的活性存在影響,含有模擬甲基化SLC16A3啟動子片段的報告基因構建的質粒比含有甲基化SLC16A3啟動子構建的質粒表現出明顯的啟動子活性.即MCT4受SLC16A3啟動子甲基化的調控[34].

腫瘤相關抗原CD147作為MCTs的伴侶分子參與腫瘤代謝轉化.在酸性腫瘤微環境中,CD147和MCT4之間的相互作用對乳酸的轉運至關重要.同時也為腫瘤細胞的侵襲和增殖提供了優勢[35].蛋白質的甲基化是指將甲基通過特定的甲基轉移酶連接到蛋白質的某個殘基上,通常是賴氨酸或精氨酸、組氨酸、半胱氨酸和天冬酰胺等.賴氨酸甲基化不會明顯改變蛋白質的分子量,但會顯著改變賴氨酸側鏈的氫鍵結合能力和水合作用,從而影響蛋白質之間的相互作用[36].在2021年的一篇報道中,WANG等[37]通過液相色譜-串聯質譜法檢測16個非小細胞肺癌(NSCLC)組織中CD147二甲基化,發現CD147蛋白在13個賴氨酸位點上有新的二甲基化修飾,其中9個位于CD147胞外結構域(ECD)(賴氨酸殘基位點63、71、75、108、111、127、141、148、191),4個位于CD147胞內結構域(ICD)(賴氨酸殘基位點234、250、259、261).CD147被賴氨酸甲基轉移酶5A(KMT5A)二甲基化為CD147-K234me2.研究發現KMT5A過表達可以上調CD147-k234me2水平,進一步促進CD147與MCT4相互作用,促進MCT4從胞質轉位至質膜,從而增強了NSCLC細胞的糖酵解和乳酸輸出.

MCT4的降解是依賴于泛素化介導的蛋白酶體降解途徑, CHOU等[38]表明NUMB4可以與結合MCT4和MCT1結合,進而促進MCT4和MCT1的泛素化.NUMB是一種銜接蛋白,在調節細胞功能方面發揮多方面的作用,包括神經發生、干細胞自我更新過程中的對稱細胞分裂、上皮間質轉化和腫瘤發生等[39-40].MUMB通過與泛素連接酶Itch結合分解Notch或Gli[41-42].miR-31可以靶向NUMB進而增強結直腸癌和頭頸部鱗狀細胞癌的致瘤性[43-44].該研究表明miR-31-NUMB-MCT1/MCT4信號軸在介導腫瘤發生和代謝轉換中發揮重要作用,中斷這一級聯反應的可能會阻斷口腔癌的發展.

HU等[45]使用PhosphoSitePlus分析顯示MCT4 C端區域的不同Lys殘基是潛在的泛素化修飾位點.且已有研究通過質譜分析顯示C-端賴氨酸殘基(K448,K415,K428,K431和K453)是MCT4的泛素化位點.E3泛素連接酶β-TRCP和FBW7分別在DSG-box和TPETS序列上與MCT4相互作用.然而MCT4的K448可以被E2結合酶UBC9進行SUMO(Small Ubiquitin-like Modifiers)化修飾,抑制了其降解,穩定了MCT4蛋白水平.SUMO化修飾是一個動態、可逆的過程,參與DNA修復、膜蛋白定位和信號轉導等過程.與泛素化相似,SUMO化修飾的是賴氨酸殘基,SUMO化和泛素化位點在蛋白質底物中的重疊率為24%～32%[46].因此SUMO化通常與泛素化競爭性結合賴氨酸殘基,從而抑制其泛素介導的蛋白酶體降解.

上文中已提及MCTs家族成員可以轉運短鏈脂肪酸,丁酸作為短鏈脂肪酸的一種,是結腸上皮細胞細胞主要能量來源.阿魏酸在結腸中通過微生物水解產生,谷物中富含酚類化合物,其中阿魏酸是最豐富的酚類化合物之一[47].據報道[48],許多酚酸類物質可作為抗炎劑并可以降低2型糖尿病的風險.適量濃度的丁酸(1 000 mmol/L)處理Caco-2細胞能夠增加MCT1和MCT4蛋白和mRNA豐度,從而加快了阿魏酸進入結腸細胞的吸收和基底外側的運輸.MCT抑制劑根皮素的使用可以逆轉丁酸處理Caco2細胞導致的阿魏酸在攝取方面轉運的增加,證明了MCT1參與阿魏酸的轉運.然而在沒有MCT1的情況下,阿魏酸的轉運也會增加,表明有其他的MCT家族成員參與了阿魏酸的轉運.MCT4在結腸和Caco-2細胞中也高表達,可被毛皮素抑制,且Caco-2細胞的免疫熒光染色顯示MCT4僅存在于基底外側質膜,而MCT1在膜上的分布較為均勻.因此MCT1可能是阿魏酸攝取的轉運蛋白,MCT4可能是阿魏酸在基底膜外側的外排蛋白.

2.4 MCT4抑制劑的研究進展

針對MCTs家族的抑制劑能夠阻斷乳酸在細胞與細胞間以及細胞與微環境之間的傳輸,這為癌癥和纖維化等疾病的治療提供了新的思路.然而,過去研究的藥物多是非特異性的,或是MCT1的靶向抑制劑,例如,40-二異硫氰基-2,20-二苯二磺酸(DIDS)不可逆地與MCT1和MCT2上的賴氨酸殘基結合,從而使轉運蛋白失活,但并不抑制MCT4的活性[49].對氯苯磺酸(pCMBS)等有機汞化合物會破壞MCT-CD147的相互作用,從而對MCT1,MCT3和MCT4的表達和活性造成干擾.AZD3965對MCT1和MCT2均有抑制作用,但AZD3965對MCT1的抑制作用是對MCT2的6倍.AR-C155858直接與MCT1的TM7-10結合,但不與MCT2結合,除非MCT2與CD147相互作用引起構象變化,由于MCT2優先與gp70相互作用,因此ARC155858可以被合理地認為是特異性MCT1抑制劑.

現階段一些針對MCT4的藥物也逐漸問世.Syrosingopine(Su 3118)是一種可以抑制MCT1和MCT4的雙重抑制劑.利用DARTS(Drug Affinity Responsive Target Stability)技術探究研究Syrosingopine類藥物與MCTs之間是否存在可能的結合.人結直腸癌HCT116細胞膜提取物被熱溶素限制性蛋白水解酶消化前使用抑制劑處理,結果顯示syrosingopine及其衍生物F3-syro處理HCT116細胞能夠保護MCT1和MCT4的部分肽段免受蛋白水解酶的切割.另外,作者也觀察到ARC155858對MCT1的肽段具有與Syrosingopine和F3-syro類似的作用.為了進一步探索Syrosingopine如何通過破壞活性CD147-MCT復合物來抑制MCT1和MCT4的活性.CD147的免疫沉淀顯示,經Syrosingopine處理后,MCT1或MCT4與CD147的關聯沒有改變.長時間的Syrosingopine處理也未導致CD147或MCT水平的變化.所以,Syrosingopine不是通過影響復合物的形成或穩定性間接抑制MCT1和MCT4功能,而是可以直接抑制MCT1和MCT4的功能.VB124是由CLUNTUN等[50]研發的一種特異性的MCT4抑制劑,它對MCT4的選擇性高于MCT1,顯示出很少的MCT1抑制活性.且使用30 mg/kg的VB124,每天2次,對小鼠進行為期180 d的處理,對鼠的身體、心臟、肝臟或肺的質量無影響,說明沒有明顯的毒性.研究表明VB124的使用可以阻止肥厚心肌細胞的乳酸外排,并將糖酵解碳通量導向線粒體丙酮酸氧化,并可能逆轉肥厚表型.同樣,表明MCT4在肝癌組織中高表達,與患者不良預后相關.利用VB124抑制MCT4的表達,通過增強CD8+殺傷性T細胞浸潤和細胞毒性,抑制了小鼠肝癌腫瘤生長.

3 結論與展望

近年來,乳酸及其相關單羧酸轉運蛋白的研究取得了許多實質性進展,關于乳酸和MCT4在多項疾病發展過程中的作用也得以闡明.乳酸營造的酸性腫瘤微環境一方面有助于腫瘤細胞的侵襲、遷移、血管生成以及免疫逃逸;另一方面,MCT4作為關鍵乳酸轉運蛋白,為腫瘤細胞的代謝轉變和惡性腫瘤的發生提供了條件.然而,現有乳酸及MCT4的研究成果并不能完全闡明乳酸與癌癥的關系,仍有許多亟待解決的問題需要探索.

由Warburg effect產生的乳酸被分泌的細胞外后,能夠作為一種能源物質,通過氧化磷酸化供給ATP;乳酸同時又承擔著信號分子的功能,通過特異性的受體實現細胞間信號傳遞.常見的識別乳酸的受體有GPR81,GPR132等.在免疫抑制方面,乳酸也起著至關重要的作用.例如乳酸可以抑制T細胞,NK細胞等多種免疫細胞的功能.乳酰化是近些年新提出的概念和新興的熱點話題,它屬于表觀遺傳學修飾的一種,組蛋白發生乙酰化修飾介導基因的表達調控.而非組蛋白的乙酰化修飾則影響正常蛋白的轉位及活性的維持[51].目前,靶向乳酸代謝途徑已逐漸成了癌癥治療的一門新的策略.除了單羧酸轉運蛋白之外,將丙酮酸還原成乳酸的乳酸脫氫酶A(LDH-A)也是一個有前途的研究靶點.癌細胞會在上皮-間充質轉化(EMT)過程中將其上皮表型轉變為間充質表型.既往對腎癌細胞的研究表明,LDH-A水平升高通過促進EMT導致腫瘤轉移,而這一過程又被LDH-A草氨酸鹽抑制劑阻斷[52].乳酸通過TGF-β2依賴的基質金屬蛋白酶-2促進膠質瘤細胞的遷移,而這一現象被LDH-A的小干擾RNA抑制.LDH-A抑制劑除了直接的抗腫瘤作用外,還可以減少炎癥誘導的作用.雖然LDH-A抑制劑尚未進入臨床,但幾種抑制劑在動物模型中顯示出很有前景的抗癌活性,而抑制LDH-A也提高了傳統化療藥物的療效[53].

由基因SLC16A3編碼的跨膜蛋白MCT4,在糖酵解代謝活躍的組織中發揮H+/乳酸輸出的作用.MCT4/SLC16A3已被證明在許多惡性腫瘤中心的缺氧區域過度表達[54].本文簡要介紹了MCT4及其相關蛋白的結構和功能.作為乳酸的轉運體,MCT4在疾病中造成的不良反應多數情況也與乳酸息息相關,通過調控MCT4的上游[31,55]或者使用MCT4的抑制劑[50]處理,逆轉MCT4在疾病中的高表達,進而緩解多種相關疾病的進展.針對MCT4的調控,已有多篇文章進行了報道,如,在轉錄水平上,MCT4的啟動子上存在HIF-1α和FBI-1的結合位點,而病理條件下,FBI-1表達減少,而HIF-1α被誘導表達,并于與MCT4的啟動子結合增加;同時啟動子區域DNA的甲基化也會影響MCT4的表達;在MCT4的翻譯階段,miR-425-5p與MCT4的mRNA結合,進而使MCT的翻譯收到抑制;在蛋白轉運的過程,MCT4的伴侶蛋白CD147在MCT4正確轉運過程中起著必不可少的作用;MCT4的降解依賴于蛋白酶體的介導的泛素化途徑,這一過程可以被SUMO化修飾抑制.對于MCT4的特異性抑制劑的研究直到最近幾年才有少量文章進行報道.VB124是2021年研制出來的針對MCT4的特異性抑制劑,然而該抑制劑的臨床效果以及是否存在不良預后結果仍未闡明.雖然現階段已經在多種疾病模型中對MCT4進行了深入探究,但是與臨床相關的研究卻鮮有報道.因此,迫切需要系統性地研究MCT4相關的信號通路以及抑制劑的臨床數據,以便為揭示MCT4在人類疾病的重要作用提供理論基礎.