丙酮酸脫氫酶激酶4在肝細胞癌中的作用研究進展

黃麗銀,斯 韜,梁 婷,覃正萍,劉湘慧

(1.廣西中醫藥大學,廣西 南寧 530200;2.廣西中醫藥大學第三附屬醫院腫瘤科,廣西 柳州 545001)

肝細胞癌(Hepatocellular carcinoma,HCC)是世界上最惡性的實體腫瘤之一,也是癌癥相關死亡的第三大原因。由于其早期發病隱匿而難以診斷,發現時往往已發展到中晚期;而目前沒有針對晚期肝癌的治愈性治療。HCC的治療仍是一個巨大的挑戰。細胞能量代謝的改變是癌癥的特征之一。近年來,癌癥代謝在腫瘤研究中備受關注。PDK4作為細胞能量代謝的關鍵因子,與腫瘤的發生發展密切相關,近年來PDK家族的其他成員(如PDK1、PDK2和PDK3)在腫瘤進展中的作用和潛在機制已被廣泛研究和了解;目前PDK4在HCC、胃癌等多種腫瘤疾病的發生發展中的功能和潛在的分子機制仍不清楚,現就近年來,PDK4在肝癌中的作用研究進展作一綜述。

1 丙酮酸脫氫酶激酶

丙酮酸脫氫酶激酶(Pyruvate dehydrogenase kinases,PDKs) 是丙酮酸脫氫酶復合物(Pyruvate dehydrogenase complexes PDC) 的調節酶,其包括PDK1、PDK2、PDK3和PDK4四種亞型。PDC為位于線粒體基質的一種多酶復合物,其活化后可催化丙酮酸氧化脫羧,為三羧酸循環和脂質生物合成提供乙酰輔酶A(Acetoacetyl coenzyme A,COA)和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide adenine dinucleotide,NADH),在維持細胞線粒體能量代謝穩態中起到關鍵作用[1]。PDC的活性主要受其E1α組分絲氨酸殘基的磷酸化調控,PDKs將其磷酸化滅活,丙酮酸脫氫酶磷酸酶(Pyruvate dehydrogenase phosphatase,PDP)使其去磷酸化激活。這兩類調控酶的相對活性決定了PDHC絲氨酸殘基磷酸化的程度,進而決定PDC的活性[2-3]。

PDKs不僅與很多代謝疾病關系密切,而且與許多惡性腫瘤的侵襲性、增殖性、抗凋亡作用和治療抵抗有關[4]。PDK1-3的調節反映了細胞的即時能量需求,但PDK4體現了整個機體的能量平衡,并在過度運動[5]、饑餓[6]、胰島素抵抗狀態和糖尿病[7]期間上調。與其他PDK亞型相比,PDK4不僅具有致癌作用,還具有抑癌作用[8]。因此,PDK4在腫瘤發生發展中的作用仍需要進一步深入研究。

2 PDK4在腫瘤中的作用

PDK4作為能量代謝的關鍵調節因子,其介導的能量代謝方式改變與腫瘤的發生發展密切相關,貫穿始終。在癌細胞發生的初期,PDK4介導的代謝變化就已開始發揮重要的抗癌作用。正常上皮細胞可以識別并主動清除功能失調細胞以維持組織內穩態,這一過程稱為上皮細胞抗癌防御(Pithelial defense against cancer,EDAC),在這個過程中發現,癌細胞被正常細胞包圍時,PDK4介導對PDC和線粒體代謝的抑制,導致線粒體膜電位降低、葡萄糖攝取量增多,導致乳酸產量增加,從而誘導癌細胞的擠出。PDK4表達的異常,可造成EDAC功能紊亂,誘發惡性腫瘤[8]。

根據各自組織的代謝功能、癌癥類型和分期,PDK4高表達可起到致癌或抑癌作用。已有研究發現PDK4在胃癌細胞中高表達,PDK4高表達提示分期晚、惡性程度高、預后差,其表達與不同類型的浸潤性免疫細胞(如B細胞、CD4+T淋巴細胞、樹突狀細胞及巨噬細胞)呈正相關,PDK4受微小RNA-5683(miR-5683)負調控影響糖酵解,從而促進胃癌細胞的增殖、遷移和侵襲[9]。在腸癌、卵巢癌、宮頸癌中均可觀察到PDK4受到LncRNA/miRNA/PDK4軸的靶向調控高表達后發揮促癌作用,例如在腸癌中的長鏈非編碼RNA(Long non-coding RNA,lncRNA)小核仁RNA宿主基因12 (Small nucleolar RNA host gene 12 ,SNHG12)/miR-15a/PDK4軸[10]、卵巢癌中的 LncRNA AFAP1反義RNA1(AFAP1 antisense RNA1,AFAP1-AS1)/miR-107/PDK4軸[11]和宮頸癌中LncRNA 00662/miR-103a-3p/PDK4軸[12]。另外,在三陰性乳腺癌[13]和甲狀腺乳頭狀癌[14]中,PDK4分別在環狀RNA(circRNA)circ-ERBB2/136-5p/PDK4和circ-CCDC66/miR-211-5p/PDK4調控下高表達促進腫瘤進展[14]。上述癌種中PDK4高表達具有致癌作用,但在下列癌種中可見PDK4呈低表達,將PDK4表達上調具有抑癌作用。有研究表明在HCC細胞的細胞核和細胞質中,PDK4均顯著下調,下調PDK4可顯著促進體外HCC細胞系(即BEL-7402和BEL-7404細胞)的增殖、致瘤、遷移和侵襲增加[15]。此外,在肺腺癌中的研究發現,PDK4受miR-182過表達抑制,從而抑制脂肪生成、影響活性氧(Reactive oxygen species,ROS)的產生和下游JNK信號通路,促進肺腫瘤的發生[16]。而在對前列腺癌進行轉錄組學和蛋白質組學分析提示PDK4低表達與前列腺癌早期生化復發相關,PDK4是三羧酸循環/氧化磷酸化(Tricarboxylic acid cycle,TCA/oxidative phosphorylation,OXPHOS)的重要調節因子,其低表達可導致氧化磷酸化和脂質生成增強,這兩者都與前列腺癌預后不良有關[17]。這種現象在肝癌中也觀察到PDK4的敲除增加了關鍵的脂肪生成酶:脂肪酸合成酶(Fatty acid synthase,FASN)和硬脂酰輔酶A去飽和酶(Stearoyl-CoA desaturase,SCD)的表達,最終誘導脂肪生成,表明PDK4可能通過促進脂肪生成來促進肝癌細胞的進展[18]。這與上述高PDK4發揮致癌作用的癌種中,多可見到糖酵解的變化有所不同,表示不同癌種間代謝重排的復雜性,值得進一步深入研究。

PDK4不僅與腫瘤增殖,遷移及侵襲有關,而且在細胞耐藥過程中起著至關重要的作用,如,在腸癌中通過LncRNA HCG11/miR-144-3p/PDK4軸,PDK高表達重編程糖代謝可促進結腸癌細胞對五氟尿嘧啶(5-FU)的耐藥[19]。有研究發現PDK4在彌漫大B細胞淋巴瘤細胞中的過表達,介導了代謝重編程,負向調節MS4A1/CD20導致對利妥昔單抗耐藥[20]。Tozasertib是一種泛aurora激酶抑制劑,可用于治療高級別膠質瘤,有研究報道對Tozasertib耐藥的膠質瘤細胞進行RNA序列分析顯示PDK4顯著上調,抑制PDK可逆轉耐藥性[21]。另外,在對阿霉素耐藥的HeLa/Dox和SiHa/Dox宮頸癌細胞,與親代細胞對比發現,葡萄糖消耗、乳酸生成率和ATP水平顯著升高,在代謝和糖酵解相關基因中,PDK4表達上調,敲除PDK4可降低葡萄糖消耗、乳酸產生率和ATP水平,并進一步使耐藥宮頸癌細胞對阿霉素治療敏感[22]。miR-16-5p是PDK4的上游調控因子,結論認為miR-16-5p/PDK4介導的代謝重編程參與了宮頸癌對阿霉素的耐藥。據報道,在對人類胰腺導管癌細胞鐵死亡敏感性的研究中發現,PDK4是導致鐵死亡抗性的頂基因,PDK4可通過代謝重編程來抑制鐵死亡,抑制PDK4可克服鐵死亡抗性,增強藥物的抗癌活性[23]。另外,PDK4還參與癌癥階段或化療后肌肉大小的控制,這使其有望成為對抗癌癥相關惡病質的靶點[24]。

3 PDK4在肝癌中的作用及影響

PDK4與肝癌關系密切,多項研究表明,PDK4在人肝癌組織中的表達下調,其下調與不良預后相關,沉默PDK4對肝癌細胞的增殖及遷移有明顯的促進作用[16,19,25-27], 但在對索拉非尼或順鉑耐藥的肝癌細胞株的研究中發現PDK4高表達,深入研究發現促炎細胞因子腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細胞介素-6(IL-6)和轉化生長因子-β(TGF-β)之間的相互作用可觸發肝癌細胞向干細胞的反向轉化,該過程伴隨血管生成素樣4(ANGPTL4)誘導PDK4上調,進而抑制線粒體的活性導致代謝重編程,表現出膜電位降低,ATP產量低,乳酸產量高,顯示出高遷移、侵襲潛能和對化、靶向藥物耐藥,抑制ERK或PI3K可降低ANGPTL4和PDK4的表達,逆轉耐藥[28]。這項研究提示了肝癌中PDK4表達調控和相互作用的復雜性,藥物、炎癥通路和代謝通路的相互影響對生物學行為或許有不同的結局,值得進一步深入研究。PDK4可以受很多上游調控因子調控, 如miR-129-5p可靶向抑制PDK4表達[29],砷暴露通過誘導組蛋白甲基轉移酶G9a和增加組蛋白H3賴氨酸9(H3K9)二甲基化和三甲基化水平(H3K9me2/3)來降低PDK4的表達[30]。在調控PDK4引起的下游機制方面,觀察到PDK4缺乏可通過E2F1介導的細胞周期蛋白增加加速肝癌細胞增殖[25]。另外,有研究發現PDK4可通過直接蛋白質結合將p65保留在細胞質中,促進p65與TNF啟動子結合,激活腫瘤壞死因子-腫瘤壞死因子受體1(TNF-TNFR1)凋亡途徑[26]。代謝產物方面,有研究發現PDK4基因敲除不影響肝癌細胞的氧化磷酸化和糖酵解能力,而是增加了關鍵的脂肪生成酶,最終誘導脂肪生成[18]。但更為有趣的是有研究在實驗中觀察到了PDK4引起的糖酵解變化[29,31]。

值得關注的是,由于細胞快速增殖的能量需求,即使在有氧條件下,腫瘤細胞也會通過糖酵解將葡萄糖分解成乳酸鹽,稱為沃伯格(Warburg)效應。這就是為什么糖酵解在腫瘤細胞代謝中特別重要的原因之一[32]。 據報道,PDK4介導的Warburg效應樣代謝改變影響肝細胞癌和膀胱癌等[33]腫瘤的生長[34]。PDK4在HCC發展過程中起著糖酵解的積極調節劑的作用,在肝糖酵解中代償性增強,這與PDK4在糖酵解中的抑制作用一致[35]。有研究表明m6A可通過誘導PDK4調節肝癌細胞的糖酵解[31];另外,有研究認為miR-122通過靶向PDK4調節CD133+肝細胞癌干細胞中的活性糖酵解代謝[36]。可見,PDK4在細胞能量代謝及肝癌等腫瘤疾病中發揮了重要作用,可能成為未來預防肝細胞癌治療新策略的潛在靶點。

4 小結與展望

近年來對PDK4在腫瘤領域的研究取得了一定的進展,本文主要針對PDK4在肝細胞癌的研究進行綜述,結果發現PDK4在HCC組織中下調,其下調可以預測HCC患者的不良預后。此外,PDK4在HCC細胞能量代謝中發揮重要作用,但其表達調控受到多種信號調控機制影響。因此,更詳細的作用機制在未來值得探索。