PMAIP1基因在惡性腫瘤中的研究進展

代德柱 時 謹 宋旭東 吳 旭 陶國全

PMAIP1是由54個氨基酸和一個BH3結構域(Bcl-2 homologous domain 3, BH3)構成,屬于Bcl-2 蛋白家族中的促凋亡亞家族成員。Bcl-2蛋白家族在細胞的凋亡過程中發(fā)揮著重要的作用,目前的研究已發(fā)現多種Bcl-2家族同源蛋白。其蛋白家族中的成員可以發(fā)揮促進凋亡或抑制凋亡的作用[1]。由于PMAIP1僅具有一種 Bcl-2 同源結構域,即 BH-3結構域,故又被稱為 BH3-only 蛋白[2]。此外,在細胞的凋亡過程中PMAIP1可以調節(jié)Bcl-2的表達,進而影響細胞凋亡的過程[3]。PMAIP1本身具有的相關特性使其成為了腫瘤發(fā)生、發(fā)展的重要參與者及假定的化學治療靶點。已有研究表明PMAIP1是誘導凋亡的關鍵調節(jié)因子,該基因通過上調或下調進而影響惡性腫瘤的發(fā)生與發(fā)展,如胃癌、結直腸癌、胰腺癌、肝癌等都受到PMAIP1的調控[4]。PMAIP1本身對細胞凋亡的影響可能很小,但其可以與細胞凋亡途徑中的有關蛋白質發(fā)生相互作用,從而在細胞凋亡的過程發(fā)揮重要的作用,這也突出了PMAIP1在某些癌癥的發(fā)病機制和治療中的重要性。

一、結構與部分致變因素

2000年,Oda等[5]證實了PMAIP1屬于Bcl-2家族中的促凋亡成員。PMAIP1基因定位于18號染色體長臂q21.32,長4301bp,其包含3個外顯子,2個內含子以及3個剪接變異體,編碼全長為54個氨基酸的蛋白以及一個BH3結構域轉錄本。

PMAIP1基因的表達受各種外部因素影響。例如,已有研究證明5-阿扎胞苷誘導PMAIP1引發(fā)急性髓系白血病細胞發(fā)生Venetoclax介導的細胞凋亡,該實驗通過轉錄誘導BH3-only促凋亡蛋白PMAIP1,這種誘導在治療數小時內發(fā)生,并由綜合應激反應通路介導,PMAIP1敲除證實了其在驅動 Venetoclax 和 5-阿扎胞苷協同作用中的主要作用[6]。關于PMAIP1在肺腺癌的表達方面,已有相關研究結果證明,穿心蓮內酯可通過上調PMAIP1從而誘導人肺腺癌細胞的凋亡[7,8]。實驗證明PMAIP1通過激活穿心蓮內酯誘導的細胞凋亡中的轉錄因子-4(activating transcription factor 4, ATF4)被轉錄激活,通過siRNA 敲低 ATF4 顯著減少了 PMAIP1 的反式激活以及穿心蓮內酯誘導的凋亡群體。此外,已有研究表明,PMAIP1基因可被干擾素刺激反應元件、γ-三肽分泌酶抑制劑、低氧誘導因子1α、和E2F轉錄因子1(E2F transcription factor 1, E2F1)等激活轉錄過程,從而影響其表達[9,10]。

二、基因表達的調控

1.p53依賴性調控:由于PMAIP1含有p53的結合位點,所以當細胞受到信號刺激后p53可直接與PMAIP1上的靶位點結合,從而促進PMAIP1的轉錄和蛋白表達來介導凋亡過程。2000年Oda等[5]通過腺病毒將p53轉入野生型小鼠胚胎成纖維細胞或暴露于γ輻射的胸腺細胞中后,研究發(fā)現PMAIP1基因的mRNA 水平迅速增加。此外,Oda等通過分離小鼠PMAIP1基因后,發(fā)現小鼠 PMAIP1基因包含一個潛在的 p53 識別序列,位于155～174 的啟動子區(qū)域,從而確定靶基因的表達涉及 p53 的激活。這一發(fā)現引導Ploner等[11]在PMAIP1基因中發(fā)現了一個位于轉錄起始位點上游的類似p53 的反應元件。

p53反應元件的發(fā)現加快了PMAIP1在p53誘導的細胞凋亡中的作用研究。Oda等[5]使用了缺乏p53表達的人Saos2 細胞,他們篩選了人類靶基因 cDNA 同源物,發(fā)現擴增cDNA 與成人T淋巴細胞白血病PMA反應基因 (ATL-derived PMA-responsive gene, APR) 幾乎相同。可以確定, PMAIP1表達水平上調可以通過 BH3 依賴性方式誘導缺乏 p53 的人Saos2細胞凋亡。接著,他們通過用表達 p53 的腺病毒感染 Saos2 細胞檢測到人類 PMAIP1 mRNA 表達水平增加,接著使用反義寡核苷酸抑制靶基因表達,發(fā)現細胞凋亡被消除。在含有 p53 的造血干細胞系中也獲得了類似的結果由此可見人類 PMAIP1可作為 p53 的靶標以及 p53 誘導的細胞凋亡的介質。

2.p53非依賴性調控:盡管已經確定PMAIP1是p53誘導細胞凋亡的介質,但有研究發(fā)現,在不依賴p53的情況下,PMAIP1也可以誘導基因表達。細胞在缺氧或受到不可逆損傷無法修復時,低氧誘導因子1α可以與PMAIP1的啟動子上游缺氧反應元件的核心序列結合,從而激活PMAIP1轉錄,這證實了PMAIP1可以通過p53非依賴途徑發(fā)揮促細胞凋亡作用[9]。

Fidyt等[12]研究發(fā)現,有效的p53非依賴性PMAIP1可誘導混合譜系白血病重排的B細胞急性淋巴細胞白血病細胞對維奈托克的敏感度,并證明了可通過在體外或體內以不依賴 p53 的方式上調 p53 靶標的表達,從而具有腫瘤抑制功能。Flinterman等[13]研究發(fā)現,在 p53 缺陷 Saos2 細胞中過表達的腺病毒早期區(qū)域1A(Early Region 1A,E1A)基因引起了致癌應激,而這種應激導致了PMAIP1的誘導表達,他們的研究結果表明,E1A激活p73和p53凋亡靶點PMAIP1可以在功能性p53缺失的情況下發(fā)生。這種激活可能在某些癌癥中E1A誘導的非p53依賴性凋亡機制中起關鍵作用,并可能為未來的癌癥治療提供一條新的途徑。Lau等[14]研究發(fā)現,當人雙微基因2(human double minute 2,HDM2) 或 E3 泛素蛋白連接酶 MDM2(mouse double minute 2)被 p53-/HCT116 結腸癌細胞中的小分子抑制劑 Nutlin-3 抑制時,p53 非依賴性 PMAIP1表達也會增加。

Bertin-Ciftci等[15]研究表明,E2F-1 的異位表達或 RB/E2F 通路的失調以不依賴 p53 的方式觸發(fā) PMAIP1水平升高。Hershko等[16]研究發(fā)現,內源性 E2F-1 在 PMAIP1基因的啟動子區(qū)域具有對應的結合位點,E2F-1與PMAIP1的結合促進了PMAIP1誘導的細胞凋亡。

PMAIP1以不依賴 p53 的方式進行調節(jié)的另一種情況可能涉及 T 細胞受體 (T cell receptor,TCR) 信號轉導。Alves等[17]研究發(fā)現,p53 缺陷細胞中的TCR 受刺激后PMAIP1蛋白水平明顯上調,表明TCR 在人 T 淋巴細胞中誘導 PMAIP1表達獨立于 p53之外。

三、在惡性實體腫瘤中的作用

已有研究表明,PMAIP1基因在某些癌癥的發(fā)病機制中直接或間接與凋亡途徑中的某些參與者相互作用而產生的效應,對細胞最終的轉歸發(fā)揮重要作用。

肛周膿腫術后分期外用苦柏油與促愈油促進創(chuàng)面愈合的臨床觀察 ………………………………………… 陳 婷等（2）：233

1.PMAIP1與胃癌:幽門螺桿菌(helicobacter pylori, HP)在人胃上皮細胞中可誘導髓系細胞白血病-1(myeloid cell leukemia-1,Mcl1)的表達。Mcl1是Bcl-2蛋白家族成員之一,表達致癌蛋白 Mcl1細胞的凋亡主要受 PMAIP1介導的 Mcl1 降解的調節(jié)。Rath等[18]研究發(fā)現,與未感染HP的樣本比較,感染了HP的人胃上皮細胞、胃腺癌細胞中Mcl1 和PMAIP1的表達均顯著上調。

PMAIP1在受感染的人胃上皮細胞中可通過c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)通路使絲氨酸殘基磷酸化,從而導致PMAIP1的細胞質滯留。JNK的抑制增強了受感染細胞線粒體部分中的 Mcl1-PMAIP1 相互作用,而非磷酸化PMAIP1的過表達導致受感染上皮細胞中線粒體介導的細胞凋亡增強。磷酸化-去磷酸化可以調節(jié) PMAIP1的凋亡功能,這可能是未來治療幽門螺桿菌誘導的胃癌的潛在靶分子。

孫海斌等[19]探討了microRNA21 (miR21)對胃癌臨床特征、增殖、侵襲和遷移的影響以及與PMAIP1相關的潛在機制。他們發(fā)現在胃癌組織樣品中miR-21表達水平增加而PMAIP1表達水平卻是降低的,通過實驗設計研究證明miR-21可以通過PMAIP1影響胃癌細胞的增殖、侵襲和遷移,增加miR-21的表達水平和降低PMAIP1的表達水平都會減少腫瘤細胞的凋亡,從而導致胃癌患者的不良預后。同樣張新元等[20]通過測定胃癌組織和胃癌癌旁組織中PMAIP1 的mRNA水平,并觀察了對應患者的預后情況。他們發(fā)現,PMAIP1低表達的患者其淋巴轉移率高、腫瘤浸潤程度深以及預后也往往比較差。盡管目前PMAIP1影響胃癌發(fā)生、發(fā)展的作用機制仍有待進一步探索,但這些研究結果共同表明,PMAIP1表達水平的高低將會影響胃癌患者最終的轉歸。在胃癌的化療藥物開發(fā)方面可以通過調控PMAIP1介導的細胞凋亡途徑,進而可以增加胃癌對化療藥物的有效性。

2.PMAIP1與結直腸癌:Conti等[21]和Kosmidou等[22]研究表明,PMAIP1 表達在某些情況下被上調,他們推測 PMAIP1對結直腸癌的發(fā)生與發(fā)展可能會產生一定的影響。他們證明了 KRAS G13D (kirsten rat sarcoma viral oncogene homolog,KRAS,Kirsten大鼠肉瘤病毒癌基因同源)突變上調依賴于細胞外信號調節(jié)蛋白激酶2(extracellular regulated protein kinases 2,ERK2) 而非 ERK1 激活的PMAIP1。此外,他們還發(fā)現PMAIP1表達使癌前上皮細胞在通過各種細胞毒劑處理誘導后對細胞凋亡更加敏感,在結直腸癌細胞中,盡管它們的基線水平高于癌前上皮細胞中發(fā)現的水平,但是KRAS 仍不會上調 PMAIP1水平。他們發(fā)現這種差異是由于蛋白激酶B(protein kinase B, PKBorAkt)的異常誘導抵消了 KRAS 對 PMAIP1 和細胞凋亡的影響所造成的。

另一項研究表明,A-激酶錨定蛋白 4 (A-kinase anchoring protein 4,AKAP4) 在結直腸癌細胞中表達,但在正常結直腸細胞中卻不表達。這表明一旦 AKAP4 被消融,促凋亡分子就會增加。因此,可以假設PMAIP1 以及其他促凋亡分子可能在AKAP4表達后在結腸直腸癌的發(fā)病機制中發(fā)揮間接作用。Conti等[23]研究表明Akt途徑參與在致癌KRAS存在下將會對抗PMAIP1依賴性細胞凋亡。他們發(fā)現結直腸癌細胞對治療的敏感度不依賴于KRAS的狀態(tài),盡管ERK2仍然促進PMAIP1的表達,但在突變的KRAS存在下,PMAIP1水平并不會上調。這一發(fā)現揭示了當KRAS突變時將會有其他存活途徑來抵消這種突變KRAS的促凋亡作用,例如PI3K/Akt途徑,且在致癌KRAS存在的情況下,Akt的抑制可以恢復對治療的敏感度。KRAS突變在人類結直腸癌中經常被檢測到,這種KARS突變可以導致新生凋亡耐藥性和最終藥物治療的失敗。

3.PMAIP1與肺癌:盡管近年來肺癌在診斷和治療方面取得了許多進展,但非小細胞肺癌 (non-small cell lung cancer,NSCLC) 的治療尚存在較大的困難,且其預后往往較差。因此,亟需進一步研究該疾病的發(fā)病機制,以提高對該疾病的理解以及研究設計出新的治療方法。

Jun等[25]研究確定Bim低表達與鱗狀細胞癌組織學和腫瘤侵襲或增殖之間存在聯系,然而沒有觀察到 PMAIP1表達與疾病階段、組織學和生存結果之間的顯著聯系。在另一項研究中,Yan等[26]實際上發(fā)現誘導 PMAIP1表達可促進人肺癌細胞的凋亡,從而抑制癌癥的進展。Mcl1 為細胞凋亡提供了一條逃逸途徑,并且在包括 NSCLC 在內的幾種人類癌癥中過表達。

Mcl1在小細胞肺癌的發(fā)生發(fā)展中也尤為重要。Hauck等[27]研究觀察到 H526 和 WBA 細胞系與 ABT-737(美國雅培制藥有限公司) 孵育24h后將會導致PMAIP1表達增加,這表明PMAIP1可能在 ABT-737 介導的細胞凋亡中起直接作用。他們的結果表明,PMAIP1表達是 ABT-737 敏感度的關鍵因素,而PMAIP1介導的 Mcl1 表達調節(jié)的喪失可能是小細胞肺癌生物學的一個重要特征。因此,PMAIP1在防止 Mcl1 在正常細胞生長條件下過表達方面的作用至關重要。

4.肝癌:PMAIP1在肝細胞癌的化學治療機制中也發(fā)揮著重要作用。單一的酪氨酸激酶抑制劑如索拉菲尼在治療肝細胞癌時僅有適度的功效。Busche等[28]研究促凋亡劑,如腫瘤壞死因子相關凋亡誘導配體(recombinant tumor necrosis factor related apoptosis inducing ligand,TRAIL)或BH3模擬物ABT-737和索拉菲尼聯合后的治療效果,他們發(fā)現這兩種促凋亡劑均可以增強索拉菲尼誘導的細胞死亡,且這種增強作用均和PMAIP1有關,且TRAIL僅在表達PMAIP1的肝癌細胞中增強索拉非尼誘導的細胞死亡,而ABT-737也只在PMAIP1缺陷細胞中增強索拉非尼的應答。這些發(fā)現均證實了PMAIP1在肝細胞癌的治療中存在著積極的意義。朱衛(wèi)東等[29]研究PMAIP1的表達與肝癌細胞之間的關系,他們發(fā)現PMAIP1的表達水平直接影響著肝細胞癌的分化程度以及TMN分期和患者的預后。除此之外,他們的研究還發(fā)現高表達的PMAIP1可以抑制肝癌細胞HepG2的增殖并促進其凋亡。

隨著研究的不斷深入,PMAIP1的作用機制也將會進一步明確。通過把控PMAIP1的調控通路,設計新的治療靶點將會是一種新的、有效的治療肝細胞癌的措施。

5.PMAIP1與其他:一項研究評估了 PMAIP1 和p53上調凋亡調控因子(p53 upregulated modulator of apoptosis,PUMA)是否與前列腺癌復發(fā)有關,研究發(fā)現前列腺癌中 PMAIP1表達增加。PMAIP1表達與臨床預后也存在一定的關系,對于預測前列腺癌的預后有著重要的價值。在將來,PMAIP1或許能夠成為判斷前列腺癌預后的潛在標志物。在許多其他現有臨床標志物中,PMAIP1 也可能有助于預測前列腺癌的復發(fā)。

目前關于乳腺癌的研究已經相對成熟,乳腺癌是中老年女性常見的惡性腫瘤,且預后較差。乳腺癌的發(fā)生發(fā)展以及治療耐藥性的一個主要因素就是凋亡途徑的失調,尤其是p53或p73依賴型途徑。乳腺癌治療經常涉及阻止細胞有絲分裂的微管靶向劑,例如紫杉醇。Karbon等[30]研究發(fā)現,PMAIP1可以作為乳腺癌患者生存的獨立預測因子,且PMAIP1蛋白表達是三陰性乳腺癌細胞中紫杉醇敏感度的重要因素,決定了微管靶向藥物的易感性。有研究表明,PMAIP1基因在轉染乳腺癌MCF-7細胞后能夠抑制細胞增殖并促進其凋亡。

此外,有研究表明PMAIP1能夠介導依托泊苷引起神經母細胞瘤的死亡,PMAIP1在惡性腫瘤中的發(fā)生與信號轉導以及細胞的凋亡過程中都發(fā)揮了重要的作用。因此,筆者發(fā)現在研究某些腫瘤發(fā)生、發(fā)展的作用機制時,離不開PMAIP1的表達和調控。

四、展 望

PMAIP1可參與并影響B(tài)cl-2 家族蛋白的信號轉導通路,并在 p53 依賴性和 p53 非依賴性途徑中發(fā)揮作用,以控制細胞增殖和凋亡。一些研究證明了PMAIP1在不同癌癥的發(fā)病機制中都發(fā)揮著重要作用。PMAIP1在與不同途徑中的不同蛋白質相互作用所表現出的生物學特性為惡性腫瘤的化學治療擴展了新的思路。PMAIP1的作用在很大程度上取決于其表達的環(huán)境,不論是在癌癥的類型、誘導的信號類型方面,還是直接或間接影響 PMAIP1表達的抵消途徑方面,PMAIP1的表達都會受到微環(huán)境的影響。隨著相應研究的不斷深入,PMAIP1在惡性腫瘤中的作用機制也將會更加明確。期待在不久的將來,PMAIP1將會運用于更多的惡性腫瘤的治療當中,為惡性腫瘤患者的治療帶來更多的福音。