E3泛素連接酶在結直腸癌中的作用機制研究進展

李 芳,王 玨,晏睿陽,李凱楊,沈 慧,王 麗,張 靜,張云清

(延安大學 1. 醫學院, 2. 附屬醫院 病理科,陜西 延安 716000)

作為全世界發病率和死亡率最高的腫瘤之一,結直腸癌(colorectal cancer,CRC)造成了嚴重的社會經濟影響。泛素化可通過改變底物蛋白的活性或使之發生泛素—蛋白酶體降解,進而參與調控細胞增殖、細胞周期、細胞凋亡、DNA損傷修復等多個過程,而這些正是CRC致病機制的關鍵環節[1-2]。研究表明,E3泛素連接酶在CRC的發生、進展及轉移等過程中發揮關鍵調控作用。本文就RING型和HECT型E3泛素連接酶在CRC發生發展中的作用機制及這兩類E3泛素連接酶的靶向抑制劑相關研究進展作一綜述,為CRC致病機制研究及其靶向治療提供新的視角。

1 E3泛素連接酶簡介

泛素化修飾是由E1泛素激活酶、E2泛素結合酶及E3泛素連接酶這3種酶催化的級聯反應[2]。E1泛素激活酶活化泛素(ubiquitin,Ub)并將其轉移到E2泛素結合酶上,形成E2-Ub偶聯物。接著,在E3泛素連接酶的作用下,Ub被催化轉移至底物蛋白的賴氨酸殘基上,形成單泛素鏈或多聚泛素鏈修飾[2]。該級聯反應的效率和底物特異性主要取決于E3泛素連接酶,因此其被認為是泛素化修飾過程中的關鍵酶。E3泛素連接酶最先被分為RING(really interesting new gene)型和HECT(homologous to E6AP C-terminus)型,后來有研究者將其分為3類,分別為:RING型、HECT型及RBR(RING-between-RING)型[3];也有研究者將其分為4類,即RING型、HECT型、RBR型及U-Box型[4];此外,有研究者將其細分為5類,分別為:U-Box型、F-Box型、Ring-Box型、HECT型及鋅指型[5]。但不管何種分類方式,大多數E3泛素連接酶均可歸類為RING型或HECT型,且這兩類E3泛素連接酶受到研究者廣泛關注。

由于結構和生化特性的不同,RING型和HECT型E3泛素連接酶的Ub轉移機制有所不同[3]。見Fig 1。RING型E3泛素連接酶本身不與Ub發生作用,而是作為橋梁將活化的Ub從E2泛素結合酶直接轉移至底物蛋白上[3]。其主要分為3類:①單體RING結構域E3,含RNF家族、TRIM家族等;②二聚體RING結構域E3,含MDM2/MDMX、XIAP等;③多亞基RING結構域E3,含SCF型、APC/C型等[2]。在CRC中研究最多的為RNF家族成員和TRIM家族成員。而HECT型E3泛素連接酶先從E2泛素結合酶上接受Ub,再將Ub轉移至底物蛋白上[2-3,6]。按照N末端蛋白互作結構域的不同,可將HECT型E3泛素連接酶分為3類:具有WW結構域的NEDD4家族、具有RLD樣結構域的HERC家族及不包括WW或RLD結構域的其他HECT型E3泛素連接酶[6]。NEDD4家族成員是目前CRC中研究最多的HECT型E3泛素連接酶。

2 RING型E3泛素連接酶在CRC發生發展中的調控作用及分子機制

2.1 RING型E3泛素連接酶參與調控CRC細胞增殖和凋亡研究發現E3泛素連接酶TRIM6能夠促進CRC細胞增殖,其機制為過表達TRIM6可使CRC細胞中TIS21的泛素化水平升高,進而降低后者的蛋白穩定性[7]。反之,體內外實驗結果證實RNF128可顯著抑制CRC細胞增殖,其分子機制為RNF128介導β-catenin的泛素—蛋白酶體降解進而抑制Wnt/β-catenin信號轉導[8]。此外,RING型E3泛素連接酶在CRC細胞凋亡調控中也扮演了重要角色。如TRIM67可直接與P53的C末端互作來抑制MDM2介導的P53降解,反過來P53又能結合到TRIM67的啟動子區域上調TRIM67的表達,形成一個TRIM67/P53正反饋環路,并最終增強p53誘導的CRC細胞生長抑制和凋亡[9]。RNF146可通過誘導Axin1發生泛素—蛋白酶體降解來激活Wnt/β-catenin信號通路進而發揮抑制CRC細胞凋亡的作用,提示RNF146可能是CRC患者預后不良的獨立因素[10],見Fig 2。

Fig 1 Different mechanisms of ubiquitin transfer in RING type and HECT type E3 ligases

Fig 2 Classification of RING E3 ligases and their roles in CRC

2.2 RING型E3泛素連接酶參與調控CRC細胞遷移和侵襲E3泛素連接酶TRIM39在CRC組織中顯著高表達,且TRIM39表達水平越高,CRC侵襲程度越高,淋巴結轉移越多,病理分期越晚[11]。研究發現TRIM39可與Rab7相互作用并抑制Rab7的K191泛素化而提高后者活性,從而促進CRC進展;而敲低TRIM39可顯著降低CRC細胞的遷移和侵襲能力[11]。RBBP6也能夠促進CRC細胞的遷移、侵襲并誘導荷瘤小鼠發生肺轉移和肝轉移[12]。其可能的分子機制為:RBBP6介導的IκBα泛素—蛋白酶體降解可顯著增強NF-κB p65的核轉位進而激活NF-κB信號通路,從而誘導CRC細胞發生EMT并促進其遷移、侵襲[12]。提示RBBP6可能是CRC潛在預后生物標志物和治療靶點。而Wu等[13]研究發現TRAF6可通過K63鏈泛素化修飾LC3B來增強LC3B與β-catenin間的相互作用,進而驅動CTNNB1/β-catenin的選擇性自噬降解,并最終發揮抑制CRC轉移的作用。見Fig 2。

2.3 RING型E3泛素連接酶參與調控CRC細胞化療敏感性除增殖、凋亡、遷移、侵襲外,RING型E3泛素連接酶還參與調控CRC細胞化療敏感性[5]。TRIM67能夠與P53互作形成TRIM67/P53正反饋環路,進而在體內、外條件下增強CRC細胞的化療敏感性[9]。FBXW7突變可引起P53 Ser15位異常磷酸化,從而降低CRC細胞對奧沙利鉑的敏感性,提示過表達FBXW7可能成為改善CRC細胞化療耐藥的良好策略之一[14]。反之,部分RING型E3泛素連接酶可降低CRC細胞的化療敏感性,誘導CRC患者發生化療耐藥。如TRIM47可誘導SMAD4發生泛素—蛋白酶體降解,降低CRC細胞的5-氟尿嘧啶(5-fluorouracil, 5-FU)化療敏感性[15]。TRIM25可通過抑制TRAF6介導的EZH2泛素—蛋白酶體降解來上調EZH2水平,從而降低CRC細胞對奧沙利鉑的敏感性[16]。此外,敲低TRIM6能夠通過誘導TIS21的泛素—蛋白酶體降解來提高CRC細胞對5-FU和奧沙利鉑的敏感性[7],見Fig 2。

3 HECT型E3泛素連接酶在CRC發生發展中的調控作用及分子機制

3.1 HECT型E3泛素連接酶參與調控CRC細胞增殖和凋亡研究表明WWP1在CRC組織中顯著高表達,過表達WWP1可抑制PTEN/AKT信號通路轉導進而提高CRC細胞的增殖能力[17]。有研究發現,Linc02023可與PTEN特異性結合,阻止后者被WWP2泛素—蛋白酶體降解,進而穩定PTEN并抑制其下游基因表達,從而抑制CRC細胞增殖[18]。提示WWP2可能通過介導PTEN的泛素—蛋白酶體降解來提高CRC細胞的增殖能力[18]。考慮到WWP1和WWP2在結構和功能上的高度相似性,且兩者均可通過下調PTEN信號通路來促進CRC細胞增殖,推測WWP1可能也是通過誘導PTEN發生泛素—蛋白酶體降解進而促進CRC細胞增殖的。與之相反,SMURF2能夠通過介導SIRT1的泛素—蛋白酶體降解來抑制CRC細胞增殖[19]。另有研究發現,HECTD2可誘導EHMT2發生泛素—蛋白酶體降解,進而抑制CRC細胞增殖并促進其凋亡[20]。綜上,HECT型E3泛素連接酶為CRC細胞增殖與凋亡的重要調控因子,見Fig 3。

3.2 HECT型E3泛素連接酶參與調控CRC細胞遷移和侵襲有報道稱WWP1高表達與腫瘤大小、遠處轉移和TNM分期密切相關,是影響CRC患者總生存期的獨立預后因素;過表達WWP1的CRC細胞侵襲能力更強[17]。Yue等[21]研究發現,NEDD4可通過介導FOXA1的泛素—蛋白酶體降解進而促進CRC細胞的EMT進程和侵襲,且在移植瘤小鼠模型中過表達NEDD4可顯著促進CRC生長轉移。反之,HERC3在體內外均可發揮抑制CRC細胞遷移、侵襲的作用,其分子機制可能為HERC3的HECT結構域與EIF5A2結合繼而促進EIF5A2的K27和K48鏈泛素化修飾及降解,并通過EIF5A2/TGF-β/SMAD2/3信號通路抑制CRC細胞的遷移、侵襲[22],見Fig 3。

Fig 3 Classification of HECT E3 ligases and their roles in CRC

3.3 HECT型E3泛素連接酶參與調控CRC細胞化療敏感性有研究證據表明[23],STK35能夠顯著降低CRC細胞的5-FU化療敏感性,而STK35又能被E3連接酶NEDD4L泛素—蛋白酶體降解,提示NEDD4L可能在CRC細胞的5-FU化療敏感性調控中發揮積極作用。敲低SMURF1可明顯增強化療藥物吉西他濱和順鉑對CRC細胞HCT116凋亡的誘導作用;且在HCT116細胞來源和CRC患者腫瘤組織來源的異種移植瘤模型中,低表達的SMURF1均可顯著增強吉西他濱和順鉑的抗腫瘤效果[24]。類似地,有研究發現敲低WWP1可增加CRC細胞中TAp63a的蛋白表達水平,進而增強CRC細胞對阿霉素和順鉑的敏感性[25],見Fig 3。

4 E3泛素連接酶靶向抑制劑—富有前景的腫瘤治療方案

多種腫瘤的發生發展與E3泛素連接酶表達異常和功能失調密切相關,且相比于通用的泛素蛋白酶體抑制劑,E3泛素連接酶靶向抑制劑特異性更強、毒副作用更小[4]。因此,E3泛素連接酶靶向抑制劑被視為一種很有前景的腫瘤治療方案。這些靶向抑制劑通常都是針對腫瘤中廣泛異常表達且發揮關鍵致癌作用的E3泛素連接酶,如:MDM2、SKP2等[4]。Nutlin是首個發現的MDM2靶向抑制劑,其主要通過與MDM2結合來破壞MDM2與P53之間的相互作用,從而發揮腫瘤抑制作用;相比于Nutlin,二代MDM2抑制劑RG7388的靶向抑制效果更好且毒性更小[4,26]。研究表明經SMIP004(SKP2抑制劑)處理的乳腺癌細胞在放射處理后表現出更低的細胞增殖能力和集落形成能力;研究者在移植瘤模型中也同樣觀察到明顯的SMIP004聯合放射治療的腫瘤抑制作用[27]。Watt等[28]分離出了WWP2靶向抑制劑NSC288387,但其對WWP2同家族成員WWP1和NEDD4也有一定的抑制作用。Peter等通過高通量篩選方法找到兩種能夠抑制HUWE1活性的小分子化合物(BI8622和BI8626),但對其他HECT型E3泛素連接酶活性無明顯抑制作用,提示其可能是HUWE1的特異性抑制劑[29-30]。此外,研究者發現這兩種HUWE1靶向抑制劑能夠抑制CRC細胞中MYC依賴的轉錄激活,提示其具有良好的抗腫瘤效果[30]。盡管目前E3泛素連接酶靶向抑制劑的相關報道較少,且研究尚不夠深入。但鑒于E3泛素連接酶在CRC調控中的關鍵作用及其靶向抑制劑自身特異性強、毒副作用小等優勢,E3泛素連接酶靶向抑制劑很可能成為未來CRC臨床治療方案的重要組成部分。

5 結論與展望

綜上所述,RING型和HECT型E3泛素連接酶在CRC細胞增殖、凋亡、遷移、侵襲及化療敏感性等方面均發揮重要調控作用。盡管其分子調控機制尚未完全闡明,但這些E3泛素連接酶很可能成為CRC預后標志物和潛在治療靶點。另一方面,隨著對E3泛素連接酶靶向抑制劑的進一步深入研究和開發,我們相信其將在不遠的未來為CRC患者的個性化治療帶來福音。