羥酰輔酶A脫氫酶在癌中作用機制的研究進展

吳國嘏，翟書杰，孫 笑，黃怡然，李詠梅，孫 麗

1.天津醫(yī)科大學 基礎醫(yī)學院 病原生物學系，天津 300211；2.天津醫(yī)科大學第二醫(yī)院 婦產科，天津 300070

脂代謝紊亂和癌的發(fā)生發(fā)展密切相關[1-4]。其中脂肪酸β-氧化代謝產生的短鏈、中長鏈脂肪酸在信號轉導、細胞通路調控等方面都有著重要作用,且代謝產生的游離脂肪酸(free fatty acids, FFAs)是腫瘤微環(huán)境(tumor microenvironment, TME)的重要構成組分。脂肪酸β-氧化紊亂可促進癌細胞增殖、轉移及免疫逃逸[2]。完整的脂肪酸β-氧化由4種關鍵酶催化,其中羥酰輔酶 A脫氫酶(hydroxyacyl-coenzyme A dehydrogenase,HADH)在脂肪酸代謝與癌的關系方面已受到較多關注。

1 HADH簡介

HADH主要存在于線粒體基質中,在β-氧化反應鏈的第3步中發(fā)揮催化作用,將L-3-羥乙酰-CoA的羥基氧化為酮基,同時還原NAD+為NADH。HADH對C4至C6長度的脂肪酸催化活性最高[3]。此外,HADH還間接參與調控氨基酸、糖類等物質代謝[1]。

細胞內HADH的基因表達水平與酶活性水平受到包括轉錄調控[4-5]、微RNA(microRNA,miRNA)調控[6]和蛋白乙酰化修飾[3]等在內的諸多調控。其中,轉錄因子叉頭盒蛋白A2(forkhead box A2, FOXA2)可以上調HADH的表達,影響小鼠胰島β細胞功能和分化[5];溴結構域蛋白4 (bromodomain containing 4, BRD4)和高遷移率族蛋白2(high mobility group box, HMGB2)可在HADH啟動子區(qū)形成超級增強子,影響HADH轉錄活性[4];微RNA(miRNA) rs221347作用于HADH mRNA,有效下調HADH表達水平[6];HADH隨著功能不斷成熟而呈高度乙酰化,在小鼠心肌細胞中,HADH賴氨酸乙酰化后酶活性增加[3]。由于人類細胞內乙酰基主要供體是乙酰輔酶A,故HADH的酶活性與胞內乙酰輔酶A水平、乙酰化酶活性以及去乙酰化酶活性密切相關。然而目前HADH在癌中的作用機制尚不明確。

2 HADH在多種癌中的作用

HADH在胃癌(gastric cancer, GC)[7]、腎透明細胞癌(kidney clear cell carcinoma, KIRC)[8]、肝細胞癌(hepatocellular carcinoma, HCC)[9]、乳腺癌(breast cancer, BRCA)[10]等癌中表現(xiàn)為抑癌作用,但在急性髓系白血病(acute myeloid leukemia, LAML)[11]、結腸癌(colon cancer, COAD)[12]等癌中卻表現(xiàn)為促癌作用。HADH與多種蛋白存在相互作用[1,3,5],且該酶功能紊亂直接或間接影響脂代謝、氨基酸代謝和糖代謝,導致細胞內相關產物濃度失衡。以上因素使HADH直接或間接參與調控多種細胞信號通路,影響癌細胞增殖、凋亡、血管形成、侵襲與轉移、能量代謝、炎性反應和免疫逃逸等過程[1, 4-13]。

2.1 HADH經PPAR通路作用于癌細胞

HCC細胞中HADH可激活過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferators-activated receptors,PPAR)通路,但具體機制尚不清楚[9]。當PPAR信號通路受到抑制時,細胞對脂肪酸的攝取增加[13],而HCC細胞中HADH表達下調,阻礙胞內脂肪酸β-氧化,兩者協(xié)同加劇內源性脂肪酸堆積。實驗證明缺失PPARα的小鼠胃黏膜出現(xiàn)更為嚴重的組織學損傷及炎性浸潤,血中和胃組織中的炎性因子如腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、白細胞介素-1及細胞間黏附分子1的轉錄和釋放增多,其機制可能與PPARα的缺失引起胃內NF-κB信號通路激活有關[14],而長期慢性胃黏膜損傷是GC誘因之一。結直腸癌中PPAR通路抑制劑可通過改變癌細胞的代謝,包括提高脂肪酸氧化、降低葡萄糖攝取水平,從而減少癌細胞的ATP供應,促進癌細胞死亡[13]。

2.2 HADH經TNF-α通路作用于癌細胞

KIRC細胞中,HADH表達下調可促進活性氧(reactive oxygen species, ROS)的生成,激活TNF-α通路[8]。HADH表達下調導致脂肪酸β-氧化減少,細胞內FFAs濃度增高。一方面,高濃度的FFAs可阻礙還原谷胱甘肽生成,從而降低細胞抗氧化能力;另一方面,FFAs導致線粒體呼吸鏈電子傳遞功能障礙,增加ROS產生,且FFAs與ROS反應產生呼吸鏈抑制劑,破壞線粒體生物氧化過程,使FFAs在線粒體沉積,形成惡性循環(huán)[3-4]。TNF-α通路可調節(jié)腫瘤細胞免疫浸潤,促進癌細胞增殖和遷移[8,15-16]。TNF-α與TNF受體1(TNF receptor 1,TNFR1) 結合后,TNFR1募集受體相互作用蛋白激酶1、腫瘤壞死因子受體相關因子2、細胞抑制凋亡蛋白1和細胞抑制凋亡蛋白2,形成復合物I,復合物I促進I-κB激酶磷酸化和NF-κB活化,從而增加炎性因子和免疫相關基因表達,促進COAD細胞增殖[16]。此外,TNF-α可誘導髓系抑制細胞(myeloid-derived suppressor cells, MDSCs)等炎性細胞浸潤,增強免疫抑制,利于GC細胞存活[15]。

2.3 HADH經JAK-STAT3通路作用于癌細胞

白細胞介素-6(interleukin-6, IL-6)可激活酪氨酸激酶(Janus kinase, JAK)/信號轉導和轉錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3, STAT3)信號通路[17]。KIRC細胞中,HADH下調可能刺激IL-6分泌,增加ROS產生,從而激活JAK-STAT3通路,導致患者不良預后[8]。在GC細胞中,過度激活的JAK-STAT3通路可促進細胞增殖和侵襲,抑制細胞凋亡,促進上皮細胞-間充質轉化(epithelial-mesenchymal transition, EMT),并增強細胞耐藥性[18]。Bax和Bcl-2作為JAK2-STAT3信號通路的下游因子,在JAK2-STAT3信號通路過度激活后會形成一個凋亡調節(jié)系統(tǒng),該系統(tǒng)利于GC細胞增殖與存活,抑制GC細胞凋亡和炎性反應[19]。此外,在甲狀腺癌細胞中,激活的JAK-STAT3通路還與NF-κB通路協(xié)同調控腫瘤干細胞(cancer stem cell, CSC)的生存能力[20]。這一通路還可影響TME中白細胞和間質細胞分布,增強癌細胞免疫逃逸能力[18,20]。

2.4 HADH經PI3K/Akt信號通路作用于癌細胞

HADH下調阻礙脂肪酸β-氧化,導致脂肪酸積累,從而抑制磷酸酶與張力蛋白同源物(phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten, PTEN)轉錄,而PTEN可抑制PI3K/Akt信號通路[7]。研究表明,在GC細胞中敲除HADH后,p-Akt表達增加,GC細胞的遷移和侵襲能力明顯增強,而PI3K抑制劑LY294002可消除p-Akt上調,挽救下調HADH后增強的細胞遷移和侵襲能力。反之HADH過表達抑制GC細胞的遷移和侵襲。實驗說明HADH下調可激活PI3K/Akt信號通路并促進GC細胞的增殖、遷移和侵襲[7]。PI3K/Akt通路從多方面起促癌作用。在細胞增殖方面,PI3K/Akt通路被激活后,其下游靶點雷帕霉素靶蛋白(mech-anistic target of rapamycin kinase, mTOR),尤其是mTOR復合物1(mTOR complex 1, mTORC1),通過調控S6激酶1和4E結合蛋白1等下游效應蛋白的磷酸化來控制乳腺癌細胞增殖[21]。在自噬方面,PI3K/Akt通路失調可以觸發(fā)自噬,使乳腺癌細胞適應低營養(yǎng)環(huán)境,利于其增殖[22]。mTOR是自噬抑制劑,mTORC1通過抑制未磷酸化的、低磷酸化的自噬相關蛋白激酶1和轉錄因子EB等自噬調節(jié)蛋白的磷酸化來抑制自噬,故抑制PI3K/Akt通路可促BRCA細胞自噬[22]。此外,在血管生成方面,腎細胞癌細胞中PI3K/Akt通路通過激活VEGF受體2、低氧誘導因子1α和mTOR促進VEGF信號轉導,刺激新血管形成[23]。

2.5 HADH經IFN-γ通路作用于癌細胞

KIRC細胞中,HADH可激活γ干擾素(interferon-γ, IFN-γ)信號通路,改變腫瘤細胞免疫浸潤水平,但具體機制尚不明確[8]。IFN-γ激活狀態(tài)下,M2巨噬細胞、幼稚B細胞、肥大細胞和樹突狀細胞等的免疫浸潤水平與HADH表達呈正相關,而濾泡輔助T細胞、漿細胞、調節(jié)性T細胞和中性粒細胞的數(shù)量與HADH表達呈負相關,這提示HADH表達下調激活IFN-γ通路,降低機體對癌細胞的免疫殺傷能力。此外,IFN-γ可以誘導癌細胞表達程序性死亡受體配體1,使其逃避免疫監(jiān)測[8]。

2.6 HADH經MAPK通路作用于癌細胞

HADH下調可激活絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK),并與MAPK通路中的3條分支:細胞外信號調節(jié)激酶(extracellular-signalregulated protein kinase, ERK)分支、c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal protein kainse, JNK)分支和P38絲裂原活化蛋白激酶分支[9]相關。在ERK分支中Ras蛋白被激活,進而激活Raf,MAPK激酶和ERK蛋白,促進膀胱癌細胞增殖和分化[24]。Ras還可激活Akt激酶,進而激活PI3K/Akt/mTOR通路,提高細胞增殖能力和葡萄糖代謝水平[9,24]。此外,激活的Ras可上調NF-κB,誘導炎性因子(如腫瘤壞死因子α、白細胞介素-1β)表達,通過維持炎性微環(huán)境,促進細胞增殖、侵襲,增強細胞抗凋亡能力[9,24]。MAPK通路的p38和JNK分支在炎性狀態(tài)被激活,使多個轉錄因子和細胞周期調控蛋白磷酸化,如c-Jun、c-Fos和BCL2家族蛋白等,從而促進癌細胞增殖、抑制凋亡、促進細胞遷移和侵襲[24]。

2.7 HADH經非經典Wnt通路作用于癌細胞

COAD細胞中,HADH與結腸癌惡性程度密切相關。HADH作為非經典Wnt通路靶基因,參與激活非經典Wnt信號通路,并受Wnt5a, Wntless, 受體酪氨酸激酶樣孤兒受體2, Dishevelled 2, 激活轉錄因子2和激活轉錄因子4的調控,參與癌細胞增殖和遷移過程[12]。Wnt蛋白家族成員Wnt5a與細胞膜受體Frizzled結合,激活蛋白激酶C(protein kinase C, PKC)和磷脂酶C,影響膠質瘤細胞增殖、侵襲和轉移[25]。PKC激活可導致鈣離子(Ca2+)釋放和核因子AT核轉位,從而調控基因轉錄[25]。此外,非經典Wnt信號通路的激活與T淋巴細胞浸潤減少相關,并通過PI3K/Akt通路提高乳腺癌細胞耐藥性,利于乳腺癌細胞增殖轉移[21-23]。

3 問題與展望

目前研究表明HADH在癌中具有一定作用,但研究方向多局限在脂質代謝方面,應予以拓展。第一:HADH與文中提及多種信號通路存在關聯(lián),但現(xiàn)有研究多停留在HADH與通路相關基因共表達層面,尚未對其間的深入聯(lián)系做出探索,例如HADH與通路中關鍵蛋白之間是否存在直接物化作用,是否存在中間通路或蛋白分子,是否可建立起完整的上下游通路等。第二:HADH在代謝層面間接影響細胞通路的闡述尚不明確。HADH作為脂肪酸代謝的關鍵酶,其代謝原料和產物在細胞內的濃度變動亦影響細胞生理活動,多數(shù)細胞信號通路變動與此相關,但尚未有研究具體指出何種小分子可產生上述效應。第三: HADH對癌細胞的調控作用存在組織特異性,在不同癌中可有截然相反的表現(xiàn),目前尚無詳細的解釋。現(xiàn)有研究中不同癌聚焦于不同的信號通路,而HADH是否在不同癌中通過同一特定信號通路產生相似作用尚待探索。此外,HADH是否調控更多種癌的發(fā)生發(fā)展,以及HADH是否與更多的信號通路、代謝機制有關系,均值得探索。第四:HADH在各癌中是否能在各種免疫調節(jié)劑的臨床試驗和個體化治療中發(fā)揮作用還有待觀察,盡管HADH在癌組織中存在異常表達現(xiàn)象,但其在人體尿液和血液中的含量情況尚知之甚少,HADH能否作為可靠的癌標志物還需要大量的研究證明。因此,對HADH在癌中作用機制值得進一步研究。