多胺代谢与肿瘤细胞信号转导

多胺代谢与肿瘤细胞信号转导

王清 王艳林 曹春雨
（三峡大学医学院分子生物学研究所，宜昌 443002）

肿瘤细胞的快速增殖依赖于细胞内的多胺水平，耗竭细胞内多胺可抑制肿瘤细胞增殖并诱导其凋亡。与此同时，细胞内多胺含量的改变可以影响肿瘤细胞内多种信号通路的活性，依据受影响信号分子功能的差异，这些信号通路活性的改变具有增强或抑制耗竭多胺产生的抗肿瘤效应的功能，从而对肿瘤细胞的生长、分化、迁移和侵袭产生不同的影响。综述多胺对肿瘤相关信号通路的影响及其分子机制。

多胺 多胺代谢 肿瘤 信号转导

多胺是哺乳动物细胞中的一类带正电的烷基胺类小分子，包括腐胺（Putrescine，Pu）、精脒（Spermidine，Sd）和精胺（Spermine，Sm）。多胺可以通过与带负电荷的生物大分子结合，影响DNA复制、转录和蛋白质的功能，从而广泛参与细胞增殖、分化和胚胎发育等多种重要生命活动过程。研究表明，肿瘤细胞的快速增殖依赖于细胞内的高多胺水平，而肿瘤组织中高多胺含量是肿瘤病人预后不良的重要指标，由此多胺代谢途径已经成为抗肿瘤治疗和分子靶向药物研发的新靶点［1-5］。新近研究发现，用药物或其它技术途径干扰肿瘤细胞内多胺代谢会导致多种肿瘤相关信号转导通路活性的继发性改变，依据受影响信号分子的功能差异，这些信号通路活性的改变有些对肿瘤细胞生长具有抑制作用，而有些则对肿瘤细胞产生应激性保护。深入探讨多胺与信号传导通路之间的相互作用及其分子机制，对研发更高效的抗肿瘤药物和新的治疗方案具有重要意义。本文将对该领域最新研究进展作一综述。

1 多胺代谢途径

多胺由精氨酸代谢而来，精氨酸在精氨酸酶的作用下转化为鸟氨酸，随后鸟氨酸经脱羧反应生成腐胺，催化该反应的酶鸟氨酸脱羧酶（Ornithine decarboxylase，ODC）是多胺合成代谢的限速酶。腐胺进一步在精脒合成酶和精胺合成酶的作用下依次生成精脒和精胺。此合成过程需要的胺丙基由脱羧腺苷甲硫氨酸提供，后者则由S-腺苷甲硫氨酸脱

羧酶催化S-腺苷甲硫氨酸脱羧而产生。多胺的分解代谢途径主要是由精脒/精胺N1-乙酰基转移酶（Spermidine/spermine-N1-acetyltransferase，SSAT）和乙酰多胺氧化酶（Acetyl-polyamine oxidase，APAO）相继催化完成的。SSAT催化精胺和精眯的乙酰化反应，它在精脒或精胺的N1位上加上一个乙酰基，使之分别生成乙酰精脒和乙酰精胺。乙酰精胺和乙酰精脒要么通过APAO催化的氧化分解途径分别逆转变为精脒和腐胺而完成多胺的代谢循环，要么通过位于细胞膜表面的特异性转运载体而排出细胞外。此外，精胺也可在精胺氧化酶（Spermine oxidase，SMO）的作用下不通过乙酰化中间产物而直接被氧化为精脒。在上述两种多胺降解代谢过程中，均可产生能诱导细胞凋亡的活性氧H2O2［1，6］。近年来，在以多胺代谢为靶点的抗肿瘤研究中，研究人员通过合成多胺结构类似物诱导多胺代谢酶，如SSAT、SMO活性上调，从而在促进多胺代谢、降低细胞内多胺水平的同时，产生大量活性氧H2O2诱导细胞凋亡发生，达到杀伤肿瘤细胞的目的。

2 多胺与肿瘤信号通路

2.1 Akt信号通路

Akt是一种丝氨酸/苏氨酸特异性的蛋白激酶，又称蛋白激酶B（PKB）。作为一种重要的促生长因子，它参与构成磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）信号通路并在PI3K的下游发挥调控作用，具有促进细胞增殖和迁移、抑制细胞凋亡和调节基因转录等功能，Akt的持续活化是肿瘤发生与发展的重要原因。

有研究发现，在用抑制剂抑制ODC活性而降低细胞内多胺的同时，能显著性上调Akt活性，提示细胞内多胺水平对Akt信号通路活性具有重要影响。ODC是细胞内多胺合成代谢限速酶，用ODC特异性抑制剂DFMO（Difluoromethylornithine，DFMO）处理细胞能够显著抑制多胺合成，导致细胞内多胺水平下降，并诱导肿瘤细胞发生凋亡。过表达ODC则能够拮抗细胞凋亡发生［7］。但Keledjian等［8］发现，用DFMO处理肠上皮IEC-6细胞在降低细胞内多胺水平的同时，还使AKt上游信号分子PDK1的磷酸化水平升高，由此导致Akt磷酸化水平增加、活性增强。与此同时，细胞内Caspase-3活性水平下降，从而抑制细胞凋亡。如果在降低小肠上皮IEC-6细胞内多胺水平的同时，使用特异性抑制剂抑制Akt活性，则能够显著增加细胞内Caspase-3的活性水平，促进细胞凋亡发生［8-10］。我们认为，DFMO诱导的Akt活性增加可能是细胞在应激条件下的一种代偿反应，以保证肿瘤细胞在低多胺水平的环境下仍能存活。2009年，Kucharzewska等［11］也发现，降低正常内皮细胞中的多胺水平能够显著提高PI3K/Akt信号通路活性，使其能抵抗低氧诱导的细胞凋亡。使用PI3K或Akt的特异抑制剂，则能够逆转这一现象。2013年初，Rajeeve等［12］发现，多胺代谢和PI3K/Akt信号通路之间存在相互反馈调节的关系，PI3K控制着细胞内多胺的合成，用PI3K的特异抑制剂PI-103能够显著降低细胞内腐胺和精脒的水平，而耗竭多胺则能诱导 PI3K信号通路激活。上述研究表明，多胺含量变化与PI3K/Akt信号通路之间有着重要的相互联系［12，13］。本课题组新近研究发现，DFMO也能够诱导人非小细胞肺癌A549细胞中Akt T308磷酸化水平增加，而Akt抑制剂LY294002与DFMO联合应用显著增加了DFMO诱导的A549细胞凋亡。该结果提示，多胺耗竭诱导的Akt激酶磷酸化将拮抗多胺含量下降所致的肿瘤细胞增殖抑制和凋亡诱导作用，这可能是临床研究中单独应用DFMO 治疗肿瘤疗效不佳的重要原因之一。

2.2 EGFR信号通路

表皮生长因子受体（Epidermal growth factor receptor，EGFR）在多种肿瘤细胞中高表达，参与并激活多种信号通路的级联反应，如ERK、PI3K、AKT和STAT3信号通路等，与肿瘤细胞生长、增殖和迁移过程密切相关［14］。

EGFR在与其配体EGF结合而活化后，将进一步募集integrin-β3（整合素-β3）、Scr（一种络氨酸激酶）和黏着斑激酶（Focal adhesion kinase，FAK）等因子，在此复合体中，活化的EGFR引发级联式活化反应，依次激活Src、FAK和Rho-G蛋白酶，继而活化细胞内的相关信号传导途径而促进细胞的生长、侵袭与转移。Ray等［15］的研究发现，在HEK细胞内，高精胺含量能阻遏EGF诱导的EGFR与integrinβ3、Scr和FAK之间的相互作

用，抑制EGFR介导的信号传导通路活性。体外实验进一步发现，精胺能与Src的SH2结构域特异性结合，从物理空间上阻断EGFR与Src的相互作用，由此阻止EGFR对Src的激活效应，用DFMO耗竭细胞内多胺可显著性上调Src的激酶活性。上述研究结果提示，精胺可能是一种分子开关，它通过调节EGFR-Src之间的物理耦合和功能耦合而影响肿瘤细胞的生长、侵袭和转移。高精胺含量阻遏EGFR信号通路将抑制细胞生长，这可能是细胞在高多胺环境下诱导的一种生长自限机制。Bhattacharya等［14］对IEC-6肠上皮细胞的研究也得出类似的结论。

有研究报道了另一种多胺调节EGFR活性的机制。该研究发现，用DFMO抑制细胞内多胺合成能增加EGFR分子中Tyr173和Try845的磷酸化水平，由此使该受体活化。这种诱导作用迅速而短暂，DFMO处理5 min内即可发生，但10 min后开始下降。在细胞培养基中加入外源性腐胺能阻断DFMO诱导的效应，提示上述EGFR的磷酸化作用与多胺含量下降直接相关。EGFR的活化将提升细胞拮抗凋亡的能力，但用抑制剂特异性抑制integrin-β3、Scr、FAK和EGFR的激酶活性后，DFMO处理不再具有上述功能。此外，在缺失EGFR的细胞、EGFR发生K721A突变（无激酶活性）的细胞和EGFR发生Y845F突变（不能识别Src的磷酸化位点）的细胞中，DFMO处理均不能提升细胞抗凋亡的能力［16］。

2.3 整合素信号通路

整合素是一类定位于细胞膜表面的跨膜蛋白，主要功能为介导细胞与周边环境之间的相互结合，包括其它的细胞和细胞外基质成分。整合素能将细胞外环境中的化成成分和物理状态信号传入细胞内，由此调节细胞周期、细胞形态和细胞蠕动等，并在肿瘤的发生、发展和侵袭转移中发挥重要作用［17］。

整合素家族成员α9β1整合素与肿瘤细胞侵袭迁移密切相关，deHart等［18］道，α9β1整合素的这一功能受细胞内局部多胺含量的调节，并与一种K+外流通道Kir（Inward-rectifier K channel）的功能密切相关。他们发现，在迁移细胞前锋缘的伪足中α9β1整合素和Kir共定位。更重要的是，在这一局部的α9β1整合素的胞浆结构域上募集并结合有多胺降解代谢的关键酶SSAT，后者通过降解精眯和精胺而降低局部的多胺水平。精眯和精胺已被证实是Kir通道的抑制剂，它们能结合到Kir孔道内特异性带负电荷的氨基酸残基上，由此调节Kir的功能。精眯和精胺含量下降将解除对Kir的抑制，从而使孔道开放，K+外流增加，继而增加细胞迁移的能力。用Kir通道抑制剂或下调Kir通道复合体中Kir4.2亚基的表达，均能抑制α9β1整合素依赖的细胞迁移。K+外流增加促进细胞迁移的机制尚在探讨之中，一种可能的解释是，K+外流增加引起水继发性外流而使细胞局部体积下降，这将引起细胞体部向细胞迁移方向回缩，由此产生迁移性蠕动。

2.4 p53信号通路

p53是目前发现的与人类肿瘤发病相关性最大的抑癌基因之一，主要通过细胞周期负调控、DNA损伤修复、促细胞凋亡和抑制肿瘤血管生成等作用抑制肿瘤生长。以 p53为中心的细胞信号转导在肿瘤细胞中多处于异常状态，包括p53基因突变和p53上游和下游细胞信号缺失等。近期研究发现，p53蛋白的磷酸化状态显著性影响其功能特征。Bhattacharya 等［19］对比分析了化疗药物喜树碱（camptothecin）和多胺耗竭对小肠上皮细胞内p53及细胞凋亡的影响，结果发现，喜树碱通过活化ATR激酶和JNK/AKT，一方面使p53在Ser15位点上发生磷酸化；另一方面抑制p53的泛素化降解，结果导致磷酸化p53在细胞内大量堆积。在细胞核内，磷酸化p53上调促凋亡蛋白Bax和下调凋亡拮抗蛋白Bcl-XL的表达水平，由此经线粒体途径活化Caspase-9 和Caspase-3，最终诱导细胞凋亡。此外，磷酸化p53还能诱导细胞周期相关蛋白p21Cip1表达，p21Cip1是一种细胞周期素依赖的蛋白激酶（CDK）的抑制剂，能抑制cyclin-CDK1和cyclin-CDK2复合体的活性，并将细胞阻滞与G1期。与之不同的是，用DFMO处理耗竭细胞内的多胺后，首先引起Akt 蛋白中Ser473位点磷酸化而使其激活，活化的Akt再经Mdm2途径抑制p53的泛素化降解，由此导致非磷酸化的p53在细胞内堆积。在细胞核内，非磷酸化的p53也能诱导p21Cip1的表达并由此抑制细胞周期，但这种非磷酸化的p53不是诱导而是抑制Bax

的表达水平，由此使细胞获得拮抗细胞凋亡的能力［19］。

2.5 CDK4信号通路

CDK4是一种细胞周期G1-S转化必须的周期素依赖的蛋白激酶，它的表达主要受转录水平上的调控。活化转录因子-2（Activating transcription factor-2，ATF-2）是参与CDK4表达调控的转录因子之一，它通过其C末端的碱性亮氨酸拉链结构域与其它蛋白分子形成同源或异源二聚体，并结合到靶基因启动子上而发挥转录调节功能。Xiao等［20］对小肠上皮细胞的研究发现，用DFMO耗竭细胞内多胺能通过稳定ATF-2 mRNA而升高细胞内ATF-2的表达水平，随后ATF-2与另一转录因子JunD形成ATF-2/JunD异源二聚体，该二聚体能与CDK4启动子结合并抑制该基因转录，由此降低细胞内CDK4水平和抑制细胞增殖。

3 结语

肿瘤细胞快速生长对细胞内多胺水平的高度依赖使多胺代谢途径成为潜在的肿瘤治疗分子靶点，通过耗竭肿瘤细胞内的多胺来抑制肿瘤细胞增殖、侵袭和转移是当前肿瘤防治研究的热点领域。耗竭多胺所致的肿瘤相关信号传导通路活性的改变，有些是耗竭多胺抑制肿瘤的分子基础，有些则是保护肿瘤细胞的应激性反应，并由此弱化耗竭多胺对肿瘤的治疗作用，如图1所示。更深入地探讨多胺与肿瘤相关信号通路之间的相互关系并阐明其分子机制，对研发更为有效的靶向多胺代谢的抗肿瘤药物和多靶向联合治疗途径具有重要意义。

图1 多胺代谢与肿瘤细胞信号转导示意图

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（责任编辑 狄艳红）

Polyamine Metabolism and Signaling Transduction in Tumor Cells

Wang Qing Wang Yanlin Cao Chunyu
（China Three Gorges University，Medical College，Institue of Molecular Biology，Yichang 443002）

The rapid growth of tumor cells depends on their higher intracellular polyamine levels compared to normal cells. Depletion of intracellular polyamine could inhibit tumor cells’ proliferation and induce tumor cells apoptosis. It is worth noting that, the alteration of the intracellular polyamine concentration have an obvious effect on multiple cell signal transduct in tumor cells. Because of the functional diversity and complexity of cell signalling molecules, the regulation of these signaling pathways activity result in both activated or suppressive effect on tumor cell survival, differentiation, migration and invasion. This article summarized the effects of polyamines metabolism on tumor-associated signalling pathways and the underlying molecular mechanism.

Polyamine metabolism Signalling transduct Tumor

2013-06-25

国家自然科学基金资助项目（30772590），三峡大学培优基金资助项目（2013PY052）

王清，女，硕士，研究方向：肿瘤分子生物学；E-mail：ctgubwangqing@163.com

曹春雨，男，博士，研究方向：肿瘤分子生物学；E-mail：407788923@qq.com