Smac、XIAP、caspase-3 与肿瘤发生的关系及研究进展

杨莉晖 单春光 许秋荣 赵颖 黄红梅 王利军 贾文学

细胞凋亡又称程序性细胞死亡，是生物体内细胞在特定的内源和外源信号诱导下，其死亡途径被激活，并在有关基因的调控下发生的程序性死亡过程，对机体的发生、发展以及自身稳定起着关键性作用。细胞凋亡受抑制，使细胞生存周期延长，转化突变的细胞积聚，最终将导致肿瘤肿瘤的发生、发展及恶变。Smac、XIAP、caspase-3在细胞凋亡的过程中起着重要的调控及效应作用。

1 Smac、XIAP、caspase-3 的结构和特征

1.1 Smac的结构和特征 Smac为第二个线粒体衍生的半胱氨酸蛋白酶激动剂(second mitochondria-derived activator of caspase)，与低等电点凋亡抑制蛋白直接结合蛋白DIABLO(direct IAP bing protein with low PI)完全等同［1，2］。人类的 Smac基因位于第12号染色体的长臂，7个外显子组成。Smac单体是拉长的三螺旋(H1、H2、H3螺旋)结构，具有一定的曲度。两个单体Smac通过H1螺旋的N-末端与H2螺旋的C-末端发生二聚化，形成Smac同源二聚体。Smac的二聚化对促进caspase-3前体的激活以及caspase-3酶活性有着重要的作用。Smac在人体中有广泛的表达。在正常的人体细胞中，Smac不诱发凋亡，当细胞受损时，Smac便发挥其促进凋亡的作用。

1.2 XIAP的结构和特征 细胞凋亡过程中，凋亡蛋白抑制剂(IAP)可抑制线粒体活化，并直接结合、抑制效应caspase-3、6、7的作用，从而抑制细胞凋亡。IAP是惟一内源性caspase抑制物，目前已发现人类IAP家族成员包括:NAIP、XIAP、cIAP-1、cIAP-2、survivin、apollon、LP-2、livin。X连锁凋亡抑制蛋白(X-linked inhibitor of apoptosis protein，XIAP)定位于 Xp25，具有IAP家族的特征性结构—BIR结构域。BIR结构域是IAP家族执行细胞凋亡抑制功能的必需氨基酸序列，是IAP与caspase、Smac结合的结构基础。它位于IAP氨基端，由大约70个氨基酸组成。XIAP包含N端的BIR1—BIR3三个结构域和C端的RNG锌指结构域。除了外周血液中淋巴细胞外，XIAP在人体内全部组织内广泛表达。

1.3 caspase-3的结构和特征 含半胱氨酸的天冬氨酸酶(cysteine containing aspartate specific protease，caspase)是一种半胱氨酸蛋白酶，在真核细胞细胞凋亡中执行重要任务，至今已发现14种哺乳类caspase，分别命名为caspase-1～caspase-14。半胱氨酸位于酶的活性中心，底物特异作用点为天冬氨酸残基。Caspase一般以非激活的酶原形式存在于胞内，在凋亡过程中通过亚单位聚合为多聚体或经蛋白水解而被激活。Femander-Alnemri等［3］在1994年发现了 caspase-3基因，该基因定位于染色体4q33－q35.1处，caspase-3基因中存在一个安全扣调节三肽，位于大、小亚单位相结合的可变形区域中，由 Asp-Asp-Asp组成，在caspase-3触发活化使起关键的作用。

2 Smac、XAIP、caspase-3在细胞凋亡中的相互作用

凋亡相关的caspase按其生化特征和功能可分为起始 caspase(上游 caspase)和效应 caspase(下游caspase)。起始 caspase 包括 caspase-2、8、9、10，其含有蛋白质—蛋白质相互作用的长N末端结构域，称死亡效应区域，起始caspase与接头蛋白的同源结构域结合，使起始caspase发生构象改变而被激活，进而进行自身切割，并剪切、激活效应 caspase。效应 caspase(caspase-3、6、7)含较短或不含结构域，以无活性的二聚体形式主要存在于胞质中，通过剪切大、小亚单位间的特异点而激活，效应caspase互相进行切割，以级联反应方式被激活。激活的效应caspase切割细胞内底物，破坏细胞结构及细胞代谢，导致凋亡的发生。在细胞凋亡的途径中，尽管起始因子各不相同，但最终都会在caspase-3会合而引起细胞结构蛋白水解，导致细胞凋亡的发生，因此caspase-3可能是整个细胞凋亡级联反应中必经之路，是一个关键调控点。研究发现，XIAP的BIR2通过与caspase-3的底物结合位点竞争性结合，从而抑制caspase-3的活性。BIR3结构域还可以与上游caspase-9的单体结合，形成异源二聚体，抑制其活性，在上游抑制caspase-3的激活，丧失催化caspase凋亡途径的功能。XIAP是迄今为止已发现的IAP家族中作用最强的一种［4］，在 caspase凋亡途径中，既可以抑制起始阶段，又可以抑制效应阶段。Smac可以与XIAP的BIR1、BIR2稳定结合，通过破坏XIAP的第3个BIR结构域与上游caspase-9结合，并破坏Linker-BIR2与caspase-3或caspase-7之的相互作用，从而达到解除XIAP对caspase的抑制，促进细胞凋亡。同时也可以直接增强caspase-3的活性达到促进细胞凋亡的目的。

3 Smac、XIAP、caspase-3 与肿瘤的关系

3.1 Smac与肿瘤的关系 2003年，Yoo等［5］通过免疫组化技术研究发现，Smac在不同癌肿组织中的表达不同。在癌瘤中的阳性表达率为62%，分别为胃癌(42/60)、卵巢癌 (7/10)、结肠癌 (7/10)、肺癌(4/10)、前列腺癌(2/10)。而在肉瘤中的阳性表达率为22%，尤因肉瘤(1/2)、横纹肌肉瘤(5/11)、恶性皮肤纤维瘤(2/7)、恶性神经鞘病(2/8)、平滑肌肉瘤(1/6)，在血管肉瘤(8例)及脂肉瘤(8例)中未见表达。在肾细胞癌的表达情况中，分化程度越低、恶性程度越高的癌症组织，Smac的表达率越低。在肺癌的发生发展过程中，Smac呈现逐渐降低的趋势。提示Smac高表达可以使让肿瘤细胞更敏感地接受凋亡刺激，促进肿瘤细胞的凋亡，提高肿瘤细胞对化疗药物的敏感程度，而Smac的低表达则有可能阻止肿瘤细胞的凋亡［6］。

3.2 XIAP与肿瘤的关系 XIAP在喉鳞状细胞癌中高表达，与正常黏膜中的表达相比有显著差别，且与喉癌的病理分级有关，随病理分级增加，阳性表达率增高，差别具有统计学意义(P＜0.05)，提示XIAP与喉鳞状细胞癌的发生发展、预后有着密切的关系［7］。在人类乳头状瘤病毒感染所引发的喉乳头状瘤组织中，XIAP的表达要高于正常喉黏膜，说明可能在喉乳头状瘤的发病过程中，XIAP异常表达，抑制了细胞的凋亡过程，从而促进了乳头状瘤的发生发展［8］。在非小细胞肺癌中，XIAP可以抑制起始 caspase-9及效应caspase-3、caspase-7的活性，阻止细胞调亡。Hofmann等［9］运用免疫印迹及RT-PCR技术，发现XIAP是促进肺癌发生的一个重要因子。Shiraki等［10］研究发现XIAP在正常的肝细胞系及组织中的低表达，而在肝癌细胞及组织中表达水平增高，且与肿瘤的凋亡指数负相关。陶璐薇等［11］研究发现在肝癌细胞系及组织中XIAP mRNA及蛋白呈现高表达，认为XIAP可能是肝细胞发生恶性病变的重要因素。Ramp等［12，13］研究发现在胰腺癌组织中XIAP的表达明显高于癌旁的胰腺组织，且与胰腺癌组织的病理分化有关，分化程度越低，XIAP的阳性表达率越高。

3.3 caspase-3与肿瘤的关系 在病理分型为低分化的鳞状细胞癌的鼻咽癌患者中，caspase-3阳性表达率低，且表达越弱者放疗敏感性越差，复发率越高，生存率越低［14］。Cor等［15］经免疫组化法研究发现，在正常喉黏膜、喉部不典型增生组织及喉鳞状细胞癌组织中，caspase-3的阳性表达率依次降低，说明caspase-3表达率降低与喉癌的发生发展有关。王克文等［16］通过免疫组化和RT-PCR技术研究发现，caspase-3在食管鳞状细胞癌组织的表达率低于正常组织。徐进等［17］应用免疫组化方法检测出在正常胃黏膜、不典型增生、胃癌组织中，caspase-3的表达率依次呈降低趋势，而且与癌细胞的分化程度有关。Jonges等［18］发现，caspase-3在正常直肠黏膜、直肠腺瘤及直肠癌中的阳性表达率逐次降低，从而提示caspase-3在直肠癌的发病过程中起着一定的作用。

4 肿瘤治疗的研究进展及展望

目前在肿瘤治疗中，对XIAP及Smac的研究较为多见。XIAP在肿瘤组织中高表达，很多研究证实其通过抑制 caspase功能［19］、参与 NF-κB 调节［20］及参与信号转导［21］等途径抑制肿瘤细胞凋亡、诱导化疗耐药性，最终导致肿瘤患者预后不良。近年来，针对XIAP为靶点开展的反义寡核苷酸技术、小分子抑制物以及RNA干扰技术已成为肿瘤治疗的新靶点，为肿瘤的治疗提供了新的方向。目前已研究证明，XIAP反义寡核苷酸技术可以阻断XIAP，导致caspase激活和细胞凋亡，使肿瘤对放疗、肿瘤坏死因子相关凋亡传导配基及化疗药物敏感［22］。XIAP小分子抑制剂目前有两种类型—BIR2及BIR3。研究证明BIR2小分子抑制剂与BIR2结构域结合，抑制caspase失活，可以直接诱导肿瘤细胞的凋亡，对人前列腺癌、结肠直肠癌有明显的抗肿瘤作用［23，24］，使儿童急性白血病细胞对化疗药物及TRAIL敏感［25］。目前BIR3小分子抑制剂的研究为Smac类似物及非肽类小分子化合物。BIR3小分子抑制剂与BIR3结构域结合，使肿瘤细胞对化疗药物敏感，克服化疗耐药性，且无明显毒性［26－28］。更有研究发现，XIAP干扰技术比单纯的反义技术的效率更高，可以抑制XIAP的表达，抑制肿瘤细胞增殖并促进凋亡。

Smac是天然的XIAP抑制剂，在细胞凋亡中发挥着重要的作用，高表达的Smac可以促进肿瘤细胞凋亡，增加肿瘤细胞对化疗药物的敏感性，使肿瘤细胞对凋亡刺激更为敏感。研究表明局部注射可以高表达Smac的腺病毒载体和5-Fu，使肿瘤细胞出现大量凋亡，肿瘤明显缩小甚至消失［29］。类似Smac结构的小分子肽，可以与XIAP结合，解除XIAP对caspase的抑制，从而达到促进细胞凋亡，起到抗肿瘤的作用［30］。Sun 等［31，32］设计合成了系列 Smac 类似物，已证明其中的6i与6j和XIAP的BIR3结构域具有亲和力。研究证明，6i可以促进化疗所致前列腺癌及乳腺癌细胞的凋亡。Nikolovska-Coleska等［33］根据 Smac与 XIAP的BIR3结合时的立体构象，利用微机扫描筛选出一种中药成分—紫金牛来源的酸藤子酚，体外试验证实，酸藤子酚可引起前列腺癌细胞的凋亡。

XIAP反义寡核苷酸技术、RNA干扰技术、Smac及由其衍生的小分子肽有望成为未来肿瘤治疗的新举措。

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