前列腺癌发病机制中信号通路的研究进展*

白璐，张森，卢亚乐，高漓

（桂林医学院附属医院 泌尿外科，广西 桂林 541000）

前列腺癌作为泌尿系肿瘤中发病率和致死率极高的恶性肿瘤，严重危害男性健康，不仅增加患者家庭负担，减少社会劳动力，更严重影响国家的长久发展规划。虽然目前我国前列腺癌的发病率占比较少，但统计学显示已呈现逐年增加的趋势。获取有效的临床治疗手段是对疾病发病机制研究的基础，虽然癌症的发病机制错综复杂，但究其根源是由于基因层面的改变影响着肿瘤的发生。因此，深入研究癌症的发病机制对临床治疗有很高的价值。现从信号通路的角度对前列腺癌的发病机制进行阐述。

1 PI3K-AKT-mTOR/FOXO/NF-κB 信 号通路

磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）作为下游受体蛋白的主要组成成分，是异源二聚体，即由调节亚基和催化亚基构成。首先，细胞膜上的受体酪氨酸激酶（RTK）与在应激下产生的配体表皮生长因子（EGF），血小板衍生因子（PDGF），血管内皮生长因子（VEGF），胰岛素样生长因子（IGF）结合，PI3K 随之被激活，二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）在细胞膜内表面被催化成有活性的三磷酸肌醇（PIP3），PI3K 作为次级信使与蛋白激酶B（AKT）和3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1（PDK1）结合，与此同时，也激活了另一个关键的信号转导分子——小G 蛋白Ras。在正常人体内存在平衡，激活PI3K-Akt 的同时活化磷酸（酯）酶和一类PIP3-磷酸酶（PTEN），引起PIP3 还原成PIP2的结果［1］，信号通路的开启被阻断，避免了基因表达被改写。PI3K 引起p-AKT 和下游基因包括雷帕霉素靶蛋白（mTOR）的磷酸化。PI3K/AKT 途径可能被几种磷酸酶所拮抗，如磷酸酶和张力素同源基因（PTEN）、PH 结构域富含亮氨酸的重复蛋白磷酸酶（PHLPP）。但在前列腺癌患者体内，抑癌基因PTEN 的缺失开启通路［2］。从本质上来说，遏制mTOR 通路是通过细胞周期停滞在DNA合成前期（G1 期）的途径诱导细胞凋亡的。癌细胞利用一些肿瘤抑制基因结节硬化症TSC 基因等的失活突变，使其在缺乏养分的情况下存活而无法有效抑制mTOR 通路致使通路过度活化［3］。不仅如此，PI3K-AKT 信号通路的激活会抑制下游促细胞凋亡相关基因叉头框转录因子的一个亚群FOXO 的转录，使FOXO 磷酸化水平升高，抑制FOXO 的转录，阻断前列腺癌细胞的凋亡［4］。同时，促进二聚体转录因子κ 基因结合核转录因子（NF-κB）和环磷腺酸苷（cAMP）效应元件结合蛋白（CREB）。正常情况下，NF-κB 家族与IKB 蛋白结合成为异三聚体而失活。但此通路的增强会导致IKB 激酶（IKK）磷酸化，造成NF-κB 与IKB分离，从而被活化，暴露出NF-κB 的核定位序列，随后从胞质移入核内，激活靶基因促进癌细胞的存活。由此，我们可以通过干扰此信号通路中的关键因子或激酶比如用PI3K 抑制物阻止白细胞介素-1（IL-1）诱导NF-κB 增加，或调高PTEN 的表达等抑制癌细胞。作为肿瘤作用机制研究中最深入的信号通路之一，这些分子的生物学功能要比这些更为复杂，还需要进行更加深入的研究和探索。

2 Wnt 信号通路

Wnt 基因作为关键基因是一个多基因家族，其表达产物则是富含半胱氨酸的分泌型脂糖蛋白家族——Wnt 蛋白，在发育和疾病中发挥着重要作用。受β-catenin 的核易位影响的经典Wnt/βcatenin 途径——平面细胞极性（PCP）［5］是与前列腺癌关系尤为密切的一条通路。另一途径Wnt/Ca2+与前者相互作用，Wnt/Ca2+信号刺激雌激素受体（ER） 释放Ca2+并激活G 蛋白、蛋白激酶C（PKC）和钙/钙调素依赖性激酶II，它们调节癌细胞的生长、存活、侵袭和血管生成。PCP 信号转导包括激活Rho 相关激酶的小G 蛋白Rho 和激活Jun-N-末端激酶（JNK）和激活蛋白-1（AP-1）转录因子并调节细胞迁移的小GTP 结合蛋白Rac。胞膜的G 蛋白偶联（Frizzled）受体（FZD）和多种受体（低密度脂蛋白受体相关的蛋白4-6、受体样酪氨酸酶RYK、弓形虫棒状体蛋白ROP1/2）结合形成共受体后结合Wnt 配体移入胞内，将dishevelled 蛋白（Dsh）活化，此时Dsh 便可以抑制轴抑制基因（Axin）、腺瘤性结肠息肉病基因（APC）和糖原合成酶激酶-3β（GSK-3β）组成的复合物的活性，导致β-catenin 由于不能通过GSK-3β磷酸化因而不能通过蛋白酶体在胞浆中被降解，积聚在胞浆中最终完成核易位。进入胞核的β-catenin 结合转录因子T 细胞因子（TCF）/淋巴增强因子（LEF），TCF 转录活性被激活，受到调控的基因有：细胞周期相关基因以及凋亡相关基因c-myc 和cyclinD1；生长因子如VEGF，胃泌素，HGF，间质表皮转化因子（c-met）等；参与肿瘤进展的基因基质金属蛋白酶（MMP） 7，MMP26，CD44 和Nr-CAM；转录因子ITF-2 和Id2；其他靶基因如COX-2 等的靶基因的表达。该途径的异常激活主要见于这几种情况：上游各组成成分结构与功能的改变使β-catenin 的含量增加从而激活该途径促进肿瘤发生；过多的Wnt 信号被接收激活通路；细胞内其他干扰因素通过直接或间接干预Wnt 途径间接或直接被细胞内的其余干扰因素干预，致使细胞反应异常。已有研究发现，Wnt 抑制剂有望成为前列腺癌治疗的有效药物，分泌型Wnt 抑制剂由几个小蛋白组成，包括dickkopfs （DKKs）、分 泌 型fryzzled 相 关 蛋 白（sFRPs）和Wnt 抑制因子1（WIF1）［6］。抑制剂中的DKK（1-4）影响Wnt、β-catenin 级联反应，与LRP5/6 结合后，DKK 与膜锚定分子Kremen1 和2形成复合物，最终使得Wnt/β-catenin 信号通路由于Wnt 与LRP5/6 相互作用被阻止而被抑制，因此得出DKK1 与前列腺癌生存率负相关，可以作为一种新的前列腺癌的诊断/预后生物标志物。虽然DKK2 最初鉴定为可溶性Wnt/β-连环蛋白拮抗剂，现在明确了它激活或抑制通路的作用取决于细胞环境。经典Wnt 信号传导可被DKK2 拮抗，富含半胱氨酸的DKK2 的C 末端的结构域与Wnt 共同受体LRP5/6 的结合最终抑制了LRP5/6 与Wnt 的相互作用。研究发现DKK2 在前列腺癌组织和细胞中上调，并且可以通过敲低DKK2 抑制Wnt/β-连环蛋白信号传导途径达到抑制癌细胞的增殖和侵袭的目的。在原发性前列腺癌细胞，DKK-3 的表达下调与癌症的进展相关。DKK-3 表达的缺失激活TGF-β/Smad 信号通路从而刺激了前列腺癌的进展［7］。降低sFRP5 的表达的DNA 高甲基化是前列腺癌发生的主要特点，由于PC3 细胞系中其启动子的DNA 高甲基化可能是sFRP1 的下调的可能原因。相比于其他良性前列腺疾病如前列腺上皮内瘤变（HGPIN），前列腺癌中sFRP2 甲基化水平增加以及表达水平下降。表明由表观遗传改变引起的sFRP2 表达缺失可能是确定前列腺癌症进展的有可能的生物标志物候选者。前列腺癌细胞系PC-3 中sFRP3 高表达可以抑制肿瘤生长和集落形成。过表达的WIF-1 抑制Wnt 信号传导减少磷酸化和AKT 的活性，并诱导化学敏感性PTEN-null PC-3 前列腺癌细胞系。提示WIF-1 可以是一个提高前列腺癌患者化疗效率的新靶点［8］。

3 TGF-β/Smads 途径

转化生长因子（TGF-β）信号通路发挥的功能不仅仅与细胞生长，分化，凋亡等生物学过程相关，而且可以诱导新血管生成，促进转移并有效抑制免疫系统。尽管作用范围广，但原理相对简单。此分子Ⅱ型受体与TGF-β 信号分子配体相结合，而后Ⅱ型受体连接跨膜Ⅰ型受体，I 型受体发生磷酸化后，使得下游的受体调节型R-Smad 蛋白（包括Smad1,2,3,5,8）被激活，或激活抑制型受体Ⅰ-Smad （Smad6,7）。其中Smad2/3 调控TGF-β、激活素信号通路，而Smad1/5/8 调控BMP、AMH 等信号通路，均需要与共同调节受体（Co-Smad）Smad4 结合才能进入细胞核，调控靶基因的转录［9］。这是一条由TGF-β，BMP 和Activin 等信号分子启动的信号通路。肿瘤的分期决定了TGF-β 的作用。TGF-β 对正常人的前列腺细胞以及早期的癌细胞的生长是抑制的，诱导其凋亡。抑制TGF-β1/Smads 信号通路中断增殖信号是前列腺癌发生发展的可能机制。但在中晚期的前列腺癌细胞中，TGF-β 和Smads 表达上调却能促进了前列腺癌的骨转移［10］。而与其他信号相关联，如Rho/ROCK 信号通路，可促进肿瘤转移；协同促进PI3K/AKT/mTOR 信号通路；介导上皮间质化（EMT），可增加肿瘤细胞的侵袭性［11］，也能通过NF-κB 信号通路介导肿瘤细胞的EMT。不仅如此，TGF-β 信号转导异常激活也导致前侵袭因子如MMPs 的表达，而Dkk-3 抑制MMP 的表达和活性，MMP 抑制剂拮抗了DKK3 基因敲除对前列腺上皮细胞腺泡形态发生的影响。因此内源性Dkk-3通过限制TGF-β/Smad/MMP 信号传导在前列腺癌中发挥保护作用。Dkk-3 的缺失可能会影响肿瘤微环境中其他蛋白质的活性和/或表达。间质Dkk-3的表达水平也与前列腺癌有关，有研究在前列腺基质细胞内确定了两种分泌蛋白，转化生长因子β诱导（TGFBI）和细胞外基质蛋白1（ECM-1），其水平受到Dkk-3 沉默的影响不同，而在前列腺癌中似乎起相反的作用［12］。

4 Notch 信号通路

Notch 信号通路由三部分组成：跨膜受体蛋白Notch，一种高度保守的蛋白，具有Notch1、Notch2、Notch3、Notch4 四种受体，29～36 种串联的EGF 以及三个Lin Notch 重复序列构成其蛋白结构域。临近细胞的配体将其受体活化并结合触发一系列的级联反应，在分化中起至关重要的作用。其中，Notch1 通路是前列腺癌的发生发展过程中的重要因素。Notch1 的3 个裂解位点：S1、S2、S3，在高尔基体内，碱性氨基酸蛋白酶样转化酶在S1 位上将Notch1 分成2 个亚基后，通过配体-受体相互作用或Notch 受体突变，结合成为异二聚体Notch1 受体蛋白，需要对Notch 受体进行两次连续的蛋白水解裂解。激活Notch 通路。Notch1受体胞外区的结构改变，暴露出S2 裂解位点，再由去整合素和金属蛋白酶家族的两个成员ADAM10 或ADAM17 介导裂解后，通过γ-分泌酶复合物来介导S3 位点第二次裂解。使得Notch 细胞内结构域（NICD）得以释放，NICD 转移至核内，与DNA 结合蛋白CSL 和MAML 结合成三聚体，进行基因转录。下游关键靶基因之一是HES1［13-17］。尽管ADAM10 以配体依赖的方式介导S2 的裂解，但ADAM17 在缺乏配体的情况下会裂解Notch，这一过程可能在肿瘤中过度表达ADAM17 蛋白中很重要。有研究表明Notch1 激活可以抑制PTEN 水平，从而引发肿瘤。PTEN 的丢失增强了ADAM17 的水平，从而促进了Notch 信号的激活。此通路可通过调控转录因子如：TGF-β，PDGF，Snail 等促进细胞进行EMT［18］。可以看出通路之间的关系错综复杂，甚至存在着蛋白质串扰现象［19］。Notch 信号通路与Hedgehog、Wnt 信号通路有极大关联，Hedgehog 信号通路在BMP 蛋白的影响下，SFRP-1，JAG-2，FOXL-1 的表达被Hedgehog 蛋白上调，JAG2 对Notch 信号通路具有促进作用，Wnt 信号通路则受到SFRP-1 的抑制。而Notch 通路的下游因子同样也会受到其他两种通路的影响［20］。

5 JAK/STAT 信号通路

信号传导与转录激活因子（STAT3）作为转录因子家族的一员，在以往的研究中STAT3 展现其促进肿瘤生长、增殖［21］、侵袭与迁移、生成血管［22］和抑制肿瘤免疫［23］等功能，使得STAT3 作为肿瘤靶向治疗的靶点具有巨大的研究价值。携带影响因子如干扰素或生长因子的胞外配体与同源受体结合后导致受体STAT 募集，STAT 蛋白的SH2 结构域在单个酪氨酸上的Janus 激酶家族JAKs 或Scr 激酶的磷酸化（STAT3 内的Tyr705）介导下结合并被激活，触发STAT 蛋白的二聚和核移位。在核内，磷酸化STATs（P-STAT）与名为干扰素γ 的DNA 应答元件结合——在目标基因的启动子中激活序列GAS 及启动特定基因表达程序［24-25］。下游靶点有Ras/MAPK/PI3k/TGF-β 等。在正常细胞中，细胞因子诱导的STAT3 活化只是暂时的，因为这种活性可以由负反馈环控制，而负反馈环又由多种蛋白质调节，包括活化STAT PIAS 家族的蛋白抑制剂，特别是与STAT3 特异性结合并终止其活性的PIAS3［26］。然而在肿瘤细胞中，由于生长因子信号传导失调，STAT 蛋白被酪氨酸磷酸化组成性激活。最早发现，STAT3 是细胞因子白细胞介素6（IL-6）的转录因子［27］，后来经过研究发现，IL-6 并不是唯一能激活STAT3 的细胞因子［28］。阻断STAT3 是有效治疗前列腺癌的一种可行方式［29］。其中阻断剂可以有多种作用，包括抑制输入蛋白相互作用；抑制STAT3 上的DNA 结构域/SH2 结构域；去除N 端结构域；抑制上游酶的活性等。近期多个机构声明JAK-STAT3和GPCRs 比STAT3 GPCR 更易于制作阻断剂。应用临床的阻滞剂是多个小分子JAK 激酶抑制剂［30］。阻断上游催化剂的IL-6 等不能全面治疗肿瘤，需要同时有多个上游阻断剂才能延缓肿瘤的进展。需要优化的是针对JAK-STAT3 信号通路选择最佳的治疗靶点改善前列腺癌的预后。

6 讨论

研究信号通路，最终目的是寻找针对前列腺癌治疗最佳的靶点。但信号通路的机制本身错综复杂，包含的作用因子多，并且通路之间相互作用，如Wnt 信号通路中Dkk-3 表达的缺失能激活TGF-β/Smad 信号通路从而刺激了前列腺癌的进展；TGF-β/Smads 途径过表达与Rho/ROCK 信号通路相关联，促进肿瘤转移；上述多条通路都不同程度影响了PI3K-Akt-mTOR/FOXO/NF-κB 信号通路的生物学作用等。都可以看出单纯对单个作用因子或者机制内任意一个作用因子的阻断都不能保证有效抑制前列腺癌的发生和发展。所以在更深入研究各个信号通路的因子间相互作用的同时，如何选择有效的信号通路的抑制或激活靶点仍是关键，重要的靶点不仅对于治疗作用显著，对于疾病的监控和预测也同样重要。