CaMKⅡ在结直肠癌相关信号通路激活中作用的研究进展

邓成念，刘模荣

遵义医科大学附属医院，贵州遵义563000

研究估计，每年约有140万新发结直肠癌(CRC)病例，每年有694 000例CRC患者死亡，CRC成为癌症相关死亡的第四大最常见原因[1]。近年来，CRC发病率呈逐渐增高的趋势，这对患者的生命安全构成严重威胁。钙离子(Ca2+)在细胞内普遍存在，其通过影响细胞内相应信号传导从而参与细胞生长、细胞骨架组织、突触传递和Ca2+稳态的调节。研究表明，钙信号广泛参与肿瘤的生长和转移[2]。Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)是一种多功能的丝氨酸/苏氨酸激酶，其活性在Ca2+/钙调蛋白(CaM)结合后被激活。CaMKⅡ在多种恶性肿瘤(肺癌、乳腺癌、前列腺癌、结肠癌)中高表达[3]。CaMKⅡ的磷酸化形式包括近40种不同的蛋白质，包括酶、离子通道、激酶和转录因子，在各种癌细胞增殖、分化和存活的调节中起关键作用。CaMKⅡ是Ca2+信号最重要的传感器和调节剂。本文对CaMKⅡ在CRC相关信号通路激活中的作用进行综述，以期为CRC防治提供新思路。

1 CaMKⅡ的结构及亚型

CaMK属钙信号下游的多功能丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族，包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ四种亚型。CaMKⅡ广泛存在于哺乳动物细胞中，且有蛋白质底物和组织分布。CaMKⅡ为一种多聚体蛋白，其全酶由12个亚基聚合组成，全酶相对分子质量为300～700 kU，亚基相对分子质量为50～62 kU。每个亚基都具有位于N-末端的催化结构区，与其相邻的自动调节区和末端的中心结合区。像其他激酶一样，CaMKⅡ的催化结构域具有一个ATP结合袋，可形成一个微环境，以降低水解ATP所需的能量。CaMKⅡ的自动调节区是整个激酶分子最复杂部位，包括N端自身抑制区、C端钙/钙调蛋白结合区、自身磷酸化位点(Thr286、Thr287)。自抑制区域大部分是CaMKⅡ调节活性的关键，是CaMKⅡ产生特有活化状态的结构基础。

CaMKⅡ基因有四个(α、β、γ、δ)，每个基因编码一个不同的CaMKⅡ同种型。CaMKⅡ亚型都具有共同的调控机制和蛋白质靶标，但是在组织分布上却有所不同[4]。研究[5]表明，α和β亚型在神经细胞的发育及功能活性中发挥重要作用；γ亚型在免疫系统尤其是T细胞记忆、CD8+细胞活化中发挥重要的作用[6]；而δ亚型的研究主要集中在调节心肌细胞的稳态和功能[7]。故猜想CRC发生发展可能与CaMKⅡγ亚型高表达所致免疫功能紊乱有关。

2 CaMKⅡ的功能

在静息状态，CaMKⅡ的催化结构区与N端自身抑制区相互重叠，可以封闭催化结构区与底物或者ATP结合位点。当细胞内Ca2+水平周期性上升时，随着细胞内Ca2+增加，Ca2+与CaM结合形成钙化CaM，与调控区的羧基端结合，CaMKⅡ构象随即发生改变，N端自身抑制区释放催化结构区结合位点，并且在Thr286或Thr287发生自磷酸化，Thr286位点自磷酸化又能促进酶亚基相互磷酸化，亚基磷酸化后具有捕捉钙调蛋白能力，进而促进全酶活化[8]。磷酸化能够增强自动调节域与Ca2+/CaM亲和力及阻断抑制域发挥抑制作用，从而产生激酶自主活性。所以在胞内Ca2+浓度降低后，仍能长时间保持较高的激酶活性。

3 CaMKⅡ在CRC相关信号通路激活中的作用

CRC是全球常见的癌症之一，是受遗传和环境因素共同影响的复杂疾病[9]。到2030年，全球每年将超过110万例CRC患者死亡、220万例新发[10]，这给人们生命安全构成严重威胁。因此，迫切需要了解CRC发病的分子机制，对于预防疾病及寻找相关药物至关重要。Ca2+是普遍存在的第二信使，可作为多种细胞过程的信号分子。实际上，在正常和病理条件下，细胞增殖、迁移和侵袭都是通过许多复杂的Ca2+依赖性过程。其中Ca2+信号在CRC的发生发展中扮演着举足轻重的角色[11]。CaMKⅡ是Ca2+信号最重要的传感器和调节剂，细胞内Ca2+浓度升高则是细胞增殖的重要环节，当细胞内Ca2+浓度周期性上升时，钙离子通过结合钙调蛋白激活CaMKⅡ，从而激活多条相关信号通路，影响CRC的发生发展。

3.1 核因子κB(NF-κB)信号通路 NF-κB是由p50和p65亚基组成的二聚体，与B细胞抑制剂中的kappa轻多肽基因增强子的核因子结合，作为细胞质中的转录因子。NF-κB家族成员及其调控基因与恶性肿瘤的转化、肿瘤细胞增殖、存活、血管生成、侵袭转移有关。NF-κB的活化不仅影响DNA损伤和致癌突变，而且还通过促进活性氧和活性氮的产生而导致肿瘤发生。研究指出，NF-κB信号通路是CRC的病因，其充当细胞增殖和凋亡的关键介质[12]。Lee等[13]使用氯化氰处理可抑制结肠癌细胞NF-κB信号通路并诱导细胞凋亡，减少结肠癌细胞的增殖和集落形成。CaMKⅡδ的激活可以调节心血管炎症，是促炎性NF-κB信号传导的必需品[14]。而CaMKⅡδ和CaMKⅡγ表达上调也可以导致NF-κB信号通路的激活，从而保护神经元免受缺血性损伤[15]。CaMKⅡγ亚型在免疫系统尤其是T细胞记忆、CD8+细胞活化中发挥重要作用，且CaMKⅡγ对T细胞成熟及外周淋巴器官中成熟T细胞的激活至关重要。CaMKⅡγ是在巨噬细胞表达的唯一的CaMKⅡ家族成员。CRC细胞中存在着CaMKⅡγ的高活化状态，而CaMKⅡγ的高活化可以通过介导NF-κB信号通路的激活从而促进CRC细胞在体内外的增殖[16]。但确切作用和调节机制仍不清楚。

3.2 STAT3信号通路 近年来，越来越多的证据表明，慢性炎症导致许多肿瘤的发生发展。信号转导子和转录激活子3(STAT3)等各种促炎信号转导通路参与了炎症向CRC的转化。STAT3是一种潜在的细胞质转录因子，通过酪氨酸残基705(Tyr705)的磷酸化而被激活。磷酸化的STAT3转运至细胞核，在其中转录涉及细胞周期进程、增殖、迁移、侵袭和存活的各种基因的表达[17]。STAT3是许多致癌途径的汇聚点，STAT3信号通路是公认的致癌途径，在多种生物过程中起关键作用，包括多种癌细胞的增殖、存活、迁移、侵袭和上皮细胞—间充质转化。Spitzner等[18]研究表明，STAT3在结肠癌起始细胞中被组成型激活，通过抑制STAT3表达可以提高晚期大肠癌对放疗的敏感度。相应的，乙氧基甲烷诱导的CRC模型中也存在STAT3信号的过度激活[19]。CaMK2γ通过增强STAT3的活化来促进结肠上皮细胞的存活和增殖。CaMK2γ基因敲除小鼠结肠炎样品中STAT3的磷酸化水平显著降低，CaMK2γ基因敲除小鼠结肠组织中与细胞存活和增殖有关的几种STAT3靶基因的表达降低。抑制CRC细胞系中CaMK2γ的表达也抑制了IL-6诱导的STAT3磷酸化[20]。可见，CaMK2γ基因敲除可能通过抑制IL-6诱导的STAT3活化来抑制结肠上皮细胞的存活和增殖。说明结肠炎相关性结肠癌(CAC)与该信号通路的失调密切相关，但仍然需要进一步研究来确定CaMK2γ和STAT3激活之间的分子关系。

3.3 ERK1/2和p38信号通路 p38的激活介导炎症和细胞凋亡，细胞外调节激酶1/2(ERK1/2)的活性主要与细胞增殖和分化有关[21]。在神经元中，抑制CaMKⅡ活性可以抑制ERK1/2和p38磷酸化[22]。研究表明，CaMKⅡ是结肠癌细胞增殖、迁移和侵袭的必需品。通过使用CaMKⅡ抑制剂KN93可以显著降低ERK1/2和p38磷酸化，而ERK1/2或p38的特异性抑制阻止了HCT116细胞的增殖、迁移和侵袭[23]。证明CaMKⅡ可通过ERK1/2和p38依赖性途径介导结肠癌的增殖和迁移。但其具体机制尚未可知。

3.4 丝裂原激活的蛋白激酶(MAPK)信号通路 MAPK信号通路调节许多细胞功能，包括细胞增殖和凋亡。MAPK信号传导可以介导微小RNA(miRNA)，通过信使RNA的翻译抑制或降解来调节基因表达。许多其他miRNA已与免疫应答的各种成分相关联。MAPK信号通路中大约41%的基因在CRC中表达失调，包括EPK1/EPK2、c-Jun-N-末端激酶(JNKs)、p38和EPK5上游和下游的基因失调，提示MAPK信号通路可能参与了CRC发生发展[24]。CaMKⅡ的下游靶标之一是c-Src，c-Src是一种非受体结合的酪氨酸蛋白激酶，该蛋白与结肠癌、乳腺癌和前列腺癌的发生发展有关。结肠癌中c-Src水平增加了5～8倍。最重要的是，CaMKⅡ对c-Src的激活与EGFR的反式激活以及随后在血管平滑肌细胞中的MAPK信号传导有关。研究表明，钙调节的EGFR-MAPK激活是通过CaMKⅡ介导的[25]。MAPK途径是CaMKⅡ调控的重要下游靶标之一[26]。3个主要的MAPK途径是EPK1/EPK2、JNKs和p38[27]。因此，在CRC的发生发展中可能共同存在CaMKⅡ介导MAPK信号通路、EPK1/2和p38信号通路，且相互交叉影响。

3.5 Wnt/β-Catenin信号通路 腺瘤性息肉病抑癌基因的失活启动了肿瘤的形成并调节了Wnt/β-Catenin转导通路控制细胞增殖、黏附和转移。Wnt信号的失调是CRC发生的关键分子事件。Wnt信号被多个Wnt配体激活，并通过规范途径或非规范途径进行信号传递。据报道，非经典的Wnt信号传导介导癌细胞的侵袭和转移[28]。部分Wnt(Wnt5A、Wnt11)无法稳定β-Catenin，还可诱导各种途径的激活，如蛋白激酶C(PKC)、CaMKⅡ和JNK，并通过非规范途径进行信号传递。在HCT116细胞系中，利莫那班通过上调Wnt5A以及激活CaMKⅡ来增加非经典Wnt/β-Catenin途径的活性[29]。有研究表明,CRC细胞中分泌前梯度蛋白2(AGR2)可上调Wnt11表达，激活CaMKⅡ和JNK来调节CRC迁移。因此，该Wnt11-CaMKⅡ途径(非经典Wnt信号传导)在介导分泌AGR2增强的CRC细胞迁移、侵袭中起关键作用[30]。故Wnt/CaMKⅡ信号的激活可能是驱动CAC发生的重要信号途径之一。

CRC是消化系统常见的恶性肿瘤，其发生和发展涉及多个基因、途径和阶段。尽管早期筛查策略如结肠镜检查、改进的手术方法和术后化疗已在临床实践中广泛使用，但CRC的病死率仍然很高。因此，为进一步提高CRC患者的生存率，迫切需要寻找新的检测指标及治疗靶点。CaMKⅡ在大肠癌中过表达，并在分化较差的大肠肿瘤中高表达，可直接或间接影响NF-κB、STAT3、EPK1/2、p38、MAPK和Wnt/β-Catenin等信号通路传导，其导致大肠癌发生发展和增殖侵袭的机制错综复杂、相互影响，在疾病的诊断、治疗与预后等方面的潜在价值仍有待研究。随着对CaMKⅡ的深入研究，可为CRC临床合理用药提供新的思路。