HIF-1α在乳腺癌发生发展中的作用①

孟 越,田 晶

(桂林医学院,广西 桂林 541199)

乳腺癌是女性最常见的恶性肿瘤之一,2018年全球癌症流行病学统计分析显示,乳腺癌位居女性恶性肿瘤发病首位。我国属于乳腺癌低发国,但其发病率呈逐年增长的趋势,且发病年龄年轻化[1]。肿瘤的侵袭转移及治疗后的复发是导致乳腺癌患者死亡的主要原因,约有6.00%的乳腺癌患者在初次诊疗时已发生了转移,而超过90.0%的患者死于肿瘤的转移[2]。

肿瘤生长迅速,其新生血管网存在功能与结构异常,无法满足癌细胞对氧的需求。因此,绝大部分实体肿瘤存在的微环境缺氧,这与肿瘤生长、浸润、转移等密切相关。在缺氧条件下,肿瘤细胞可通过激活一系列的信号通路和分子,以适应微环境的改变,导致肿瘤细胞的侵袭转移能力和对放化疗的抵抗能力增强,其中,缺氧诱导因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α,HIF-1α)是缺氧微环境下,肿瘤细胞产生缺氧适应性反应的关键转录调控因子。研究表明,在正常乳腺组织中HIF-1α的表达很低甚至不表达,而在乳腺肿瘤组织中HIF-1α的表达上调,且在转移癌患者中的表达高于未发生转移的患者,提示其与乳腺癌的发生和发展密切相关[3]。

1 HIF-1α的结构与功能

HIF-1是由HIF-1α和HIF-1β两个亚基组成的异源二聚体,HIF-1β亚单位是HIF-1的结构亚基,编码基因定位于人第1号染色体q21区,并在细胞内持续稳定表达。HIF-1α为功能性亚基,全长826个氨基酸,编码基因定位于人第14号染色体q21-24区[4]。正常情况下(组织、细胞所在环境的氧含量8.00%~10.0%),HIF-1α的半衰期极短,合成后迅速被脯氨酸羟化酶(prolyl hydroxylases,PHDs)羟基化,随后被泛素蛋白酶的连接酶VHL(von hippel-lindau)识别、泛素化,然后降解,失去功能;缺氧时(氧含量≤2.00%),PHDs羟化活性下降,HIF-1α稳定,移位至细胞核内,并与HIF-1β二聚化,形成HIF-1分子;HIF-1与基因组中相应靶基因序列的缺氧反应元件(hypoxia response elements,HREs)结合,调节下游多种基因的转录,如:血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、己糖激酶(hexokinase,HK)、磷酸葡萄糖异构酶(phosphoglucoseisomerase,PGI)、M2型丙酮酸激酶(pyruvate kinase M,PKM2)、乳酸脱氢酶A(lactate dehydrogenase A,LDHA),参与癌生长、转移、能量代谢、新生血管的生成,以及放化疗抵抗等[2]。

2 HIF-1α在乳腺癌中的作用

2.1 促进肿瘤细胞的上皮间质化

随着医疗水平的提高,乳腺癌患者的生存率明显提高,但远处转移患者的死亡率仍然很高。临床资料统计、分析表明,未发生转移的乳腺癌患者,5年生存率可高达93.0%;发生肿瘤转移的患者,5年生存率仅为22.0%[5]。可见,阻止癌细胞的侵袭转移是改善乳腺肿瘤患者预后的关键环节。上皮细胞间质化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)是上皮细胞来源的恶性肿瘤细胞获得迁移和侵袭能力的重要途径,这个过程包括波形蛋白表达上调,E-钙黏蛋白、角蛋白表达下调。秦优优等[6]发现,乳腺癌组织中HIF-1α表达升高,而E-钙黏蛋白表达降低,与乳腺癌临床分期、组织学分级和腋窝淋巴结转移密切相关,且两者在乳腺癌中的表达负相关。采用siRNA敲低高侵袭性乳腺癌细胞MDA-MB-231中HIF-1α表达,波形蛋白磷酸化水平降低,癌细胞侵袭和迁移能力降低[7]。敲除HIF-1α的MCF-7和MDA-MB-231乳腺癌细胞,裸鼠的成瘤时间延长、瘤体减小、成瘤率降低,移植瘤中EMT标志物E-钙黏蛋白、β-连环蛋白表达升高,波形蛋白表达下降。提示HIF-1α可促进EMT的发生,参与乳腺癌的侵袭转移。

微环境缺氧是恶性实体瘤的一个基本特征。缺氧条件下,HIF-1α可诱导多种上皮-间质转化诱导转录因子,与TWIST启动子中的缺氧反应元件(HREs)直接结合后,激活乳腺癌细胞中Twist1的表达[6]。此外,HIF-1α可通过调控集落刺激因子1(CSF-1)/集落刺激因子1受体(CSF-1R),诱导乳腺癌细胞从EMT向混合上皮/间质表型转变,从而促进癌细胞迁移[8]。下调HIF-1α可降低乳腺癌细胞中Snail和Twist1的表达,抑制乳腺癌细胞的侵袭[9]。

2.2 促进肿瘤新生血管生成

血管内皮生长因子(VEGF)可促进肿瘤组织的新生血管生成,以满足瘤组织的氧和营养需求[10]。崔伟伟[11]研究发现,碱性螺旋-环-螺旋转录因子2(sohlh2)作为上游负性调控因子,可通过抑制HIF-1α表达,下调血管生成相关因子VEGF、Angpt14的合成和释放,抑制乳腺肿瘤细胞的增殖和血行转移。De Francesco等[12]研究发现,胰岛素样生长因子1(insulin-like growth factors-1,IGF-1)可通过IGF-1/IGF1-R轴诱导HIF-1α表达,下游靶G蛋白偶联雌激素受体(gprotein-coupled estrogen receptor1,GPER)和VEGF表达升高,促进血管内皮细胞增殖和肿瘤血管生成。可见,作为VEGF的上游调控因子,HIF-1α通过正向调控VEGF表达,促进肿瘤新生血管生成和乳腺肿瘤的发生、发展。

2.3 参与能量代谢

葡萄糖代谢是机体能量的主要来源,包括氧化磷酸化和糖酵解两种形式。正常细胞往往通过前者供能,而肿瘤细胞,即使在有氧的环境中,主要仍由糖酵解供能。肿瘤细胞优先通过糖酵解产生乳酸和ATP的过程称为“有氧糖酵解”(即Warburg效应),这为肿瘤细胞的生长提供了有利的酸性微环境,诱导癌细胞侵袭转移[13]。Fu等[14]研究发现,HIF-1α可与糖酵解关键酶磷酸甘油酸激酶(PGK1)形成一个正向的前反馈环路,刺激乳腺癌的发生和转移。干扰磷酸葡萄糖异构酶(phosphoglucose isomerase,PGI),可抑制乳腺癌细胞MCF-7中HIF-1α的表达,削弱PI3K/AKT/mTOR信号通路,糖酵解相关酶(如:HKII、PKM2和LDHA)的表达减少,癌细胞的有氧糖酵解进程受阻,ATP生成减少,降低乳腺癌细胞的能量代谢[15]。以含溴结构域的蛋白BRD7诱导HIF-1α泛素化,HIF-1α降解,糖酵解关键酶LDHA表达下调,乳腺癌细胞的糖酵解途径受阻,癌细胞的侵袭能力下降[16]。相反,当以核因子E2相关因子2(NRF2),一种氧化还原敏感性转录因子,激活乳腺癌细胞中HIF-1α 活性,HK2、PFKFB3、PKM2和LDHA等糖酵解因子的表达升高,肿瘤组织的糖酵解作用增强[17]。

2.4 调控细胞凋亡

过表达HIF-1α可显著抑制“三阴性”乳腺癌MDA-MB-231细胞中上皮细胞相关因子的表达,如E-CAD、细胞角蛋白18(CK18)和CK19。CK18水平降低,可影响上皮细胞的成熟与分化,抑制肿瘤细胞凋亡,这就为临床治疗“三阴性”乳腺癌提供了新的靶点和策略[18]。竹叶提取物或PGI通过PI3K/Akt、MAPK/ERK通路,抑制乳腺癌MCF-7细胞中HIF-1α表达,癌细胞周期停滞在G2/M期,caspase-3表达升高,癌细胞发生凋亡[19]。

2.5 增强肿瘤细胞耐药性

肿瘤耐药是临床肿瘤治疗中的常见问题,也是抗肿瘤治疗失败的关键原因之一。Pan等[20]研究发现,通过激活AMPK,抑制HIF-1α-P-gp信号通路,十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)可下调多耐药基因1(multidrug resistancegene 1,MDR1)的表达,显著增强耐药乳腺癌细胞对阿霉素(DOX)的化学敏感性。而在HER2阳性乳腺癌靶向治疗中,HER2靶向抗体曲妥珠单抗的耐药性产生则与STAT3介导的HIF-1α-HES-1信号通路抑制密切相关[21]。针对ER阳性乳腺癌患者,ER拮抗剂他莫昔芬被广泛应用,但用药期间获得性耐药的出现导致部分患者癌症复发,甚至死亡。研究发现,他莫昔芬经HIF-1α介导,上调乳腺癌细胞中的上皮癌胚抗原1(lncRNA,UCA1)表达,引发癌细胞对他莫昔芬的耐药性;上调UCA1可减少HIF-1α的负性调控因子miR-18a表达,增加HIF-1α的表达,进一步诱导UCA1的表达,增强肿瘤细胞的耐药性[22]。Carlos等[23]研究发现,芳香化酶抑制剂来曲唑可激活癌细胞内HER2表达,通过PI3K/Akt/mTOR信号通路,激活下游靶点HIF-1α的表达,导致乳腺癌耐药蛋白(BCRP)表达上调,诱导癌细胞对来曲唑的耐药性。Wang等[24]应用HIF-1α抑制剂PX-478抑制HIF-1α表达,可恢复乳腺癌细胞MCF-7对多烯紫杉醇(DTX)的敏感性,这为乳腺癌的治疗提供了新策略。Hoda等[25]认为,肿瘤治疗中出现药物耐药性可能主要取决于肿瘤细胞类型和治疗中所用的化疗药物两个方面。研究中发现,在三阴性乳腺癌细胞MDA-MB-231中,敲除转录激活因子3(STAT3)基因,顺铂耐药性逆转,对HIF-1α的功能有明显抑制作用。因此,HIF-1α并不是MDAMB-231癌细胞发生顺铂耐药的原因。

综上所述,乳腺肿瘤组织中HIF-1α的表达升高,可抑制细胞凋亡,促进癌细胞上皮间质化、肿瘤新生血管的生成及细胞的有氧糖酵解,并且诱导肿瘤细胞耐药性。因此,HIF-1α逐渐被认为是肿瘤患者不良预后的独立危险因素,其表达水平的高低可以影响肿瘤患者的预后。因此,HIF-1α可作为抗乳腺癌治疗的分子靶点。