岩藻糖基化与肿瘤多药耐药

冯 博刘姿宇李 月刘立琨岳丽玲*

(1.齐齐哈尔医学院药学院,黑龙江 齐齐哈尔 161006;2.齐齐哈尔医学院医药科学研究院,黑龙江 齐齐哈尔 161006)

糖基化是在酶的控制下,蛋白质或脂质附加糖类的过程,起始于内质网,结束于高尔基体。糖基化的异常改变能够促使肿瘤相关糖蛋白通过主动分泌释放入血,可作为一类非常理想的血清肿瘤生物标记物[1]。蛋白质糖基化作为细胞内一种常见的翻译后修饰[2],对多种蛋白质的结构和功能产生影响。最近的研究表明,蛋白质糖基化的异常改变与多种肿瘤的多药耐药(multidrug resistance,MDR)表型密切相关[2]。

岩藻糖基化是蛋白质糖基化作用的一种重要形式,与肿瘤的恶性进展密切相关[3]。同时,有研究表明参与糖基化的酶即糖基转移酶(glycosyltransferase, GTs)在正常细胞和肿瘤细胞之间存在差异表达。一般情况下,肿瘤细胞中唾液酸转移酶和岩藻糖基转移酶的活力升高,而半乳糖基转移酶和乙酰氨基葡萄糖基转移酶的活力降低。使用化学药物治疗是肿瘤综合治疗过程中的一种重要手段,但肿瘤细胞在化学药物的作用下极易产生多药耐药导致化疗失败。本文重点就岩藻糖基化修饰在肿瘤多药耐药中的作用进行综述与分析,以期对指导临床化疗与研究提供参考。

1 岩藻糖基化与岩藻糖基转移酶家族

岩藻糖(fucose, Fuc)是细胞内的一种单糖,岩藻糖基化(fucosylation)是糖基化的一种表现形式,是在酶的控制下蛋白质或脂质附加上Fuc的过程。在结构上,聚糖中的岩藻糖分为三类:核心岩藻糖、Lewis表位和O-岩藻糖(O-FUT)。核心岩藻糖以N-聚糖核心形式存在;Lewis表位在N-、O-聚糖或糖脂的非还原性末端表达;O-FUT是通过将岩藻糖直接添加到多肽链中合成的。这些岩藻糖基化聚糖对于维持免疫和发育在内的多种细胞正常功能至关重要。此外,岩藻糖基化聚糖的异常表达或缺陷与疾病的发生发展密切相关,如慢阻肺、肿瘤和先天性糖基化障碍[4-5]。

鸟苷二磷酸岩藻糖(GDP-L-fucose)是岩藻糖基化过程中的唯一底物,合成方法包括从头合成和补救合成。从头合成是岩藻糖合成中最重要的方法。D-葡萄糖是从头合成路线的底物,L-葡萄糖是补救合成路线的底物,两个途径经过一系列反应后都会生成GDP-L-fucose,进入高尔基体内,在酶的催化下最终完成整个岩藻糖基化过程。在此过程中,涉及到几个限速酶:将鸟苷二磷酸甘露糖(GDP-Dmannose)转化为GDP-L-fucose的GDP-L-岩藻糖合酶(Tissue specific transplantation antigen P35B, TSTA3,FX)以及在高尔基体中反应的限速酶—岩藻糖基转移酶(Fucosyltransferase,FUTs)。而在FUTs家族中,包括四个子家族,即α-1、2链接对应的FUT1和FUT2,α-1,3、α-1,4链接对应的FUT3、FUT4、FUT5、FUT6、FUT7、FUT9、FUT10和FUT11,α-1,6键对应FUT8和蛋白质O-FUT(包括POFUT1和POFUT2两种亚型),其中FUT8是FUTs家族中唯一催化核心岩藻糖基化的酶[6]。

由FUTs家族催化的岩藻糖基化是糖蛋白重要的功能调控方式,直接影响细胞一系列生物学特性,研究表明,岩藻糖基化的异常改变通常与FUTs家族关系密切,且与肿瘤进展相关。FUT4过表达可促进恶性肿瘤细胞的增值,而FUT7过表达可促进肝癌细胞生长,增强肝癌细胞凋亡敏感性[7];FUT3和FUT6表达降低抑制结肠癌细胞增殖[8];FUT4高表达促进肺癌侵袭、迁移、上皮-间质转化和细胞粘附,与肺腺癌患者的总体存活率低相关[9];FUT7具有高底物专一性,其通过合成唾液酸化的路易斯寡糖-X抗原(sialyl Lewis-X,sLeX)而促进肿瘤细胞增殖、上皮-间质转化以及细胞迁移和侵袭[10-11]。FUT6和FUT8在肝癌细胞中高表达,与肿瘤的恶性进展呈正相关[12]。在肺癌、乳腺癌等多种肿瘤中,FUT8基因以及核心岩藻糖修饰水平都有着明显的升高[13],并且在肝癌和肺癌患者血清中可以检测到显著增加的核心岩藻糖修饰,表明核心岩藻糖基化可能为肿瘤的早期检测提供新的循环生物标志物[14-15]。

2 岩藻糖基化与多药耐药

众所周知,在恶性肿瘤细胞接触一种抗癌药后,继而对两种甚至更多的结构不同、作用机制各异的其他抗癌药产生耐药现象,这种现象被称为多药耐药(MDR),而对于多数癌症的治疗来说MDR仍然是一大难关,已经成为癌症化疗失败的重要原因。越来越多的研究支持蛋白质糖基化在肿瘤耐药中发挥重要作用[16]。

2.1 肺癌

吉非替尼(Gefitinib)是一种常用的肺癌化疗药物,它是一种表皮生长因子受体-酪氨酸激酶(epidermal growth factor receptor tyrosine kinase, EGFR-TK)抑制剂,是非小细胞肺癌(non small cell lung cancer, NSCLC)的一线治疗药物[17],这种药物的初始效果是比较让人满意的,但是在治疗后1～2年内会显现出耐药性,导致最终治疗效果不佳和预后不良[18]。值得注意的是,在酪氨酸激酶抑制剂耐药的肺癌细胞中,表皮生长因子受体(EGFR)的核心岩藻糖基化增加了EGF介导的细胞生长和对吉非替尼的敏感性[19],表明EGFR岩藻糖基化状态可能是决定吉非替尼敏感性的一个重要因素。P-糖蛋白(P-glycoprotein,P-gp)是经典的肿瘤耐药相关分子,研究表明,糖基化修饰可通过稳定P-gp蛋白功能活性构象、增加细胞膜定位等机制,增强P-gp蛋白外排能力,最终导致肿瘤细胞耐药性的产生[20-21]。Ding等[22]证实在紫杉醇耐药肺癌A549/T细胞中FUT4和P-gp的表达远高于亲本A549细胞,是与耐药性相关的潜在治疗靶点,而倍半萜内酯可通过抑制肺癌细胞肺腺癌转移相关转录物1(metastasis-associated lung adenocarcinoma tran 1, MALAT1)/信号转导和转录激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3, STAT3)/FUT4轴和P-gp转运体克服紫杉醇耐药性。

2.2 乳腺癌

在乳腺癌的治疗中,化疗耐药仍然是临床治疗中的重要阻碍,如曲妥珠单抗(Trastuzumab)是乳腺癌治疗中的常用药物,这种药物主要用于治疗人表皮生长因子受体2(epidermal growth factor receptor 2, erbB-2, HER2)阳性表型的乳腺癌,可以降低手术患者的死亡风险,但是,多数患者会在治疗一年之内表现出耐药性[23]。有报道称一些乳腺癌不良预后的预测标志物在乳腺癌中的表达过度增加,这些标志物的表达升高可能与细胞的多药耐药性相关[24]。还有报道称FUT4调节的岩藻糖基化可促进乳腺癌细胞的多药耐药[25]。对乳腺癌T47D和T47D/ADR细胞的岩藻糖基转移酶基因表达谱分析表明,FUT4在阿霉素耐药细胞T47D/ADR中表达显著升高,并在体内外影响乳腺癌的耐药表型,其机制可能是miR-224-3p通过靶向FUT4介导了乳腺癌细胞的多药耐药。同时,FUT4的过表达也显著增强了T47D细胞对长春新碱、阿霉素和紫杉醇的耐药性[25]。

2.3 肝癌

肝癌的一线治疗药物索拉菲尼(Sorafenib),这是一种多靶点的激酶抑制剂,但是患者常在6个月内就产生获得性耐药性(区别于天然耐药,获得性耐药是指对药物治疗有初始反应,但在接受治疗后,肿瘤产生了耐药性,这可能与肿瘤微环境的改变有关),因而降低了药物的疗效[26-27];另一种治疗肝癌的药物多西紫杉醇,这种药物可以抑制肿瘤细胞的有丝分裂,有研究表明,FUT家族通过磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B(Phosphatidylinositol-3-kinase/protein kinase B, PI3K/Akt)信号通路介导人肝癌多药耐药,调节肝癌细胞对多西紫杉醇的敏感性;还有一种抗肿瘤的常见药物5-氟尿嘧啶(5-Fluorouracil, 5-FU),这种药物是通过抑制DNA合成发挥作用,但是对于5-FU而言,耐药性也是临床上亟待解决的问题,研究发现,FUT4、FUT6和FUT8的过度表达是肝癌BEL7402细胞和5-FU耐药BEL/FU细胞体外和体内耐药表型改变的原因,FUTs所介导的多药耐药是通过激活PI3k/Akt通路和多药耐药相关蛋白 1(multidrug resistance associated protein 1, MRP1)的表达增加肝癌细胞对5-FU的耐药性[28]。

2.4 卵巢癌

在卵巢癌的治疗中,顺铂(cisplatin, cDDP)是一线常用的药物,这种药物会对RNA、蛋白质、DNA都有不同程度的作用,会导致DNA损伤和细胞骨架结构的改变[29]。在使用铂类药物的治疗过程中,大多数患者效果良好,但是复发率高且复发后耐药性会大幅度提升[30]。有研究表明高核心岩藻糖基化抑制了铜转运蛋白1(copper transporter 1, CTRl)与cDDP之间的相互作用,从而影响了cDDP的摄取,导致cDDP耐药性的产生[31],而在耐cDDP卵巢癌患者血清中的CTR1核心岩藻糖基化水平显著增加,这对cDDP耐药患者的判断具有指导意义。晚期卵巢癌的治疗以紫杉醇联合铂类化合物为主[32],而癌细胞对于紫杉醇的耐药性也在近年来受到了广泛的关注,其中FUTs也可能通过抑制半胱氨酸蛋白酶(caspase)家族的激活来增强卵巢癌细胞的紫杉醇耐药性。此外,FUT1和FUT2的过度表达促进了人卵巢癌细胞的增殖和对5-FU、卡铂(Carboplatin,CBP)等抗癌药物的耐药[33]。

除上述列举的几种癌症外,其它癌症如前列腺癌、结肠直肠癌、胃癌、胰腺癌等在治疗过程中产生的多药耐药也是临床上影响患者生存和预后的重要阻碍,但其与FUTs家族的关系尚不完全明确。

3 岩藻糖类似物与含岩藻糖的天然药物

3.1 岩藻糖类似物

岩藻糖类似物(fucose analogues)是一类用化学修饰的方法对岩藻糖进行结构改造后得到的与细胞内岩藻糖结构相似的产物,这类物质可以用来标记识别细胞内的岩藻糖基化,更重要的是,现今开发出的一些岩藻糖类似物可能对细胞内岩藻糖异常糖基化有抑制作用,达到抗肿瘤增值或侵袭的目的。

随着对细胞内Fucosylation研究的逐渐深入,对于Fucose analogues的研究也逐渐火热。2016年,Kizuka等[34]发现7-炔基-Fuc(7-Alk-Fuc)在细胞中可以标记岩藻糖且细胞毒性较低;2017年他们又报道了6-Alk-Fuc可被广泛用作岩藻糖基化检测的探针,在研究中发现,它还是一种有效地岩藻糖基化抑制剂(fucosylation inhibitor),可以有效的抑制细胞内的岩藻糖基化进程,且其效力强于2-脱氧-2-氟-L-岩藻糖(2-Deoxy-2-fluoro-L-fucose, 2-F-Fuc, 2FF)[4]。这种抑制剂直接作用于FX阻止肝癌的侵袭,说明岩藻糖基化对于癌症的早期诊断和治疗具有潜在的用途[4]。

2-F-Fuc是一种含氟基的岩藻糖基化抑制剂,可以影响细胞的迁移和侵袭能力。给小鼠注射2-FFuc后,细胞的Fucosylation水平降低,肿瘤细胞的生长受到显著抑制,用高浓度2-F-Fuc培养的CHO细胞核心岩藻糖基化显著降低[35]。研究表明,过乙酰化的2-F-Fuc处理后TSTA3表达降低,其原因可能是通过补救途径从2-F-Fuc积累的GDP-2F-Fuc通过负反馈回路关闭了GDP-L-岩藻糖的从头合成,从而导致核岩藻糖基化结构的减少,并证明岩藻糖基化抑制剂可通过阻断食管鳞状细胞癌(esophageal squamous cell carcinoma, ESCC)异常岩藻糖基化抑制肿瘤转移[36]。同时,Fucosylation抑制剂在动物试验中也显示出效用,如2-F-Fuc治疗的小鼠血清含有更有效地介导肿瘤细胞溶解的非岩藻糖基化抗体(Non fucosylated antibody)(岩藻糖基化抗体是指在岩藻糖基化相关酶的催化下在抗体蛋白上加入岩藻糖,非岩藻糖基化抗体则与之相对),2-F-Fuc治疗小鼠外周血中产生的肿瘤特异性I型T细胞可增强抗肿瘤活性,所以,口服2-F-Fuc可以抑制或预防小鼠的癌症发展,表明在癌症预防或辅助治疗方面有潜在的用途[37]。还有一种6-三氟代甲基岩藻糖(6,6,6-3F-Fuc)也可以在一定程度上阻断细胞内的Fucosylation[38]。6,6,6-3F-Fuc通过降低细胞中表达的重组抗体岩藻糖基化程度,抑制GDP-甘露糖4,6脱氢酶(GDP-mannose4,6-dehydrogenase, GMD)在Fuc从头合成中的活性[39]。

3.2 岩藻糖的天然药物

海参硫酸软骨素(sea cucumber chondroitin sulfate, SC-CHS)是一种海参多糖,研究发现,SCCHS作为一种带有岩藻糖支链的天然酸性黏多糖,硫酸化程度高,有着不同于其它动物体内硫酸软骨素的生物活性。在很早的研究中发现,SC-CHS具有抗凝血作用,这种作用依赖于其成分中的岩藻糖支链和硫酸酯含量较高,这两种成分正是SC-CHS发挥作用的关键。

近年来的研究发现,刺参硫酸软骨素也能显著抑制小鼠乳腺癌细胞的生长,动物实验表明,它能抑制肿瘤细胞向小鼠肺组织的转移。研究还表明,海参硫酸软骨素经化学处理后,体内外对岩藻糖支链的抑制作用消失,表明岩藻糖支链在海参硫酸软骨素的生理活性中起着关键作用[40]。还有研究表明,SC-CHS具有体外抗肿瘤活性、促进细胞凋亡、抗肿瘤转移以及抑制肿瘤血管新生的作用,而在小鼠体内实验中也具有抑制肿瘤生长和转移的作用[41]。这些研究为含岩藻糖药物对肿瘤的抑制作用提供了实验依据,为研究含岩藻糖药物是否可能通过抑制肿瘤细胞中的岩藻糖基化对肿瘤MDR产生抑制作用开拓了新的思路,为开发新的抗肿瘤生物因子提供了理论依据。

4 小结和展望

总的来说,糖基化作为蛋白翻译后修饰的方式之一,参与肿瘤细胞对化疗药物的泵出、摄入及吸收代谢,细胞凋亡、DNA损伤修复、上皮细胞-间充质转化(epithelial mesenchymal transformation, EMT)等多种肿瘤耐药机制[42]。尤其是近年来对于FUTs家族的关注更加广泛,它们通过多种信号通路及机制促进肿瘤细胞的MDR,导致患者治疗效果不佳或预后不良,为临床治疗增加了难度。

虽然在体外实验中,对岩藻糖基化抑制剂的研究显示其对肿瘤MDR有一定的抑制作用,但仍然需要更多的体内实验来证明药物的效果和安全性。含岩藻糖的天然药物和岩藻糖基化抑制剂作为有潜力的抗肿瘤药物,有望为继续研究蛋白质糖基化修饰与肿瘤MDR的分子机制以及两者之间的关联提供更好的选择,也可为开发新的肿瘤分子靶点、肿瘤临床疗效评定、治疗肿瘤MDR提供更好的策略。