脂肪动员过程中3种关键酶与肿瘤的相关性研究进展*

许 帅,张 明,高 鑫,任聪聪 综述,赵 静△ 审校

1.河北北方学院研究生学院,河北张家口 075000;2.河北省人民医院肿瘤科,河北石家庄 050051;3.宁夏医科大学研究生学院,宁夏银川 750004

代谢重新编程是细胞恶性转化的标志之一[1],以满足肿瘤细胞无节制增殖时能量、物质需求。脂质代谢对维持细胞稳态必不可少,同时在肿瘤进展过程中也发挥着重要作用。活跃的脂代谢过程中产生大量脂质,为肿瘤细胞提供了生物膜结构的基本原料分子、营养支持和能量供给,并合成多种促癌信号分子,从而促进肿瘤细胞的生长增殖、迁移以及侵袭[2-4]。脂肪动员过程失调或该过程中的酶表达异常,均可能是促进肿瘤进展和转移的新机制。本文就脂肪动员过程中的3种关键酶在多种恶性肿瘤中的相关研究进行总结,旨在探索脂肪动员过程中抗肿瘤治疗的新理论和新方向。

组织中的脂肪酸(FA)大多以甘油三酯(TAG)的形式储存在于称为脂滴(LD)的细胞器中,LD存在于所有细胞中[5]。LD合成和分解对细胞中的脂质代谢具有重要意义。脂肪动员过程中的3种关键酶分别为脂肪甘油三酯脂肪酶(ATGL)、激素敏感脂肪酶(HSL)和单酰甘油脂肪酶(MAGL)[6]。体内储存的脂质通过脂肪动员过程进行分解代谢,TAG在3种脂肪酶的催化作用下,依次水解释放出甘油及参与细胞内能量代谢和信号转导的游离脂肪酸(FFA)。ATGL通过将TAG水解为二酰基甘油(DAG)和FFA来启动TAG代谢过程;之后,HSL将DAG水解为单酰基甘油(MAG)和FFA;最后,由MAGL将MAG进一步分解为FFA和甘油[6]。

1 ATGL与肿瘤

ATGL是一种能够水解TAG的酶,属于patatin样磷脂酶结构域(PNPLA)家族的成员,由PNPLA2基因编码[6]。ATGL催化位点由二元体组成,包括位于蛋白质N端patatin结构域内丝氨酸47和天冬氨酸166及C端疏水性脂滴结合区[2]。ATGL在脂肪组织中高表达,在其他组织中表达较低。ATGL是TAG降解起始步骤的关键酶,对TAG具有较高的底物特异性,作为脂质分解代谢的关键因素,ATGL对维持全身能量稳态具有重要作用。

ATGL主要位于富含TAG的细胞内LD中,其活性受多种辅助因子的调节。比较基因组学鉴定蛋白58(CGI-58)是细胞内脂解激活剂,作为ATGL辅助因子,直接与ATGL结合并激活其活性[7]。周脂蛋白(PLINs)家族是主要的LD相关蛋白,在脂肪组织中高表达,基础条件下可封存CGI-58来调节脂肪分解,脂肪分解刺激条件下能够释放CGI-58以促进ATGL活性[8]。G0/G1开关基因2能抑制ATGL活性,通过与ATGL patatin结构域相互作用来抑制ATGL活性,从而抑制脂解过程[9]。另外,低氧诱导脂滴相关蛋白(HILPDA)可直接与ATGL蛋白结构域结合,抑制ATGL活性[9]。

有研究表明,缺乏ATGL的小鼠肺部可形成肿瘤,脂肪特异性破坏ATGL和HSL活性,导致小鼠脂肪肉瘤形成[10-11]。HONEDER等[12]研究发现,敲除ATGL基因的肺癌细胞株生长速度与对照组相比显著增加。研究发现,敲低ATGL可激活PI3K/Akt通路和抑制AMPK/p53通路,促进结肠癌和宫颈癌细胞增殖[13-14]。AL-ZOUGHBL等[10]发现,在良性平滑肌瘤中ATGL表达与正常平滑肌组织相符,而在肺腺癌、肺鳞状细胞癌、胰腺导管腺癌、平滑肌肉瘤等组织中ATGL表达较低,并且发现非小细胞肺癌(NSCLC)和平滑肌肉瘤较低的生存率与肿瘤组织中ATGL表达较低呈正相关。相反地,体外实验研究表明,ATGL敲除后肝癌细胞、结肠癌细胞和前列腺癌细胞的增殖和侵袭能力下降,可能机制是ATGL缺失导致TAG堆积,同时诱导上皮间质细胞转化,AMPK信号传导受到影响,导致细胞凋亡[15-17]。

与正常乳腺上皮细胞相比,侵袭性乳腺癌细胞中ATGL表达增加[18]。细胞内ATGL和TAG水平的升高,能够增加乳腺癌和胰腺导管腺癌中TAG衍生FA的速率,提示ATGL能使在富含脂质微环境中生长的肿瘤细胞FA生成增加,为肿瘤细胞提供构成生物膜原料及能量供给,导致肿瘤细胞增殖和侵袭能力增加[18]。同样,IFTIKHAR等[19]研究发现,在结肠癌患者中,肥胖患者肿瘤组织ATGL表达水平显著增高,并通过细胞实验进一步表明,抑制结肠癌细胞中ATGL表达阻碍了LD的利用,导致细胞周期停滞,有效地减弱了肥胖介质促进的肿瘤细胞生长。

ATGL催化TAG脂解在肿瘤细胞生物学中的作用是复杂多样,可能与肿瘤类型和肿瘤发生部位有关。针对ATGL的研究目前只是初步探索并且尚存在争议。因此,需要更多的研究来探索ATGL在不同肿瘤的表达,以及其在肿瘤发生、发展中的作用,以便于将来开发针对相关蛋白的抗肿瘤药物。

2 HSL与肿瘤

HSL由位于人类19号染色体q13.2区域的LIPE基因编码,是脂肪动员过程中水解DAG的关键酶。HSL作用底物较为广泛,能够催化TAG、DAG、胆固醇酯和视黄酯等底物的水解[20]。但HSL对DAG的亲和力比TAG高10倍,优先催化DAG水解。在脂肪动员过程中,HSL易位到脂滴表面并与ATGL和MAGL一起参与TAG水解,促进脂肪分解和FA释放。促脂解激素和抗脂解激素,如儿茶酚胺和胰岛素,可通过调节环腺苷酸(cAMP)细胞内水平调控HSL活性[20]。

BALABAN等[21]研究发现,HSL过表达能促进乳腺癌发生,其原因可能是乳腺富含大量脂肪组织,HSL通过脂解作用为乳腺癌细胞生长增殖提供大量外源性FA。另有研究显示,2,4-二烯酰辅酶A还原酶过表达能够增加HSL活性,使FA释放增加,并促进宫颈癌细胞生长[22]。肿瘤细胞周围存在的脂肪细胞能够增加肿瘤细胞中ATGL和HSL表达,将人脂肪细胞与卵巢癌细胞共同培养后,HSL活性被激活,加速肿瘤细胞内的脂肪动员过程,FA释放增加,促进卵巢癌细胞增殖[18]。

相反,大鼠肉瘤病毒癌基因(KRAS)通过MAPK/ERK信号通路下调HSL活性来控制LD的储存和利用[23]。KRAS下调HSL表达后,导致胰腺导管腺癌细胞中LD累积。累积的LD对肿瘤细胞增殖、转移以及侵袭具有促进作用[24]。HSL重新表达时会脂解LD中储存的脂质,释放出大量脂肪酸,将细胞代谢转变为上调的氧化代谢并减少糖酵解,逆转致癌KRAS对肿瘤的促进作用[23]。另外,WU等[11]研究发现,缺乏HSL和ATGL的小鼠中,其棕色脂肪组织易发展为脂肪肉瘤。

癌症相关恶病质是一种严重威胁生命健康的消耗状态,其特征是脂肪组织和肌肉非正常消耗[25]。常规营养支持无法完全逆转这种情况,并导致进行性功能障碍。研究表明,恶病质肿瘤患者的脂肪细胞中HSL表达水平较高,对儿茶酚胺敏感性比非恶病质肿瘤患者高2～3倍,导致脂肪分解增加,释放FA增加,过多的FA进入线粒体进行氧化磷酸化,为肿瘤细胞生长提供能量[26]。小鼠模型试验表明,HSL缺乏可预防癌症相关恶病质小鼠模型中脂肪组织和肌肉丢失[27]。

但目前针对HSL与肿瘤发生发展研究相对较少,需要更加深入的研究来探讨HSL与肿瘤以及相关恶病质的机制,靶向HSL抑制有望成为肿瘤恶病质患者早期治疗策略。

3 MAGL与肿瘤

MAGL是一种普遍存在的相对分子质量为33 000的酶,其基因位于人类染色体3q21.3上。MAGL是细胞质中一种可溶性酶,属于丝氨酸水解酶超家族[6]。MAGL是TAG分解代谢最后一步反应的关键酶,在催化MAG水解成甘油和FA方面起着至关重要的作用。MAGL还可将2-花生四烯酸甘油(2-AG)水解为花生四烯酸,2-AG是一种重要的内源性信号脂质,可激活大麻素受体(CB1R和CB2R),同时也是二十碳烯酸信号通路的重要脂质前体[28]。药理学研究表明,MAGL在炎症、疼痛、神经保护、神经退行性疾病、代谢紊乱和肿瘤等病理和生理过程中发挥着重要作用[29],有望成为各类疾病的治疗靶点。

MAGL调控脂质代谢过程中FA释放,调节具有致癌信号FA网络,从而促进肿瘤细胞增殖、迁移以及侵袭。在前列腺癌细胞及鼻咽癌细胞中MAGL表达较高,敲除MAGL或抑制其活性,能够降低肿瘤细胞的侵袭和迁移能力[30-31]。利用小干扰RNA(siRNA)抑制子宫内膜癌细胞中MAGL活性,能够降低细胞周期蛋白D1(CyclinD1)和Bcl-2的蛋白表达水平,降低肿瘤细胞增殖能力,诱导肿瘤细胞凋亡,导致细胞周期停滞[32]。有研究表明,在乳腺癌、恶性黑色素瘤、卵巢癌、肝细胞癌、结直肠癌等多种侵袭性肿瘤细胞中MAGL表达增高[33-36],通过敲除MAGL表达或抑制MAGL活性,均可诱导肿瘤细胞中FA、溶血磷脂酸和前列腺素的减少,从而导致肿瘤细胞的增殖及侵袭性降低[37]。在非侵袭性肿瘤中,上调MAGL基因表达,能提高肿瘤细胞侵袭性及FA水平。抑制肿瘤细胞MAGL的表达或活性后,通过补充外源性FA可以恢复肿瘤细胞的增殖和侵袭性,提示MAGL通过调控FA水平来影响肿瘤细胞的增殖和侵袭。然而,SZEREMETA等[38]研究表明,神经母细胞瘤细胞中MAGL表达较低。另有研究发现,肺癌组织中MAGL表达较正常组织相比明显降低,缺乏MAGL的小鼠肺组织高级别不典型增生,更容易发展为浸润性肺腺癌[39]。但之后一项研究结果显示,MAGL在肺腺癌组织中高表达,并与肿瘤进展及预后不良有关,MAGL敲除后肺腺癌细胞的体外体内增殖和转移均受到抑制[40],与其下调肺腺癌细胞中CyclinD1和CyclinB1有关,同时还发现敲除MAGL可抑制细胞基质金属蛋白酶14(MMP14)表达,MMP14在多种肿瘤进展过程表达较高,MMP14和MAGL高表达的肺腺癌组织与其较低的总体生存率具有相关性[41]。

目前MAGL在肿瘤发生和进展中的作用存在争议,有研究认为,MAGL是一种潜在的肿瘤抑制因子,对肿瘤细胞集落形成有抑制作用[42];有研究显示,在同类型肿瘤细胞中高表达和低表达MAGL表现出不尽相同的生物学行为。因此,仍需要更多研究来探索MAGL在人类恶性肿瘤中的作用机制,为今后靶向MAGL抗肿瘤治疗提供依据。脂肪动员过程中的3种关键酶与肿瘤相关研究总结见表1。

表1 脂肪动员过程中的3种关键酶与肿瘤相关研究总结

4 展望与小结

代谢重编程是恶性肿瘤细胞的标志性特征之一。靶向肿瘤细胞代谢是抗肿瘤治疗药物研发的方向和重点之一。脂质分解代谢是除葡萄糖代谢和氨基酸代谢外的另一个关键影响因素,它通过复杂的机制影响肿瘤发生及疾病进展。本文通过对脂肪动员过程中3种关键酶与肿瘤相关研究进行总结,发现3种关键酶均具有调控脂肪代谢过程中FFA释放,调节具有致癌信号的FA网络,从而影响肿瘤细胞的生物学行为的特点;同时还发现,3种关键酶即使在同种肿瘤细胞中,高表达和低表达表现出不尽相同的生物学行为。因此,仍需要进一步深入研究脂解过程3种关键酶在肿瘤中的分子作用机制。随着后续对其机制深入的研究和探讨,脂肪动员过程中的关键酶有望成为肿瘤治疗新的靶点及治疗策略,并为抗癌药物的研制提供新方向。