丙酮酸脱氢酶激酶4在肝细胞癌中的作用研究进展

黄丽银,斯 韬,梁 婷,覃正萍,刘湘慧

(1.广西中医药大学,广西 南宁 530200;2.广西中医药大学第三附属医院肿瘤科,广西 柳州 545001)

肝细胞癌(Hepatocellular carcinoma,HCC)是世界上最恶性的实体肿瘤之一,也是癌症相关死亡的第三大原因。由于其早期发病隐匿而难以诊断,发现时往往已发展到中晚期;而目前没有针对晚期肝癌的治愈性治疗。HCC的治疗仍是一个巨大的挑战。细胞能量代谢的改变是癌症的特征之一。近年来,癌症代谢在肿瘤研究中备受关注。PDK4作为细胞能量代谢的关键因子,与肿瘤的发生发展密切相关,近年来PDK家族的其他成员(如PDK1、PDK2和PDK3)在肿瘤进展中的作用和潜在机制已被广泛研究和了解;目前PDK4在HCC、胃癌等多种肿瘤疾病的发生发展中的功能和潜在的分子机制仍不清楚,现就近年来,PDK4在肝癌中的作用研究进展作一综述。

1 丙酮酸脱氢酶激酶

丙酮酸脱氢酶激酶(Pyruvate dehydrogenase kinases,PDKs) 是丙酮酸脱氢酶复合物(Pyruvate dehydrogenase complexes PDC) 的调节酶,其包括PDK1、PDK2、PDK3和PDK4四种亚型。PDC为位于线粒体基质的一种多酶复合物,其活化后可催化丙酮酸氧化脱羧,为三羧酸循环和脂质生物合成提供乙酰辅酶A(Acetoacetyl coenzyme A,COA)和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide adenine dinucleotide,NADH),在维持细胞线粒体能量代谢稳态中起到关键作用[1]。PDC的活性主要受其E1α组分丝氨酸残基的磷酸化调控,PDKs将其磷酸化灭活,丙酮酸脱氢酶磷酸酶(Pyruvate dehydrogenase phosphatase,PDP)使其去磷酸化激活。这两类调控酶的相对活性决定了PDHC丝氨酸残基磷酸化的程度,进而决定PDC的活性[2-3]。

PDKs不仅与很多代谢疾病关系密切,而且与许多恶性肿瘤的侵袭性、增殖性、抗凋亡作用和治疗抵抗有关[4]。PDK1-3的调节反映了细胞的即时能量需求,但PDK4体现了整个机体的能量平衡,并在过度运动[5]、饥饿[6]、胰岛素抵抗状态和糖尿病[7]期间上调。与其他PDK亚型相比,PDK4不仅具有致癌作用,还具有抑癌作用[8]。因此,PDK4在肿瘤发生发展中的作用仍需要进一步深入研究。

2 PDK4在肿瘤中的作用

PDK4作为能量代谢的关键调节因子,其介导的能量代谢方式改变与肿瘤的发生发展密切相关,贯穿始终。在癌细胞发生的初期,PDK4介导的代谢变化就已开始发挥重要的抗癌作用。正常上皮细胞可以识别并主动清除功能失调细胞以维持组织内稳态,这一过程称为上皮细胞抗癌防御(Pithelial defense against cancer,EDAC),在这个过程中发现,癌细胞被正常细胞包围时,PDK4介导对PDC和线粒体代谢的抑制,导致线粒体膜电位降低、葡萄糖摄取量增多,导致乳酸产量增加,从而诱导癌细胞的挤出。PDK4表达的异常,可造成EDAC功能紊乱,诱发恶性肿瘤[8]。

根据各自组织的代谢功能、癌症类型和分期,PDK4高表达可起到致癌或抑癌作用。已有研究发现PDK4在胃癌细胞中高表达,PDK4高表达提示分期晚、恶性程度高、预后差,其表达与不同类型的浸润性免疫细胞(如B细胞、CD4+T淋巴细胞、树突状细胞及巨噬细胞)呈正相关,PDK4受微小RNA-5683(miR-5683)负调控影响糖酵解,从而促进胃癌细胞的增殖、迁移和侵袭[9]。在肠癌、卵巢癌、宫颈癌中均可观察到PDK4受到LncRNA/miRNA/PDK4轴的靶向调控高表达后发挥促癌作用,例如在肠癌中的长链非编码RNA(Long non-coding RNA,lncRNA)小核仁RNA宿主基因12 (Small nucleolar RNA host gene 12 ,SNHG12)/miR-15a/PDK4轴[10]、卵巢癌中的 LncRNA AFAP1反义RNA1(AFAP1 antisense RNA1,AFAP1-AS1)/miR-107/PDK4轴[11]和宫颈癌中LncRNA 00662/miR-103a-3p/PDK4轴[12]。另外,在三阴性乳腺癌[13]和甲状腺乳头状癌[14]中,PDK4分别在环状RNA(circRNA)circ-ERBB2/136-5p/PDK4和circ-CCDC66/miR-211-5p/PDK4调控下高表达促进肿瘤进展[14]。上述癌种中PDK4高表达具有致癌作用,但在下列癌种中可见PDK4呈低表达,将PDK4表达上调具有抑癌作用。有研究表明在HCC细胞的细胞核和细胞质中,PDK4均显著下调,下调PDK4可显著促进体外HCC细胞系(即BEL-7402和BEL-7404细胞)的增殖、致瘤、迁移和侵袭增加[15]。此外,在肺腺癌中的研究发现,PDK4受miR-182过表达抑制,从而抑制脂肪生成、影响活性氧(Reactive oxygen species,ROS)的产生和下游JNK信号通路,促进肺肿瘤的发生[16]。而在对前列腺癌进行转录组学和蛋白质组学分析提示PDK4低表达与前列腺癌早期生化复发相关,PDK4是三羧酸循环/氧化磷酸化(Tricarboxylic acid cycle,TCA/oxidative phosphorylation,OXPHOS)的重要调节因子,其低表达可导致氧化磷酸化和脂质生成增强,这两者都与前列腺癌预后不良有关[17]。这种现象在肝癌中也观察到PDK4的敲除增加了关键的脂肪生成酶:脂肪酸合成酶(Fatty acid synthase,FASN)和硬脂酰辅酶A去饱和酶(Stearoyl-CoA desaturase,SCD)的表达,最终诱导脂肪生成,表明PDK4可能通过促进脂肪生成来促进肝癌细胞的进展[18]。这与上述高PDK4发挥致癌作用的癌种中,多可见到糖酵解的变化有所不同,表示不同癌种间代谢重排的复杂性,值得进一步深入研究。

PDK4不仅与肿瘤增殖,迁移及侵袭有关,而且在细胞耐药过程中起着至关重要的作用,如,在肠癌中通过LncRNA HCG11/miR-144-3p/PDK4轴,PDK高表达重编程糖代谢可促进结肠癌细胞对五氟尿嘧啶(5-FU)的耐药[19]。有研究发现PDK4在弥漫大B细胞淋巴瘤细胞中的过表达,介导了代谢重编程,负向调节MS4A1/CD20导致对利妥昔单抗耐药[20]。Tozasertib是一种泛aurora激酶抑制剂,可用于治疗高级别胶质瘤,有研究报道对Tozasertib耐药的胶质瘤细胞进行RNA序列分析显示PDK4显著上调,抑制PDK可逆转耐药性[21]。另外,在对阿霉素耐药的HeLa/Dox和SiHa/Dox宫颈癌细胞,与亲代细胞对比发现,葡萄糖消耗、乳酸生成率和ATP水平显著升高,在代谢和糖酵解相关基因中,PDK4表达上调,敲除PDK4可降低葡萄糖消耗、乳酸产生率和ATP水平,并进一步使耐药宫颈癌细胞对阿霉素治疗敏感[22]。miR-16-5p是PDK4的上游调控因子,结论认为miR-16-5p/PDK4介导的代谢重编程参与了宫颈癌对阿霉素的耐药。据报道,在对人类胰腺导管癌细胞铁死亡敏感性的研究中发现,PDK4是导致铁死亡抗性的顶基因,PDK4可通过代谢重编程来抑制铁死亡,抑制PDK4可克服铁死亡抗性,增强药物的抗癌活性[23]。另外,PDK4还参与癌症阶段或化疗后肌肉大小的控制,这使其有望成为对抗癌症相关恶病质的靶点[24]。

3 PDK4在肝癌中的作用及影响

PDK4与肝癌关系密切,多项研究表明,PDK4在人肝癌组织中的表达下调,其下调与不良预后相关,沉默PDK4对肝癌细胞的增殖及迁移有明显的促进作用[16,19,25-27], 但在对索拉非尼或顺铂耐药的肝癌细胞株的研究中发现PDK4高表达,深入研究发现促炎细胞因子肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素-6(IL-6)和转化生长因子-β(TGF-β)之间的相互作用可触发肝癌细胞向干细胞的反向转化,该过程伴随血管生成素样4(ANGPTL4)诱导PDK4上调,进而抑制线粒体的活性导致代谢重编程,表现出膜电位降低,ATP产量低,乳酸产量高,显示出高迁移、侵袭潜能和对化、靶向药物耐药,抑制ERK或PI3K可降低ANGPTL4和PDK4的表达,逆转耐药[28]。这项研究提示了肝癌中PDK4表达调控和相互作用的复杂性,药物、炎症通路和代谢通路的相互影响对生物学行为或许有不同的结局,值得进一步深入研究。PDK4可以受很多上游调控因子调控, 如miR-129-5p可靶向抑制PDK4表达[29],砷暴露通过诱导组蛋白甲基转移酶G9a和增加组蛋白H3赖氨酸9(H3K9)二甲基化和三甲基化水平(H3K9me2/3)来降低PDK4的表达[30]。在调控PDK4引起的下游机制方面,观察到PDK4缺乏可通过E2F1介导的细胞周期蛋白增加加速肝癌细胞增殖[25]。另外,有研究发现PDK4可通过直接蛋白质结合将p65保留在细胞质中,促进p65与TNF启动子结合,激活肿瘤坏死因子-肿瘤坏死因子受体1(TNF-TNFR1)凋亡途径[26]。代谢产物方面,有研究发现PDK4基因敲除不影响肝癌细胞的氧化磷酸化和糖酵解能力,而是增加了关键的脂肪生成酶,最终诱导脂肪生成[18]。但更为有趣的是有研究在实验中观察到了PDK4引起的糖酵解变化[29,31]。

值得关注的是,由于细胞快速增殖的能量需求,即使在有氧条件下,肿瘤细胞也会通过糖酵解将葡萄糖分解成乳酸盐,称为沃伯格(Warburg)效应。这就是为什么糖酵解在肿瘤细胞代谢中特别重要的原因之一[32]。 据报道,PDK4介导的Warburg效应样代谢改变影响肝细胞癌和膀胱癌等[33]肿瘤的生长[34]。PDK4在HCC发展过程中起着糖酵解的积极调节剂的作用,在肝糖酵解中代偿性增强,这与PDK4在糖酵解中的抑制作用一致[35]。有研究表明m6A可通过诱导PDK4调节肝癌细胞的糖酵解[31];另外,有研究认为miR-122通过靶向PDK4调节CD133+肝细胞癌干细胞中的活性糖酵解代谢[36]。可见,PDK4在细胞能量代谢及肝癌等肿瘤疾病中发挥了重要作用,可能成为未来预防肝细胞癌治疗新策略的潜在靶点。

4 小结与展望

近年来对PDK4在肿瘤领域的研究取得了一定的进展,本文主要针对PDK4在肝细胞癌的研究进行综述,结果发现PDK4在HCC组织中下调,其下调可以预测HCC患者的不良预后。此外,PDK4在HCC细胞能量代谢中发挥重要作用,但其表达调控受到多种信号调控机制影响。因此,更详细的作用机制在未来值得探索。