CDK7在肿瘤中作用机制的研究进展

赵 奇,薛雨晴,范苗苗,毕佳欣,杨 倩,丁 瑞,宋 洁

(牡丹江医学院,黑龙江 牡丹江 157011)

细胞周期是一个十分复杂的调控过程,细胞周期蛋白和细胞周期蛋白依赖激酶(CDKs)共同驱动细胞从细胞周期的一个阶段发展到另一个阶段。细胞周期蛋白的异常激活是许多肿瘤发生的诱因。靶向细胞周期蛋白可能是阻止肿瘤生长的有效方法。转录因子通过识别特定的DNA序列来控制转录,转录因子充当着主要调节因子和选择基因的角色,控制着细胞类型的决定、发育模式和特定途径控制(如免疫反应)的过程。

CDK7作为细胞周期的关键性调控分子和转录因子ⅡH(TFIIH)的重要组成部分,探索其作为恶性肿瘤治疗的有效靶点具有重要价值。鉴于CDK7对于肿瘤治疗的重要作用,尤其是对特定癌症类型的治疗至关重要。目前陆续探索并研究了CDK7与肿瘤发生发展之间的关系。本文主要对CDK7与恶性肿瘤之间的关系进行综述。

1 CDK7调控肿瘤发生发展的机制

CDK7作为组成CDK激活激酶(Cdk-activated kinase,CAK)复合物的一部分。参与CDK1、CDK2、CDK4和CDK6等CDKs的磷酸化,从而推动细胞周期的进展。同时CDK7作为TFIIH复合物的一部分,磷酸化RNA聚合酶II(RNA POLⅡ)羧基末端结构域七肽重复序列中的丝氨酸,以促进启动子逃逸(Promoter escape)。此外CDK7还具有调节转录因子活性和修复单链DNA的功能。

1.1 CDK7磷酸化CDKs调控细胞周期进程大多数CDKs的激活,不仅需要结合相应的细胞周期蛋白,还需要在其特定位点发生磷酸化。这些磷酸化是由CAK复合物所执行的,该复合物由CDK7、CyclinH和MAT1组成。CDK7通过磷酸化CDK1、CDK2、CDK4和CDK6促进细胞周期的进展。CDK7对CDK1 Thr161位点的磷酸化[1],促进了细胞周期G2/M期的转变,并稳定CDK1-CyclinB复合物保证细胞周期能够进行下去;CDK7对CDK2的磷酸化能够促进细胞从G1期向S期的转变;CDK7在Thr172和Thr177的T-环中同时磷酸化CDK4和CDK6[2-3],使CDK4/6磷酸化视网膜母细胞瘤蛋白(Rb)促进G1期的进展。虽然CDK7不直接参与细胞周期的调控但是可以通过其CAK复合物磷酸化相应的CDKs,间接在细胞周期的各个时期都发挥重要作用。

1.2 CDK7在转录起始和延伸中起控制作用转录失调是导致癌症发生的重要原因之一,与细胞周期调控类似,RNA POLⅡ驱动的转录可被视为一个单向多步骤的周期,每个细胞内有数千个独特的转录周期协同发生。每个转录周期包括募集、起始、暂停、延长、终止和循环阶段,这些阶段由转录周期蛋白依赖性激酶及其同源周期蛋白协同作用以及转录磷酸酶控制。致癌性转录失调产生基因表达缺陷可能导致癌症的发生。

CDK7在转录起始和延伸中起控制作用。CDK7作为TFIIH的组成部分,TFIIH与启动子开启、启动子逃逸、启动子-近端停顿延伸、RNA处理和终止有关,CDK7作为表观遗传调控因子指导RNA POLⅡ转录[4]。SIMON J M研究发现TFIIH相关激酶CDK7可能间接控制哺乳动物细胞的DNA甲基化模式,从而对调控细胞后代的基因表达模式产生潜在的影响[5]。同时FISHER R P的研究表明CDK7功能丧失后的影响并不局限于RNA POLⅡ转录周期的早期阶段,在抑制CDK7后,还发现了染色质修饰模式改变、三端形成受损和延迟终止等[6]。一些肿瘤中超增强子(SE)的存在对于维持肿瘤细胞功能并促进致癌转录至关重要。靶向SE已成为肿瘤治疗研究的新方向,已有研究表明CDK7抑制剂在癌症治疗中可以通过抑制癌细胞SE的转录驱动从而抑制癌细胞的基因转录。

2 CDK7在不同肿瘤治疗中的研究进展

2.1 CDK7与白血病白血病是一类造血干细胞恶性克隆性疾病。白血病细胞因为增殖失控、分化障碍和凋亡受阻等机制在骨髓和其他造血组织中大量增殖累积并抑制正常造血功能。酪蛋白激酶Iα(CK1α)、SE驱动、P53活化和抗凋亡蛋白BCL2、MCL1过表达在白血病中发挥着重要作用。最近的一项研究中,BRIAN B及其同事发现了一系列抑制CK1α、CDK7和CDK9的新型分子,能抑制SE驱动的转录并激活p53,展示了将p53活化与SE抑制相结合以促进白血病细胞的协同杀伤作用是一种高效的治疗策略[7],同时还有研究也表明阻断Wnt信号通路的关键调节因子酪蛋白激酶Iα(CKIα)与抑制CDK7和/或CDK9协同稳定p53活性,可以抑制白血病细胞的存活和增殖,可以抑制SE驱动的转录,并诱导细胞凋亡。ABUDUREHEMAN T研究发现CDK7抑制剂THZ1可以在B淋巴细胞白血病中通过干扰c-MYC介导的细胞代谢而诱导B-ALL细胞凋亡[8]。THZ1还可以破坏对酪氨酸激酶抑制剂如伊马替尼缺乏敏感性的白血病干细胞(LSCs)SE相关基因的转录。有效地清除BCR-ABL驱动的CML小鼠中的LSC,同时保留了正常的造血干细胞。

急性红系白血病(AEL)的特点是形态独特、突变谱复杂、缺乏临床前模型和预后不良。IACOBUCCI I等人发现CDK7/9抑制剂对Trp53/Bcor/Dnmt3a突变型AEL有效[9]。急性髓系白血病(AML)是一种侵袭性血癌,复发率高,尤其是在老年患者中CDK7的异常表达与不良结局有关,CDK7抑制剂YPN-005在AML细胞系、异种移植小鼠模型和原代AML细胞中均有效。YPN-005通过减少RNA POLⅡ的磷酸化,有效抑制AML细胞的增殖。同时c-MYC表达随YPN-005处理而降低。数据表明,YPN-005通过抑制c-MYC和FLT3在治疗AML方面发挥作用[10]。并提出CDK7和BCL2联合抑制可以作为定向治疗该疾病的一种策略。在T淋巴细胞瘤中SHIN P等人研究发现CDK7抑制剂BS-181引起细胞毒性和凋亡,包括TRAIL / DR4 / DR5上调,c-FLIP下调,BID切割,BAK活化,ΔΨm丢失、半胱天冬酶-8/9/3活化和PARP切割等[11],可以将抑制CDK7作为治疗T淋巴细胞瘤的一种方案。

2.2 CDK7与骨髓瘤多发性骨髓瘤(MM)是一种侵袭性浆细胞肿瘤,目前针对MM尚无特效治疗方法,尽管一些新药显著改善MM患者预后生存及生活质量,但是疾病的复发及患者耐药性的产生,仍然是临床医师面临的重要难题,迫切需要寻找新的靶标与治疗方案。Zhang Y等人发现CDK7抑制剂THZ1能通过下调c-MYC、MCL1、BCL-X的转录水平,有效地抑制多发性骨髓瘤细胞的增殖[12],THZ1与其它靶向癌症疗法(包括Bet抑制剂、BCL2抑制剂和激素疗法)相结合并在骨髓瘤模型系统中显示出有效性。INIGUEZ A B等人研究发现PARP和CDK7抑制剂联合治疗尤文肉瘤具有协同作用[13],JIA Y L将MAGI2鉴定为骨髓瘤细胞的新型SE相关基因,MAGI2升高与骨髓瘤发生相关,MAGI2的高患病率也与MM患者的低生存率相关。CDK7抑制剂THZ1能抑制与MAGI2相关的SE活性,降低MAGI2的表达,抑制细胞生长并诱导细胞凋亡。从机制上发现致癌转录因子MAF直接与SE区域结合并激活基因转录。MAGI2-MAF-SE调控通路为疾病治疗提供了潜在的新靶点[14]。CDK7抑制剂THZ1作为多发性骨髓瘤的治疗药物值得进一步关注。

2.3 CDK7与胰腺癌胰腺癌是一种死亡率高的恶性肿瘤。由于缺乏有效的治疗方法和化疗耐药性,胰腺癌迫切需要新的治疗方案。通过筛选表观遗传学相关的化合物库,LU P将CDK7的共价抑制剂THZ1确定为有希望的候选药物。在胰腺导管癌中CDK7抑制导致基因转录明显下调,优先抑制细胞周期和NF-κB信号通路相关转录本。另外研究发现在PDAC细胞中MYC对CDK7抑制敏感。为高度侵袭性胰腺癌的CDK7依赖性转录成瘾提供了一种有效治疗策略。ZENG S通过实验发现敲除CDK7基因和使用CDK7抑制剂主要通过STAT3-MCL1-CHK1轴导致细胞周期停滞,DNA损伤和诱导细胞凋亡,此外还发现THZ1在体内外实验中与GEM和PTX协同增强抗肿瘤作用[15]。在胰腺癌中超级增强子(SE)有助于连续和强大的致癌转录。BRD4和CDK7抑制剂靶向SE协同抑制胰腺导管腺癌,KAZI A等人通过磷酸化蛋白质组学显示在线粒体KRas驱动的胰腺癌细胞中,敲除细胞周期调节蛋白CDK1或CDK2或转录调节蛋白CDK7或CDK9与敲除KRas一样具有治疗胰腺癌的作用[16]。

2.4 CDK7与乳腺癌乳腺癌是导致世界各地女性死亡最突出的癌症类型。乳腺癌是一种遗传性和表型异质性疾病,具有多种不同的亚型。因此,需要确定更可靠的标志物,建立个体的早期诊断和治疗策略。前期临床研究表明,CDKs和其他调节分子作为肿瘤发生相关的潜在干预靶点,近期CDK7已成为治疗乳腺癌多种亚型的新靶点。

CHO YS等人研究发现在三阴性乳腺癌(TNBC)MDA-MB-231中,THZ1降低了YAP水平和Hippo靶基因表达,CDK7的失活可以抑制MDA-MB-231乳腺癌肿瘤的生长[17]。而内源性CDK7的表达与突变型p53蛋白表达水平呈正相关,下调突变型p53的蛋白表达水平可明显抑制TNBC细胞的增殖。彭景宇等人研究发现靶向CDK7是治疗p53突变型TNBC的有效方法[18],XIA L等人的研究证明抑制表观基因的转录调控可以克服CAR T细胞治疗诱导的免疫抵抗,为TNBC提供了一条新的治疗途径。THZ1和EGFR抑制剂在CAR T细胞联合治疗可抑制TNBC肿瘤模型中的免疫抵抗、肿瘤生长和转移,包括人MDA-MB-231细胞来源的异种移植和TNBC患者来源的异种移植,以及小鼠EMT6细胞来源的同种异体移植[19]。三者的研究都认为靶向CDK7可以从不同的角度为TNBC的治疗提供新的方案。

在ER阳性的乳腺癌中CDK7、Cyclin H、MAT1的蛋白和mRNA在乳腺癌组织中表达显著上调(相较于TNBC与HER2阳性乳腺癌)。CDK7在ER的活性、降解和调节中起作用,特别是在Ser 118的磷酸化,以及STAT3和β-catenin途径中起着重要作用,THZ1靶向CDK7可以阻断ER的激活和ER靶基因的表达以及MYC的转录[20]。研究发现靶向CDK7可以增加对他莫昔芬耐药的ER阳性乳腺癌细胞和体内模型的毒性作用;在HER2阳性乳腺癌的研究中发现CDK7通过促进转录而不是通过直接磷酸化经典CDKs靶点来促进细胞周期的进展。并发现THZ1可恢复靶向HER2治疗失去的敏感性,使用低剂量THZ1与HER2抑制剂雷帕替尼在体外对HER2抑制剂耐药的乳腺癌细胞有较强的协同作用[21]。同时MCDERMOTT M S J等人研究发现EGFR和CDK7联合治疗可能是不区分乳腺癌亚型的一种新的治疗策略[22]。

3 CDK7为肿瘤诊疗的分子靶标

在最近的研究中CDK7已成为更多肿瘤治疗的靶点和生物标志物,JIHYE K等人研究发现CDK7可以作为卵巢上皮性癌可靠的预后因素和新的治疗靶点[23]。CAO X等人通过研究发现确定CDK7和PPP1R15A可以作为目前尚无有效治疗方法且最具侵袭性的恶性肿瘤之一的间变性甲状腺癌(ATC)潜在的生物标志物和治疗靶点[24]。抑制CDK7诱导DNA复制应激和基因组不稳定可提高小细胞肺癌抗肿瘤免疫水平,通过抑制CDK1、CDK2活性影响细胞周期,是一种广泛应用于肿瘤免疫治疗的新方法。VEO B等人的研究认为抑制CDK7是一种对MYC驱动的髓母细胞瘤可行的治疗策略[25]。从最近的研究发现CDK7在越来越多的恶性肿瘤中发挥重要作用,并已成为其治疗的靶点。

4 小结

目前的研究中,我们发现抑制CDK7在包括乳腺癌、肉瘤、骨髓瘤、白血病、淋巴瘤、黑色素瘤、脑肿瘤、脊髓肿瘤和生殖细胞瘤等各种类型癌症中单独或者联合用药有较好治疗效果。基于这些发现,靶向CDKs和转录相关蛋白的小分子有望用于癌症治疗。近十几年来,越来越多的研究证实了CDK7在人类癌症中的高表达,并且与肿瘤的临床预后不良和早期复发相关。CDK7在肿瘤细胞的转录、细胞周期和DNA双链修复中扮演着重要角色,在不同的基因和细胞周期的不同时期发挥着重要作用。一方面,在THZ1单独治疗癌症的研究中,我们发现在不同种类的癌症和同种癌症的不同分型中THZ1通过不同的机制发挥着不同的作用,特别在存在SE的肿瘤细胞中抑制CDK7能够更加显著的抑制肿瘤细胞的生长。另一方面,CDK7抑制剂THZ1在与其他药物的联合中表现出较强的协同效应,为解决目前临床化疗药物的耐药性提供了新的思路。同时我们发现THZ1对于不同肿瘤细胞中凋亡蛋白的表达情况并不一致,这是值得我们去研究的地方。