羟酰辅酶A脱氢酶在癌中作用机制的研究进展

吴国嘏，翟书杰，孙 笑，黄怡然，李咏梅，孙 丽

1.天津医科大学 基础医学院 病原生物学系，天津 300211；2.天津医科大学第二医院 妇产科，天津 300070

脂代谢紊乱和癌的发生发展密切相关[1-4]。其中脂肪酸β-氧化代谢产生的短链、中长链脂肪酸在信号转导、细胞通路调控等方面都有着重要作用,且代谢产生的游离脂肪酸(free fatty acids, FFAs)是肿瘤微环境(tumor microenvironment, TME)的重要构成组分。脂肪酸β-氧化紊乱可促进癌细胞增殖、转移及免疫逃逸[2]。完整的脂肪酸β-氧化由4种关键酶催化,其中羟酰辅酶 A脱氢酶(hydroxyacyl-coenzyme A dehydrogenase,HADH)在脂肪酸代谢与癌的关系方面已受到较多关注。

1 HADH简介

HADH主要存在于线粒体基质中,在β-氧化反应链的第3步中发挥催化作用,将L-3-羟乙酰-CoA的羟基氧化为酮基,同时还原NAD+为NADH。HADH对C4至C6长度的脂肪酸催化活性最高[3]。此外,HADH还间接参与调控氨基酸、糖类等物质代谢[1]。

细胞内HADH的基因表达水平与酶活性水平受到包括转录调控[4-5]、微RNA(microRNA,miRNA)调控[6]和蛋白乙酰化修饰[3]等在内的诸多调控。其中,转录因子叉头盒蛋白A2(forkhead box A2, FOXA2)可以上调HADH的表达,影响小鼠胰岛β细胞功能和分化[5];溴结构域蛋白4 (bromodomain containing 4, BRD4)和高迁移率族蛋白2(high mobility group box, HMGB2)可在HADH启动子区形成超级增强子,影响HADH转录活性[4];微RNA(miRNA) rs221347作用于HADH mRNA,有效下调HADH表达水平[6];HADH随着功能不断成熟而呈高度乙酰化,在小鼠心肌细胞中,HADH赖氨酸乙酰化后酶活性增加[3]。由于人类细胞内乙酰基主要供体是乙酰辅酶A,故HADH的酶活性与胞内乙酰辅酶A水平、乙酰化酶活性以及去乙酰化酶活性密切相关。然而目前HADH在癌中的作用机制尚不明确。

2 HADH在多种癌中的作用

HADH在胃癌(gastric cancer, GC)[7]、肾透明细胞癌(kidney clear cell carcinoma, KIRC)[8]、肝细胞癌(hepatocellular carcinoma, HCC)[9]、乳腺癌(breast cancer, BRCA)[10]等癌中表现为抑癌作用,但在急性髓系白血病(acute myeloid leukemia, LAML)[11]、结肠癌(colon cancer, COAD)[12]等癌中却表现为促癌作用。HADH与多种蛋白存在相互作用[1,3,5],且该酶功能紊乱直接或间接影响脂代谢、氨基酸代谢和糖代谢,导致细胞内相关产物浓度失衡。以上因素使HADH直接或间接参与调控多种细胞信号通路,影响癌细胞增殖、凋亡、血管形成、侵袭与转移、能量代谢、炎性反应和免疫逃逸等过程[1, 4-13]。

2.1 HADH经PPAR通路作用于癌细胞

HCC细胞中HADH可激活过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferators-activated receptors,PPAR)通路,但具体机制尚不清楚[9]。当PPAR信号通路受到抑制时,细胞对脂肪酸的摄取增加[13],而HCC细胞中HADH表达下调,阻碍胞内脂肪酸β-氧化,两者协同加剧内源性脂肪酸堆积。实验证明缺失PPARα的小鼠胃黏膜出现更为严重的组织学损伤及炎性浸润,血中和胃组织中的炎性因子如肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、白细胞介素-1及细胞间黏附分子1的转录和释放增多,其机制可能与PPARα的缺失引起胃内NF-κB信号通路激活有关[14],而长期慢性胃黏膜损伤是GC诱因之一。结直肠癌中PPAR通路抑制剂可通过改变癌细胞的代谢,包括提高脂肪酸氧化、降低葡萄糖摄取水平,从而减少癌细胞的ATP供应,促进癌细胞死亡[13]。

2.2 HADH经TNF-α通路作用于癌细胞

KIRC细胞中,HADH表达下调可促进活性氧(reactive oxygen species, ROS)的生成,激活TNF-α通路[8]。HADH表达下调导致脂肪酸β-氧化减少,细胞内FFAs浓度增高。一方面,高浓度的FFAs可阻碍还原谷胱甘肽生成,从而降低细胞抗氧化能力;另一方面,FFAs导致线粒体呼吸链电子传递功能障碍,增加ROS产生,且FFAs与ROS反应产生呼吸链抑制剂,破坏线粒体生物氧化过程,使FFAs在线粒体沉积,形成恶性循环[3-4]。TNF-α通路可调节肿瘤细胞免疫浸润,促进癌细胞增殖和迁移[8,15-16]。TNF-α与TNF受体1(TNF receptor 1,TNFR1) 结合后,TNFR1募集受体相互作用蛋白激酶1、肿瘤坏死因子受体相关因子2、细胞抑制凋亡蛋白1和细胞抑制凋亡蛋白2,形成复合物I,复合物I促进I-κB激酶磷酸化和NF-κB活化,从而增加炎性因子和免疫相关基因表达,促进COAD细胞增殖[16]。此外,TNF-α可诱导髓系抑制细胞(myeloid-derived suppressor cells, MDSCs)等炎性细胞浸润,增强免疫抑制,利于GC细胞存活[15]。

2.3 HADH经JAK-STAT3通路作用于癌细胞

白细胞介素-6(interleukin-6, IL-6)可激活酪氨酸激酶(Janus kinase, JAK)/信号转导和转录激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3, STAT3)信号通路[17]。KIRC细胞中,HADH下调可能刺激IL-6分泌,增加ROS产生,从而激活JAK-STAT3通路,导致患者不良预后[8]。在GC细胞中,过度激活的JAK-STAT3通路可促进细胞增殖和侵袭,抑制细胞凋亡,促进上皮细胞-间充质转化(epithelial-mesenchymal transition, EMT),并增强细胞耐药性[18]。Bax和Bcl-2作为JAK2-STAT3信号通路的下游因子,在JAK2-STAT3信号通路过度激活后会形成一个凋亡调节系统,该系统利于GC细胞增殖与存活,抑制GC细胞凋亡和炎性反应[19]。此外,在甲状腺癌细胞中,激活的JAK-STAT3通路还与NF-κB通路协同调控肿瘤干细胞(cancer stem cell, CSC)的生存能力[20]。这一通路还可影响TME中白细胞和间质细胞分布,增强癌细胞免疫逃逸能力[18,20]。

2.4 HADH经PI3K/Akt信号通路作用于癌细胞

HADH下调阻碍脂肪酸β-氧化,导致脂肪酸积累,从而抑制磷酸酶与张力蛋白同源物(phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten, PTEN)转录,而PTEN可抑制PI3K/Akt信号通路[7]。研究表明,在GC细胞中敲除HADH后,p-Akt表达增加,GC细胞的迁移和侵袭能力明显增强,而PI3K抑制剂LY294002可消除p-Akt上调,挽救下调HADH后增强的细胞迁移和侵袭能力。反之HADH过表达抑制GC细胞的迁移和侵袭。实验说明HADH下调可激活PI3K/Akt信号通路并促进GC细胞的增殖、迁移和侵袭[7]。PI3K/Akt通路从多方面起促癌作用。在细胞增殖方面,PI3K/Akt通路被激活后,其下游靶点雷帕霉素靶蛋白(mech-anistic target of rapamycin kinase, mTOR),尤其是mTOR复合物1(mTOR complex 1, mTORC1),通过调控S6激酶1和4E结合蛋白1等下游效应蛋白的磷酸化来控制乳腺癌细胞增殖[21]。在自噬方面,PI3K/Akt通路失调可以触发自噬,使乳腺癌细胞适应低营养环境,利于其增殖[22]。mTOR是自噬抑制剂,mTORC1通过抑制未磷酸化的、低磷酸化的自噬相关蛋白激酶1和转录因子EB等自噬调节蛋白的磷酸化来抑制自噬,故抑制PI3K/Akt通路可促BRCA细胞自噬[22]。此外,在血管生成方面,肾细胞癌细胞中PI3K/Akt通路通过激活VEGF受体2、低氧诱导因子1α和mTOR促进VEGF信号转导,刺激新血管形成[23]。

2.5 HADH经IFN-γ通路作用于癌细胞

KIRC细胞中,HADH可激活γ干扰素(interferon-γ, IFN-γ)信号通路,改变肿瘤细胞免疫浸润水平,但具体机制尚不明确[8]。IFN-γ激活状态下,M2巨噬细胞、幼稚B细胞、肥大细胞和树突状细胞等的免疫浸润水平与HADH表达呈正相关,而滤泡辅助T细胞、浆细胞、调节性T细胞和中性粒细胞的数量与HADH表达呈负相关,这提示HADH表达下调激活IFN-γ通路,降低机体对癌细胞的免疫杀伤能力。此外,IFN-γ可以诱导癌细胞表达程序性死亡受体配体1,使其逃避免疫监测[8]。

2.6 HADH经MAPK通路作用于癌细胞

HADH下调可激活丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK),并与MAPK通路中的3条分支:细胞外信号调节激酶(extracellular-signalregulated protein kinase, ERK)分支、c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal protein kainse, JNK)分支和P38丝裂原活化蛋白激酶分支[9]相关。在ERK分支中Ras蛋白被激活,进而激活Raf,MAPK激酶和ERK蛋白,促进膀胱癌细胞增殖和分化[24]。Ras还可激活Akt激酶,进而激活PI3K/Akt/mTOR通路,提高细胞增殖能力和葡萄糖代谢水平[9,24]。此外,激活的Ras可上调NF-κB,诱导炎性因子(如肿瘤坏死因子α、白细胞介素-1β)表达,通过维持炎性微环境,促进细胞增殖、侵袭,增强细胞抗凋亡能力[9,24]。MAPK通路的p38和JNK分支在炎性状态被激活,使多个转录因子和细胞周期调控蛋白磷酸化,如c-Jun、c-Fos和BCL2家族蛋白等,从而促进癌细胞增殖、抑制凋亡、促进细胞迁移和侵袭[24]。

2.7 HADH经非经典Wnt通路作用于癌细胞

COAD细胞中,HADH与结肠癌恶性程度密切相关。HADH作为非经典Wnt通路靶基因,参与激活非经典Wnt信号通路,并受Wnt5a, Wntless, 受体酪氨酸激酶样孤儿受体2, Dishevelled 2, 激活转录因子2和激活转录因子4的调控,参与癌细胞增殖和迁移过程[12]。Wnt蛋白家族成员Wnt5a与细胞膜受体Frizzled结合,激活蛋白激酶C(protein kinase C, PKC)和磷脂酶C,影响胶质瘤细胞增殖、侵袭和转移[25]。PKC激活可导致钙离子(Ca2+)释放和核因子AT核转位,从而调控基因转录[25]。此外,非经典Wnt信号通路的激活与T淋巴细胞浸润减少相关,并通过PI3K/Akt通路提高乳腺癌细胞耐药性,利于乳腺癌细胞增殖转移[21-23]。

3 问题与展望

目前研究表明HADH在癌中具有一定作用,但研究方向多局限在脂质代谢方面,应予以拓展。第一:HADH与文中提及多种信号通路存在关联,但现有研究多停留在HADH与通路相关基因共表达层面,尚未对其间的深入联系做出探索,例如HADH与通路中关键蛋白之间是否存在直接物化作用,是否存在中间通路或蛋白分子,是否可建立起完整的上下游通路等。第二:HADH在代谢层面间接影响细胞通路的阐述尚不明确。HADH作为脂肪酸代谢的关键酶,其代谢原料和产物在细胞内的浓度变动亦影响细胞生理活动,多数细胞信号通路变动与此相关,但尚未有研究具体指出何种小分子可产生上述效应。第三: HADH对癌细胞的调控作用存在组织特异性,在不同癌中可有截然相反的表现,目前尚无详细的解释。现有研究中不同癌聚焦于不同的信号通路,而HADH是否在不同癌中通过同一特定信号通路产生相似作用尚待探索。此外,HADH是否调控更多种癌的发生发展,以及HADH是否与更多的信号通路、代谢机制有关系,均值得探索。第四:HADH在各癌中是否能在各种免疫调节剂的临床试验和个体化治疗中发挥作用还有待观察,尽管HADH在癌组织中存在异常表达现象,但其在人体尿液和血液中的含量情况尚知之甚少,HADH能否作为可靠的癌标志物还需要大量的研究证明。因此,对HADH在癌中作用机制值得进一步研究。