SREBPs及其在肝细胞癌中的作用机制研究进展

陈雨恒,吕 凌

(南京医科大学第一附属医院 肝胆中心,江苏 南京210029)

肝细胞癌(hepatocellular carcinoma,HCC)在全球原发性肝癌中占比超过80%,给健康带来沉重的负担,被认为是全球癌症相关死亡的第四大常见原因[1]。肝癌病例数量的不断增加不仅与人口老龄化相关,在过去20年中,与肥胖相关的脂肪性肝病的逐渐增加也加剧了肝癌病例总数的增长。值得注意的是,快速上升的非酒精性脂肪性肝病(nonalcoholic fatty liver disease,NAFLD)和非酒精性脂肪性肝炎(nonalcoholic steatohepatitis,NASH)已经使代谢紊乱成为肝细胞癌发生及进展的主要风险因素。全球原发性肝癌相关死亡人数不断增加,主要原因是NAFLD相关HCC死亡人数每年增加1.4%[2]。细胞浆内甘油三酯的蓄积称为脂肪变或脂肪变性。肝细胞脂肪变性的相关脂毒性、氧化应激、代谢性炎症、肠道菌群紊乱和免疫监控功能受损、胆汁酸异常等都可诱导肝细胞发生癌变。因此,肝细胞癌相关脂质代谢重编程吸引了越来越多的学者的注意。脂质代谢重编程是肿瘤进展的一个重要特征。癌细胞需要高水平的脂质合成和摄取,不仅用来支持它们的持续复制、入侵、转移和存活,还参与生物膜和信号分子的形成。甾醇调节元件结合蛋白(Sterol regulatory element-binding proteins,SREBPs)是一类转录因子,控制脂质代谢以及脂质合成和摄取的重要基因的表达,被证明参与多种恶性肿瘤的脂质代谢重编程。有学者发现,SREBPs在多种恶性肿瘤中均呈高表达,高表达的SREBPs可通过调控下游信号通路介导肿瘤的增殖、凋亡、内质网应激和上皮间充质转化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)等[3-4]。现将SREBPs及其在HCC发生及进展中的作用机制研究进展综述如下。

1 SREBPs

SREBPs是一类与脂质稳态有关的膜结合型转录因子家族,激活编码胆固醇、不饱和脂肪酸、甘油三酯和磷脂合成所需酶的基因。SREBPs由两个不同基因编码的3个亚型组成,分别是SREBP-1a、-1c和-2。SREBP-1a和SREBP-1c源自甾体调节元件结合转录因子(SREBF)1基因的不同启动子,而SREBP-2则来自SREBF-2基因。

1.1 SREBPs的结构

SREBPs是一类碱性-螺旋-环-螺旋-亮氨酸拉链(basic-helix-loop-helix-leucine zipper,bHLH-LZ)转录因子,它们以非活性前体形式合成,并与内质网膜结合。每个前体分为三个结构域:(1)一个N-末端结构域,包含转录活性结构域、富含丝氨酸和脯氨酸的区域以及DNA结合和二聚化的bHLH-LZ结构域;(2)两个疏水性跨膜片段,伸向内质网腔;(3)一个C-末端结构域[5]。这些结构特征使得SREBPs能够感知和响应细胞内脂质水平,以调节脂质合成和代谢,进而维持脂质稳态。

1.2 SREBPs不同亚型的区别

SREBPs不同亚型在基因组上位置的不同。SREBP-1a和SREBP-1c都是由人类染色体17p11.2上的同一个基因编码的,通过不同的转录起始位点,转录为不同的外显子形式,分别称为-1a和-1c。它们的第一个外显子不同,该外显子编码一部分酸性活化结构域。SREBP-1a具有较长的活化结构域,含有12个带负电的氨基酸,而SREBP-1c只有6个带负电的氨基酸。SREBP-2是由人类染色体22q13上的一个基因编码的。

SREBPs不同亚型的转录活性存在差异。有研究发现,因为蓄积了大量甘油三酯和胆固醇,SREBP-1a转基因小鼠的肝脏显著增大。相比之下,SREBP-1c转基因小鼠的肝脏只略微增大,只有轻度增加的甘油三酯,没有胆固醇增加。低密度脂蛋白(low density lipoprotein,LDL)受体和几种胆固醇合成酶的信使RNA(messenger ribonucleicacid,mRNA)在SREBP-1a转基因小鼠中升高,而在SREBP-1c转基因小鼠中没有升高。脂肪酸合酶和乙酰辅酶A羧化酶的mRNA在SREBP-1a转基因小鼠中分别升高了9倍和16倍,但在SREBP-1c转基因小鼠动物中只分别升高了2倍和4倍。研究人员用转染细胞进行实验也证实,相较于SREBP-1a,SREBP-1c在转录激活方面要弱得多。因此,SREBP-1a是更强的转录激活因子,而SREBP-1c可能在细胞需要较低速度的胆固醇和脂肪酸代谢基因的转录时产生[6]。

SREBPs不同亚型的功能有所区别。SREBP-1a是所有SREBPs响应基因的强效激活剂,包括介导胆固醇、脂肪酸和甘油三酯基因的转录。相比之下,SREBP-1c和SREBP-2的作用范围较SREBP-1a更为有限。SREBP-1c更偏向于增强脂肪酸合成所需的基因的转录,而不是胆固醇合成,其在脂质合成器官(如肝脏)中,对脂肪酸和甘油三酯(triglyceride,TG)的合成促进作用在营养调控中发挥主要作用。与SREBP-1a类似,SREBP-2具有较长的转录激活域,但它更倾向于激活胆固醇合成[6]。

1.3 SREBPs的激活及其影响因素

SREBPs是膜结合型转录因子,当它们在内质网(endoplasmic reticulum,ER)膜上合成后, SREBPs的C-末端结构域与SREBP剪切激活蛋白(SREBP cleavage-activating protein,SCAP)结合形成复合物,SCAP是一种多段膜蛋白,含有固醇感知结构域。SREBPs-SCAP复合物与胰岛素诱导基因1(insulin-induced gene 1,INSIG1)蛋白及胰岛素诱导基因2(insulin-induced gene 2,INSIG2)蛋白通过SCAP相互作用而被锚定在内质网中。在低甾体水平下,INSIGs会被E3连接酶泛素化并快速降解,随后SCAP将SREBPs引导到高尔基体,在这里SREBPs由两种膜结合蛋白酶加工。SREBP的ER腔环首先由一种丝氨酸蛋白酶-site-1蛋白酶(site-1 protease,S1P) 裁剪,随后由一种Zn2+金属蛋白酶-site-2蛋白酶(site-2 protease,S2P)进行进一步裁剪,生成具有转录活性的N-末端结构域并释放到细胞质中,这些结构域通过Importin β介导进入细胞核。而当细胞内胆固醇和氧化胆固醇水平较高时,SCAP通过其膜固醇感知结构域介导的构象变化,INSIGs变得稳定并与SREBPs-SCAP稳定结合,形成复合物保留在内质网膜中[7]。

SREBPs激活还受到除了胆固醇水平外的其他多种因素的影响。胰岛素通过其3'-非翻译区域提高INSIG2a mRNA的降解速度,INSIG2a的耗竭促进了SCAP-SREBP-1c复合物与COPII囊泡的结合,随后迁移到高尔基体被加工后释放活性物质[8]。有研究描绘了一条路径,即表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor,EGFR)信号通过增加葡萄糖摄取,促进了SCAP的N-糖基化,糖基化稳定了SCAP,减少其与INSIG1的结合,允许SCAP-SREBPs复合体移动到高尔基体,从而激活SREBPs的蛋白质加工[9]。

在某些情况下,多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids,PUFAs)可以阻止SREBPs的加工从而抑制其激活。有研究通过转染编码已知剪切位点被破坏的突变体的cDNA来检查SREBP-1和SREBP-2的蛋白质分解过程。在培养细胞中,突变体的SREBP-2蛋白质分解完全消除,而SREBP-1c突变体以及野生型在培养细胞和小鼠肝脏中的核提取物中显示大量的裂解产物。突变体SREBP-1c的激活在去脂条件下被诱导,并且能够被二十碳五烯酸(eicosapentaenoic acid,EPA)抑制,这一现象与SCAP和INSIG1无关[10]。

此外,一些激酶,如AKT、丝氨酸/苏氨酸激酶(Mitogen-Activated Protein Kinase,MAPK)、PAS激酶(proline-alanine-serine kinase,PASK)和AMP激活的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)等,也涉及到SREBPs激活的调控,对SREBPs成熟和稳定性具有影响。例如PASK在培养细胞以及小鼠和大鼠肝脏中对SREBP-1c的蛋白质成熟是必需的。AKT相关通路可以通过抑制脂肪酸合酶的去泛素化,破坏SREBP-1和SREBP-2降解复合物[11]。MAPK家族成员外界信号调控激酶(Extracellular Signal-Regulated Kinase,ERK)的激活能够抑制SREBP-2的活化[12]。泛素连接酶E2O(Ubiquitin-conjugating enzyme E2O,UBE2O)、生物钟基因PER1(period circadian regulator 1)、罗汉果醇等分子均可以调控AMPK的磷酸化水平来影响SREBP-1的激活[13-15]。同时,AMPK被确定为INSIG1的上游调控因子,AMPK与INSIG相互作用并对其进行磷酸化来抑制其与E3泛素连接酶gp78的相互作用,从而抑制其泛素化和降解,增加其稳定性最终抑制了SREBP-1的裁剪和处理。

2 SREBPs相关通路在HCC发生及进展中的作用机制

2.1 激酶相关通路

2.1.1AMPK AMPK是一种重要的监测系统,存在于几乎所有真核生物中,在细胞内起着重要的能量代谢调控作用。AMPK是一个异源三聚体蛋白,由α、β、γ三个亚基构成[16]。它可以感应细胞内的腺苷单磷酸(adenosine monophosphate,AMP)和腺苷二磷酸(adenosine diphosphate,ADP)水平的变化。其主要功能包括能量调控、抑制脂质合成、调节细胞自噬及蛋白合成。能量平衡的失调被认为是多种人类疾病,如2型糖尿病、肥胖和癌症等的重要因素。因此,AMPK在维持能量平衡中的中心作用使其成为预防及治疗代谢性疾病和癌症等疾病的药物研究的吸引人的靶点[17]。

近年的研究表明,AMPK在HCC中是一个关键分子。UBE2O参与泛素-蛋白质酶体系统,该系统负责降解和调控细胞内蛋白质的转化率。当UBE2O在HCC中过度表达时,其对AMPK的抑制导致了磷酸化的哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of Rapamycin,mTOR)、MYC、Cyclin D1、缺氧诱导因子1α(Hypoxia-inducible factor 1α,HIF1α)和SREBP-1表达水平上升,进而影响肝癌细胞的增殖和迁移[13]。生物钟基因PER1对肝癌的调节作用也与AMPK/SREBP-1信号通路紧密相关,该通路参与脂质合成,从而对肝癌细胞的生物学特性产生影响,具体表现为促进肝癌细胞的增殖、集落生成、迁移和侵袭。西黄丸则可以通过抑制这一通路来发挥其抗癌作用[14]。此外,天然化合物罗汉果醇可以通过激活AMPK,有效降低SREBP-1c的蛋白水平,进而对肝癌细胞的脂质代谢产生调控作用[15]。在某些实验条件下,如高脂饮食与二乙基亚硝胺处理的大鼠模型中,AMPK的激活同样显现出对SREBP-1c的抑制作用,降低了大鼠H4IIE细胞的脂质合成[18]。

Ferroptosis(铁死亡)是一种以铁依赖性细胞死亡为特征的新型细胞死亡方式,其特点在形态学、遗传学和生物化学上与其他众所周知的细胞死亡方式不同。近年来,铁死亡在肿瘤领域引起了广泛的关注[19]。研究表明,乳酸可以抑制AMPK的活性,并通过SREBP-1的上调增强肝癌细胞对铁死亡的耐受性[20]。这些研究均强调了AMPK/SREBPs相关通路在肝癌的代谢调控中的重要地位,以及其作为潜在的治疗靶点的重要性。

2.1.2AKT 磷脂酰肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase,PI3K)/AKT信号传导途径是细胞中一个关键的信号转导网络,它涉及多种生物过程,如生长、代谢、生存和增殖。PI3K可以将细胞膜上的磷脂酰肌醇二磷酸(phosphatidylinositol 2-phosphate,PI2P)转化为磷脂酰肌醇三磷酸(Phosphatidylinositol 3-phosphate,PI3P)。AKT是PI3K信号通路中的一个关键效应器蛋白。PIP3作为一个二级信使,能够招募并激活AKT,AKT 的激活导致了多个下游靶点的磷酸化,进而导致一系列的信号传导事件。例如AKT可以抑制p53和BCL-2家族蛋白,抑制细胞凋亡。AKT还可以激活mTOR,从而刺激细胞生长和蛋白质合成。激活的AKT通常被认为是多种疾病,包括癌症、糖尿病和心血管疾病等的关键因素。PI3K/AKT信号途径在多种人类癌症中被发现异常激活[21],这使它成为许多抗癌疗法的目标[22]。

在HCC中,AKT信号途径在调节细胞脂质代谢和增殖中起到了关键作用。有研究表明,AKT/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1(mammalian target of Rapamycin complex 1,mTORC1)/核糖体蛋白S6途径可以通过抑制脂肪酸合酶的去泛素化、破坏SREBP-1和SREBP-2降解复合物等方式促进脂质合成,进而推动HCC细胞的增殖和存活[11]。肝细胞特异性敲除甲酰基转移酶环化脱氨酶(formimidoyltransferase cyclodeaminase,FTCD)会导致蛋白酪氨酸磷酸酶(phosphatase and tensin homolog,PTEN)/Akt/mTOR信号通路的活化,进而提高SREBP-2的表达,导致脂质积累和肝癌的发生[23]。油酸诱导的肝癌细胞脂肪变性模型表明,肝癌细胞的脂质积累与AKT/SREBP-1c/脂肪酸合成酶(fatty acid synthase,FASN)信号通路有关,并且这一过程可以通过尿石素A被抑制[24]。抑癌基因CC3(Cell Cycle 3)在HCC细胞中通过Akt/mTOR通路调控SREBP-1,影响脂质合成和细胞生长[25]。此外,活化的AKT能够磷酸化葡萄糖异生的限速酶磷酸脱羧酶1(phosphoenolpyruvate carboxykinase 1,PCK1),并与INSIG1和INSIG2结合,进而激活脂质合成相关基因,促进肝癌细胞增殖和肿瘤发展[26]。这些发现揭示了AKT在HCC中的作用机制,并为未来肝癌治疗提供了潜在的靶向策略。

2.1.3MAPK MAPK信号通路是一种重要的细胞信号传导通路,参与调控多种生物学过程。MAPK家族有几个不同的成员,其中包括:ERK、JNK(c-Jun N-terminal Kinase)和p38 MAPK。不同的MAPK成员在不同的细胞过程中发挥作用,如ERK在细胞生长和分化中发挥关键作用,JNK和p38 MAPK在炎症、应激和细胞凋亡中发挥关键作用。这个通路的异常激活或失活与多种疾病有关,包括癌症、炎症性疾病、神经系统疾病等[27]。

SLP2(Stomatin-like Protein 2)与JNK2之间的相互作用在HCC中发挥着重要作用。这种相互作用可以稳定JNK2蛋白,导致SREBP-1的活性升高,进而刺激新脂肪合成,促进HCC的发展[28]。另外,马普替林(Matrine)是一种自然产物,它通过结合细胞视黄酸结合蛋白1(CRABP1)并抑制ERK信号通路,减少了SREBP-2的磷酸化,从而抑制HCC细胞的增殖和转移[12]。这些发现为理解HCC的发病机制以及潜在治疗策略提供了重要线索。

2.2 其他

2.2.1乙肝病毒 乙肝病毒(Hepatitis B Virus,HBV)与肝癌之间存在密切的关联,慢性乙肝感染是肝癌的主要危险因素之一,并且乙肝病毒感染也是全球肝癌的主要原因之一。有研究表明HBV编码的x蛋白(HBx)对肝癌细胞脂质代谢和增殖具有调节作用。HBx显著增加了脂质代谢的重要调节因子CCAAT/增强子结合蛋白α(C/EBPα)和SREBP-1的蛋白水平以及HepG2细胞内的脂滴堆积,进而显著促进了肝癌细胞的增殖[29]。肝脏X受体(LXRα)在肝硬化组织中的表达普遍较高,而在原发性肝癌组织中表达较低。HBx 可以通过调节 LXRα的转录活性,影响其下游的靶基因 SREBP-1[30]。

2.2.2非编码RNA 非编码RNA(non-coding RNA,ncRNA)是一类RNA分子,与传统编码蛋白质的RNA(mRNA)不同,它们并不编码蛋白质,而在细胞内执行多种重要生物学功能。这些ncRNA可以分为不同的亚类,其中两个主要亚类是长链非编码RNA(lncRNA)和短链非编码RNA。非编码RNA在细胞过程中扮演着重要角色,如基因表达调控、细胞信号传导、RNA稳定性、翻译和染色体结构的维护。它们也在包括癌症在内的许多疾病中发挥关键作用。ZHX2(Zinc fingers and homeoboxes 2)是一种已知的抑癌转录因子,对HCC的发展具有抑制作用。其机制之一是通过促进miR-24-3p的表达,抑制SREBP-1c并减少肝癌细胞脂质合成,从而减缓HCC进展[31]。此外,lncRNAs在肝癌中也扮演着关键的调控角色。研究者通过芯片技术发现SNHG3(Small Nucleolar RNA Host Gene 3)在HCC中的表达升高,抑制SNHG3导致肝癌细胞中脂质含量和SREBP-1c表达降低[32]。

2.2.3中药 传统中药以其多样性的成分和多效性的治疗机制,对缓解癌症症状和提高生活质量起到积极作用。中药配合手术、化疗和放疗可以减轻副作用,提高疗效。五叶地黄植物的主要成分五叶地黄皂苷(Gyp)已经被证明可以抑制Huh-7和Hep3B细胞的增殖和迁移、诱导HCC细胞的凋亡。其分子机制为Gyp通过抑制3-羟基-3-甲基戊二酸合成酶1(3-Hydroxy-3-Methylglutaryl-CoA Synthase 1,HMGCS1)的转录因子SREBP-2,阻止了甲酮酸通路介导的胆固醇合成。这一作用有助于控制异常的胆固醇代谢。这意味着靶向SREBP-2/HMGCS1轴可能成为一种有效的HCC治疗策略[33]。目前中药研究仍在进行中,需要更多临床试验和科学验证,以明确其在肿瘤治疗中的确切作用机制,为癌症患者提供更多选择。

3 小结和展望

SREBPs在肝细胞的脂质代谢中起到关键作用,正常的脂质代谢对细胞增殖和生存是至关重要的。当SREBPs的调控失衡,可能会导致肝细胞中的脂质积累,为HCC的发生创造条件。SREBPs与HCC之间的关系涉及多个通路,其中激酶相关通路如AMPK、AKT和MAPK等发挥着关键作用。这些研究突显了SREBPs介导的代谢重编程在HCC发生和进展中的重要作用。为未来研究和治疗提供了重要线索。深入理解这些通路的机制将有助于开发新的治疗策略,可能为肝癌患者提供更有效的治疗选择。