P2X家族蛋白在肿瘤中的研究进展

黄丽艳,龙喜带

肿瘤微环境是肿瘤细胞得以生存的重要物质条件,肿瘤细胞通过与肿瘤微环境中的免疫细胞、血管内皮细胞等成分的相互作用而促进肿瘤的演进[1]。研究已证实,肿瘤微环境中存在较高浓度的细胞外ATP(extracellular ATP, eATP),高浓度的eATP是肿瘤细胞与肿瘤微环境得以进行信息交往的重要物质基础。越来越多的证据显示,eATP通过与其受体P2X家族蛋白结合而在肿瘤演进中发挥调控作用。P2X家族蛋白共有7个成员,均为离子通道型嘌呤受体。近年来的研究表明,P2X3、P2X4和P2X7等P2X家族蛋白成员在肿瘤中存在异常表达,并影响肿瘤增殖、侵袭等生物学行为,在肿瘤演进中起重要作用[1-5]。本文将简要综述P2X家族蛋白在肿瘤中的作用及相关进展。

1 P2X家族蛋白概述

P2X家族蛋白为离子通道型嘌呤受体,通过与eATP结合而被激活,激活后的P2X家族蛋白发生空间构象改变,进而开放通道,并允许Na+、K+等低价阳离子通过。迄今为止,在哺乳动物组织中,共鉴定了7个P2X家族蛋白成员,分别命名为P2X1～7,各成员可由不同浓度的eATP激活[6]。在结构上,P2X家族蛋白表现为三聚体形态,可为同源蛋白或异源蛋白组合而成。目前,只有P2X3、P2X4和P2X7三个成员的三聚体空间结构得到深入解析,它们的组成结构具有三重对称的特点,其细胞外结构域及跨膜结构域类似海豚结构,而细胞质结构域知之甚少[6-7]。通过氨基酸序列比对分析发现,组成P2X3、P2X4和P2X7蛋白的亚基具有35%～53%的相同氨基酸。但是,这三个成员的亚基长度存在较大区别,如构成P2X7蛋白的亚基含595个氨基酸;而构成P2X4蛋白的亚基只有388个氨基酸,两者的长度相差207个氨基酸。此外,P2X3、P2X4和P2X7蛋白的细胞质结构域也存在明显差异,这可能与其信号传导功能相关[6,8]。

2 P2X家族蛋白与肿瘤的关系

2.1 P2X7与肿瘤P2X7是跨膜蛋白,参与胚胎发育、机体免疫系统的完善、炎症和肿瘤发生等过程,其与eATP相互作用在肿瘤的发生、发展中发挥重要作用[9]。肿瘤发生后,肿瘤细胞向外释放ATP,使肿瘤细胞外间质的ATP浓度比正常组织细胞外间质的ATP浓度高,当P2X7与肿瘤eATP结合后被激活,从而使细胞膜上的跨膜通道打开,引起细胞内外离子失衡,引发细胞膜流动性和细胞框架的改变,同时也引发肿瘤微环境的改变,某些小分子物质通过这种改变进入细胞内部,从而改变细胞内分子代谢,激活相关信号通路,通过上述作用影响肿瘤细胞的生命活性[10]。此外,P2X7的激活可以增强细胞内糖酵解和氧化呼吸的葡萄糖代谢过程,从而促进细胞内ATP的产生。当细胞外出现缺氧等因素刺激时,细胞内的ATP会分泌至细胞外,而P2X7也会参与这个释放过程。因此,高浓度eATP激活P2X7可进一步促进ATP的产生和释放,从而产生正反馈,这为肿瘤快速生长的能量需求提供了强有力的支持[11]。也有研究表明P2X7在免疫细胞中广泛表达,并通过信号介导肿瘤细胞的免疫逃逸,从而促进肿瘤的形成[12]。

P2X7在大多数实体肿瘤和血液的恶性病变中均有表达,大量研究通过临床病理学分析发现：P2X7在甲状腺癌、乳腺癌、前列腺癌、胰腺癌、胆管癌、结直肠癌、皮肤癌、肺癌、头颈部鳞状细胞癌、神经细胞瘤、骨肉瘤、尤因肉瘤、软骨肉瘤、颅咽管瘤和血液癌症中均呈高表达[9-10,13-15]。体外细胞实验和实验动物模型进一步证实：P2X7可促进炎症因子、血管内皮生长因子和基质金属蛋白酶的释放,诱导形成炎性小体,激活肿瘤细胞内相关信号通路中的酶和激酶,进而促进肿瘤细胞的增殖、迁移和侵袭;使用拮抗剂或抑制剂抑制P2X7蛋白的活性后,肿瘤细胞的增殖、迁移和侵袭则受到不同程度抑制[10,13,16]。这些结果提示：虽然P2X7在肿瘤发生、发展中的作用非常复杂,但已有充分证据证明其可促进肿瘤的发生、发展,起到类似癌基因的作用。

然而,也有研究报道子宫颈癌中P2X7表达下调[17],这与上述P2X7具有促癌作用截然相反,这提示P2X7在不同肿瘤中可能发挥不同的作用,某些情况下对肿瘤具有促进作用,而在另一些情况下则抑制肿瘤的生长,即P2X7同时具有促肿瘤和抗肿瘤的双重特性,其原因可能与P2X7有多种剪切变异体和自身多态性相关,不同的剪切变异体可能负责不同甚至相反的生物学功能调节。目前认为这种对癌症双重调控作用的机制可能涉及肿瘤微环境的调控,包括：在肿瘤细胞外微环境中,如果使用较低剂量的ATP刺激时,P2X7表达的是氨基酸残基C(C-ter)截断的无功能形式,这种形式的受体不形成膜孔,仅作为离子通道,发挥促进肿瘤细胞增殖、侵袭的作用;当使用较高剂量的ATP刺激时,P2X7结构中的半胱氨酸残基发生棕榈酰化作用,促进P2X7受体形成大孔隙样结构,从而引起大量Ca2+内流,对细胞产生毒性作用,从而诱导细胞死亡[16]。

另外,邸泰霖等[18]发现：P2X7高表达的结直肠癌患者接受术前新辅助化疗可获得更好的疗效。这提示P2X7高表达可作为评估结直肠癌患者进行术前新辅助化疗的重要分子标志物。也有研究表明,P2X7参与癌痛机制的调节,当P2X7感应到高浓度eATP后,其离子通道就会激活,使细胞外Ca2+和Na+发生内流,而K+发生外流,从而引发一系列的炎性反应并增加神经末梢疼痛感觉的敏感性;同时,神经细胞上的P2X7激活后,可能会增加神经元的兴奋性,改变疼痛信号的传输和处理,从而增加癌痛的感觉。这些发现意味着P2X7或许可以作为治疗癌症疼痛和情感抑郁的靶点,成为评估和治疗癌痛的潜在指标,为癌症患者带来福音[19-20]。综上,尽管P2X7在癌症发生、发展中的具体作用及相关机制未能详尽阐明,但越来越多的证据表明,它在不同肿瘤或不同阶段起促癌或抑癌作用,这种对癌症的双重作用可能是由于其存在多种剪切变异体。

2.2 P2X4与肿瘤P2X4是P2X家族蛋白中对ATP较敏感的受体之一,也是该家族中对Ca2+渗透性最强的受体。P2X4蛋白在神经元、神经胶质细胞、心脏和血管平滑肌细胞和内皮细胞中表达较高。在大鼠模型中,P2X4主要存在于小胶质细胞、巨噬细胞和血管内皮细胞的溶酶体中,随后可移动和锚定到质膜[7]。有研究发现：在多种癌症中P2X4蛋白均存在高表达,并具有促进肿瘤形成和加快肿瘤侵袭的作用。Maynard等[21]通过前列腺癌临床组织样本的微阵列分析,发现与良性前列腺组织增生和上皮内瘤变相比,前列腺癌组织中P2X4表达更高。通过体外细胞学实验证实：前列腺癌细胞过表达P2X4后,癌细胞的迁移和侵袭能力增加;在P2X4蛋白激动剂刺激下,癌细胞亦出现类似反应;但当敲低P2X4表达或给予P2X4抑制剂刺激后,癌细胞的迁移和侵袭能力降低。He等[22]进一步证实了P2X4在前列腺癌中的这种促进作用。Chadet等[23]发现乳腺癌组织中存在P2X4高表达,且主要定位于溶酶体内,经细胞功能实验验证过表达P2X4后,能促进癌细胞增殖、侵袭和转移。Yang等[24]通过体外细胞实验和小鼠模型实验证明肿瘤相关巨噬细胞上P2X4表达可促进胶质瘤细胞侵袭和迁移的能力。Schmitt等[25]发现：在结直肠癌细胞的体外细胞学功能实验中,化疗药物诱导的癌细胞死亡可促进邻近癌细胞获得生长优势。可能机制为濒死的癌细胞通过释放ATP形成高浓度eATP,然后激活邻近癌细胞上的P2X4蛋白,并介导mTOR依赖性通路,从而提升癌细胞的生存活性。随后,Suzuki-Kerr等[26]也证实P2X4蛋白参与濒死癌细胞促进其周边癌细胞生长活性的过程。上述结果均表明P2X4蛋白具有促进肿瘤演进的作用。但是,也有相反的报道。如Reyna-Jeldes等[27]在研究嘌呤能受体参与胃癌衍生细胞系上皮-间充质转化和转移潜力的研究中发现,P2X4过表达可抑制胃癌衍生的细胞系增殖,敲低P2X4表达时可促进细胞增殖。由此可知,P2X4蛋白和P2X7一样,对癌症具有促癌和抑癌的双重特性,具体机制尚不清楚。此外,P2X4蛋白在癌痛中发挥重要作用,研究表明其在小胶质细胞和巨噬细胞中高表达,通过激活多种信号通路增强感觉信息的传递并诱发疼痛[28]。目前,P2X4蛋白抑制剂已应用于临床,P2X4蛋白可作为临床治疗部分恶性肿瘤的靶点,抑制P2X4活性可成为治疗癌痛及慢性疼痛的新手段。

2.3 P2X3与肿瘤研究表明,P2X3在背根神经节的痛觉感觉神经元上高表达,参与多种疼痛机制的调节,其主要以同源三聚体的形式存在,部分以异构体(P2X3/P2X2)的形式存在[7],P2X3在肿瘤中的作用主要与癌痛相关。He等[29]研究发现,在背根神经节神经元中,P2X3在Wnt5b/Ryk的介导下向膜转运增加,从而引发外周神经致敏和骨癌疼痛。也有研究报道,P2X3蛋白或异构体的激活参与骨癌引起的疼痛以及外周痛觉神经致敏,抑制P2X3或异构体的活性则可以对骨癌疼痛发挥镇痛作用[30-32]。此外,P2X3除在癌痛中起作用外,也有报道其受VSNL1的调控促进胃癌细胞的增殖和迁移[33]。P2X3的促癌痛特性使其可能成为癌痛治疗领域的新靶点。

2.4 其他P2X家族蛋白成员与肿瘤目前,P2X1、P2X2、P2X5、P2X6等其他P2X家族蛋白成员与肿瘤相关性的研究很少。近年有报道,敲低P2X1表达或使用P2X1抑制剂可抑制人急性髓系白血病细胞系的增殖[34];由辐射诱导的P2X6高表达可抑制人膀胱癌细胞系的生长,并获得良好的生存预后[35];大数据生物信息分析还发现,P2X5是促进结直肠癌进展的重要因素[36]。上述研究提示,P2X1对急性髓系白血病具有促进作用,阻断其表达可能成为临床治疗该病的新靶点,P2X6或可作为临床评估膀胱癌患者预后的生物学指标,抑制P2X5可能为临床控制结直肠癌病情的进展做出贡献。

3 结语与展望

综上所述,P2X家族蛋白作为ATP的受体,在多种肿瘤中存在异常表达,并与肿瘤增殖、侵袭和迁移等生物学行为有关。其中P2X7和P2X4对肿瘤增殖的影响呈现具有促进和抑制的双重性特征,这可能是不同表达或肿瘤微环境状态所决定的,具体机制有待深入研究。P2X4和P2X3还参与癌症诱发疼痛的过程,而其他P2X家族蛋白在肿瘤中的作用研究较少。因此,深入解析P2X家族蛋白成员在肿瘤演进中的作用及相关机制是该领域有待解决的重要内容,相关研究发现其有望成为肿瘤诊断及预后判断的标志物,同时还可能成为癌痛治疗的新靶点。