O-GlcNAc糖基化修饰在恶性肿瘤中作用的研究进展

彭佳欣，张自辉，刘婧纯，洪莉

武汉大学人民医院妇产科，武汉430060

随着人口老龄化加剧，恶性肿瘤的疾病负担在全球范围内持续上升，恶性肿瘤的防控形势非常严峻。因此，深入研究恶性肿瘤的发病机制，制定符合卫生经济学要求的预防和控制策略仍是当务之急［1］。蛋白质翻译后修饰是指翻译后的蛋白质以共价方式在氨基酸残基上添加或移除特定基团，继而改变蛋白质构象、定位、功能等的化学修饰过程。常见的蛋白质翻译后修饰有磷酸化、乙酰化、泛素化、甲基化和糖基化等［2］，这些修饰方式在诸多生命活动调控中扮演至关重要的角色。O连接N-乙酰氨基葡萄糖（O-GlcNAc）糖基化修饰是一种动态可逆的蛋白质翻译后单糖修饰，通过β-糖苷键将GlcNAc连接到蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残基上。O-GlcNAc糖基化修饰可在多个水平上调节蛋白质功能，如酶活性、能量代谢、亚细胞定位、分子间相互作用等，参与调控细胞内多种重要的生物学过程［3］。近年研究发现，O-GlcNAc 糖基化修饰异常与多种疾病的发生、发展密切相关，如肿瘤、心血管疾病、神经退行性疾病和免疫系统疾病等［4］。有研究认为，O-GlcNAc糖基化修饰异常是肿瘤细胞的重要特征之一，可促进肿瘤细胞的增殖、侵袭和迁移等［5］。本文结合文献就O-GlcNAc 糖基化修饰在恶性肿瘤中作用的研究进展作一综述。

1 O-GlcNAc糖基化修饰概述

O-GlcNAc 糖基化修饰是将GlcNAc 以β-糖苷键形式共价连接到细胞内蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残基上的一种翻译后修饰方式。正常情况下，细胞吸收的葡萄糖大部分进入糖酵解代谢途径，但仍有3%～5%葡萄糖从糖酵解途径分流到己糖胺生物合成途径（HBP），糖酵解的中间产物果糖-6-磷酸在谷氨酰胺果糖-6-磷酸氨基转移酶催化下转化为6-磷酸葡萄糖胺，然后在脂肪酸代谢物乙酰辅酶A、核酸代谢物三磷酸尿苷等存在的情况下，合成HBP 的最终产物尿苷二磷酸-N-乙酰葡萄糖胺（UDP-GlcNAc）［6］。UDP-GlcNAc 作为糖基供体在O-GlcNAc 转移酶（OGT）和O-GlcNAc 水解酶（OGA）的催化下参与细胞内O-GlcNAc 糖基化修饰过程。OGT 是一种相对分子质量为110 kD 的可溶性蛋白质，对调控细胞的各种生物学过程至关重要。在OGT催化下，O-GlcNAc糖基化修饰以UDP-GlcNAc 为底物，将O-GlcNAc 连接到细胞内蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残基上［7］。OGA 是体内唯一一个可从各种糖蛋白底物中水解O-GlcNAc 修饰的糖苷酶。OGA 通过催化O-GlcNAc糖苷键的裂解，从蛋白质上移除GlcNAc，从而完成去糖基化修饰［8］。OGT 和OGA 共同作用、动态调控细胞内蛋白质O-GlcNAc糖基化和去糖基化修饰，通过影响转录翻译、信号传导、蛋白质相互作用以及蛋白质定位等生物学过程，从而维持细胞结构和功能的稳定性［9］。

2 O-GlcNAc糖基化修饰在恶性肿瘤中的作用

越来越多证据表明，O-GlcNAc 糖基化修饰异常与肿瘤的恶性生物学行为和细胞代谢紊乱密切相关。O-GlcNAc 糖基化修饰异常不仅能促进肿瘤细胞恶性增殖、侵袭、迁移以及血管生成和免疫逃逸，增强干细胞特性和耐药性，还能干扰细胞内葡萄糖、脂质和氨基酸代谢。

2.1 O-GlcNAc糖基化修饰促进肿瘤恶性生物学行为

2.1.1 促进肿瘤细胞恶性增殖 PI3K/AKT 信号通路是一条与细胞增殖和存活密切相关的信号通路。在许多肿瘤中，PI3K/AKT 信号通路被过度激活，从而导致肿瘤细胞异常增殖。据报道，在宫颈癌中，高水平的O-GlcNAc 糖基化修饰可激活PI3K/AKT 信号通路，促进AKT 磷酸化，从而驱动肿瘤细胞恶性增殖［10］。在卵巢癌中，O-GlcNAc 糖基化和c-Jun蛋白可形成正反馈回路，从而促进肿瘤细胞无限增殖，其机制与O-GlcNAc 糖基化的c-Jun 转录因子可引起原癌基因MUC1过表达有关［11］。O-GlcNAc糖基化修饰还可激活结肠癌细胞中PGK1 的Thr255位点，而O-GlcNAc 糖基化修饰的PGK1 可促进葡萄糖代谢，加速肿瘤细胞增殖。此外，PGK1 的Thr255位点O-GlcNAc 糖基化修饰可与PGK1 的Ser203 位点磷酸化协同作用，促进PGK1 易位至线粒体中，加速糖酵解进程，从而促进肿瘤细胞增殖［12］。O-GlcNAc 糖基化修饰还可通过影响细胞周期进程而调控细胞增殖。有研究表明，抑制肝癌细胞中OGT 表达和O-GlcNAc 糖基化修饰会导致细胞周期停滞，细胞停滞于G0/G1期，进而导致肝癌细胞增殖抑制［13］。O-GlcNAc 糖基化修饰水平增高亦可减少泛素化细胞周期蛋白D1（CCND1）积累，延迟其蛋白酶体水解，增强CCND1 稳定性，进而调节细胞周期进程，促进肿瘤细胞恶性增殖［14］。由此可见，O-GlcNAc 糖基化修饰可通过激活增殖相关的信号通路和阻滞细胞周期进程，促进肿瘤细胞恶性增殖。

2.1.2 促进肿瘤细胞侵袭和迁移 上皮间充质转化（EMT）是肿瘤细胞侵袭和迁移的重要机制之一，由诱导信号、转录调节因子和下游效应器驱动。TGF-β 信号通路可介导EMT 发生，而SMAD4 是TGF-β 信号通路的主要调节因子。有研究报道，O-GlcNAc 糖基化修饰可增强SMAD4 稳定性，激活TGF-β 信号通路，诱导EMT 发生，从而促进肿瘤细胞的侵袭和迁移［15］。在结直肠癌中，转移淋巴结中OGT和O-GlcNAc糖基化修饰显著增加，OGT可通过促进O-GlcNAc 糖基化修饰，增强EZH2 稳定性，从而促进肿瘤细胞的侵袭和迁移［16］。在肝癌中，赖氨酸乙酰转移酶5（KAT5）的O-GlcNAc 糖基化修饰对肿瘤细胞的侵袭和迁移至关重要，抑制OGT 或降低KAT5 表达能够显著抑制肝癌细胞的侵袭和迁移［17］。以上研究表明，O-GlcNAc 糖基化修饰可通过促进EMT 或激活侵袭、迁移相关基因的表达，发挥促进肿瘤细胞侵袭和迁移的作用。

2.1.3 促进肿瘤新生血管生成 O-GlcNAc 糖基化修饰水平升高可促进Ang-2分泌，而Ang-2是一种促进血管生成的细胞因子，能够促进血管内皮细胞增殖和迁移，刺激新生血管生成［18］。因此，O-GlcNAc糖基化修饰水平升高可刺激肿瘤组织新生血管生成，为肿瘤生长提供适宜的微环境。基质金属蛋白酶家族（MMPs）在血管生成中亦发挥着重要作用［19］。有研究表明，O-GlcNAc 糖基化修饰可上调MMP1、MMP2 和MMP3 表达，增强血管通透性，从而促进肿瘤细胞迁移［20］。另有研究发现，O-GlcNAc 糖基化修饰还可通过抑制NF-κB p65 特定位点的磷酸化，减少血管内皮细胞中炎症因子释放，促进损伤血管内皮的修复［21］。

2.1.4 促进肿瘤干细胞特性 在乳腺癌中，OGT和O-GlcNAc 糖基化修饰水平升高可导致肿瘤干细胞样细胞增加，而抑制OGT 和O-GlcNAc 糖基化修饰则可减少肿瘤干细胞样细胞并降低参与促进自我更新的转录因子表达［22］。除了直接调控肿瘤干细胞样细胞特性外，OGT和O-GlcNAc糖基化修饰还可通过调节其他因子的表达和活性，诱导肿瘤干细胞样细胞特性。MYBL1 在多种实体肿瘤中扮演原癌基因的角色，肿瘤干细胞样细胞受MYBL1 负性调控。在结肠癌中，MYBL1 是O-GlcNAc 调控的靶标，OGT可通过O-GlcNAc 糖基化修饰增强MYBL1 启动子中CpG 岛的甲基化，从而降低MYBL1 活性，限制MYBL1 依赖性基因转录，抑制MYBL1 蛋白表达，进而调控肿瘤生长［23］。此外，许多干细胞因子可直接被O-GlcNAc 糖基化修饰，这可能有助于O-GlcNAc调控肿瘤干细胞样细胞。SOX2 是一种重要的干细胞因子，在胰腺癌细胞中可被OGT 直接修饰，从而保护SOX2 免于被降解，增强胰腺癌细胞的自我更新能力［24］。这些研究表明，O-GlcNAc 糖基化修饰在调控肿瘤干细胞样细胞方面具有不可或缺的作用。

2.1.5 介导肿瘤细胞耐药性 在乳腺癌中，叉头框蛋白A1（FOXA1）的O-GlcNAc 糖基化修饰水平升高可增强FOXA1稳定性，从而导致与促凋亡蛋白Bcl-2相互作用的细胞死亡介质下调，最终促进硼替佐米的耐药性；进一步研究发现，OGT 抑制剂联合硼替佐米能够诱导乳腺癌细胞凋亡［25］。此外，有研究证实，O-GlcNAc 糖基化修饰水平升高可诱导异种移植肿瘤对辐射的耐受力，而抑制OGT则会损害DNA双链断裂修复并抑制肿瘤生长［26］。另有研究表明，在骨肉瘤中抑制OGT 表达可减少RAD52 依赖性同源重组介导的DNA 双链断裂修复，最终导致细胞周期停滞和细胞增殖抑制［27］。由此可见，O-GlcNAc 糖基化修饰可通过参与调控细胞凋亡和DNA 损伤修复进而介导肿瘤细胞耐药性。

2.1.6 促进肿瘤细胞免疫逃逸 O-GlcNAc 糖基化修饰改变能够显著影响肿瘤微环境（TME）和相关免疫反应［28］。有研究表明，O-GlcNAc 糖基化修饰可促进巨噬细胞向M2型极化，并修饰STAT3上的Thr717位点。这些变化可促进炎症微环境形成，同时抑制免疫应答，导致肿瘤细胞增殖加速［29］。O-GlcNAc 糖基化修饰水平升高还可激活IL-6/STAT3 信号通路，促进肿瘤细胞侵袭和迁移，同时抑制树突状细胞抗原呈递和下调IFN-γ/CXCR3/CXCL10 反应轴，抑制CD8+T 细胞在肿瘤细胞中的积累，从而削弱细胞免疫并帮助肿瘤细胞免疫逃逸［30］。然而，O-GlcNAc 糖基化修饰在TME 和肿瘤免疫反应中作用的研究报道较少，其具体机制有待于进一步研究。

2.2 O-GlcNAc糖基化修饰介导细胞代谢紊乱

2.2.1 介导糖代谢紊乱 Warburg 效应是指肿瘤细胞即使在氧气充足的情况下仍然优先选择通过糖酵解而不是三羧酸循环获取能量［31］。在乳腺癌中，OGT 和O-GlcNAc 糖基化修饰可抑制肿瘤细胞糖酵解［32］，表明OGT 和O-GlcNAc 糖基化修饰对糖酵解具有潜在的调节作用。有研究报道，O-GlcNAc糖基化修饰可显著提高缺氧诱导因子1α 的稳定性，促进细胞代谢过程向Warburg 效应转变，从而促进肝细胞癌进展［33］。糖酵解过程中的M2 型丙酮酸激酶（PKM2）是OGT 和O-GlcNAc 的靶标。PKM2 的Thr405 和Ser406 处O-GlcNAc 糖基化修饰可增强PKM2 寡聚化及其活性，从而增强糖酵解［34］。O-GlcNAc 糖基化修饰在糖原合成和分解代谢过程中亦可发挥重要作用。在缺氧环境中，O-GlcNAc 糖基化修饰可正向调节肝糖原磷酸化酶（PYGL）活性，PYGL的Ser430处O-GlcNAc糖基化修饰水平升高可促进糖原分解，提高葡萄糖水平，以适应缺氧环境，从而促进肿瘤细胞生长［35］。由此可见，O-GlcNAc 糖基化修饰在糖酵解过程中发挥重要作用。

2.2.2 介导脂质代谢紊乱 在脂质代谢中，长链酰基辅酶A 合成酶4（ACSL4）是甘油三酯合成和脂肪酸β 氧化的关键酶。有研究发现，ACSL4 在多种恶性肿瘤细胞中高表达，并可促进肿瘤生长［36］。究其原因，ACSL4和O-GlcNAc 糖基化修饰的作用相互促进，进一步促进肿瘤细胞增殖并抑制其凋亡。在宫颈癌中，O-GlcNAc 糖基化修饰可增强脂肪酸合酶（FASN）活性，导致脂肪酸合成增加，而脂肪酸增加有助于饥饿条件下O-GlcNAc 糖基化修饰对肿瘤细胞的保护作用；此外，O-GlcNAc 糖基化修饰和FASN的双重抑制作用在体外可协同诱导肿瘤细胞凋亡［37］。甾醇调节元件结合蛋白1（SREBP-1）是脂肪酸、胆固醇和磷脂等脂质稳态的重要调节因子。虽然SREBP-1 不能被OGT 直接修饰，但OGT 的耗竭可增加SREBP-1 与E3 泛素连接酶FBW7 的相互作用，最终降低SREBP-1 水平及其转录靶标FASN 水平［38］，提示OGT 和O-GlcNAc 可间接调控SREBP-1稳定性，最终介导脂肪酸代谢紊乱。

2.2.3 介导氨基酸代谢紊乱 谷氨酰胺合成酶（GLUL）是谷氨酰胺合成的关键酶。GLUL 缺失的胰腺癌细胞O-GlcNAc糖基化修饰水平降低，其增殖速率降低；OGT 抑制剂可抑制GLUL 表达，并抑制肿瘤细胞增殖［39］。这表明OGT 和O-GlcNAc 糖基化修饰在谷氨酰胺代谢调控肿瘤细胞增殖过程中发挥重要作用。在结肠癌中，OGT和O-GlcNAc糖基化修饰水平升高会导致谷氨酰胺转运蛋白SLC1A5、SLC38A2表达升高，进而增加对谷氨酰胺的摄取；进一步研究发现，细胞迁移诱导透明质酸结合蛋白与OGT 和β-catenin 的相互作用，可导致β-catenin 的O-GlcNAc 糖基化修饰水平升高并增强其核易位，从而促进SLC1A5 和SLC38A2 过表达，诱导结肠癌细胞侵袭和迁移［40］。此外，在前列腺癌中，抑制OGT会增加丙氨酸氨基转移酶2 表达，进而抑制肿瘤细胞增殖［41］。以上研究表明，O-GlcNAc 糖基化修饰与谷氨酰胺、丙氨酸代谢有着密切联系，但其机制尚不完全清楚，还需进一步研究。

综上所述，O-GlcNAc 糖基化修饰是一种动态可逆的蛋白质翻译后单糖修饰，对维持正常的细胞功能至关重要，该修饰异常是肿瘤细胞的重要特征之一，不仅能促进肿瘤细胞恶性增殖、侵袭、迁移以及血管生成和免疫逃逸，增强干细胞特性和耐药性，还能干扰细胞内葡萄糖、脂质和氨基酸代谢。但目前O-GlcNAc 糖基化修饰在恶性肿瘤中的确切作用机制尚不完全清楚，还有待于进一步研究。