多胺代謝與腫瘤細胞信號轉(zhuǎn)導

多胺代謝與腫瘤細胞信號轉(zhuǎn)導

王清 王艷林 曹春雨
（三峽大學醫(yī)學院分子生物學研究所，宜昌 443002）

腫瘤細胞的快速增殖依賴于細胞內(nèi)的多胺水平，耗竭細胞內(nèi)多胺可抑制腫瘤細胞增殖并誘導其凋亡。與此同時，細胞內(nèi)多胺含量的改變可以影響腫瘤細胞內(nèi)多種信號通路的活性，依據(jù)受影響信號分子功能的差異，這些信號通路活性的改變具有增強或抑制耗竭多胺產(chǎn)生的抗腫瘤效應的功能，從而對腫瘤細胞的生長、分化、遷移和侵襲產(chǎn)生不同的影響。綜述多胺對腫瘤相關(guān)信號通路的影響及其分子機制。

多胺 多胺代謝 腫瘤 信號轉(zhuǎn)導

多胺是哺乳動物細胞中的一類帶正電的烷基胺類小分子，包括腐胺（Putrescine，Pu）、精脒（Spermidine，Sd）和精胺（Spermine，Sm）。多胺可以通過與帶負電荷的生物大分子結(jié)合，影響DNA復制、轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)的功能，從而廣泛參與細胞增殖、分化和胚胎發(fā)育等多種重要生命活動過程。研究表明，腫瘤細胞的快速增殖依賴于細胞內(nèi)的高多胺水平，而腫瘤組織中高多胺含量是腫瘤病人預后不良的重要指標，由此多胺代謝途徑已經(jīng)成為抗腫瘤治療和分子靶向藥物研發(fā)的新靶點［1-5］。新近研究發(fā)現(xiàn)，用藥物或其它技術(shù)途徑干擾腫瘤細胞內(nèi)多胺代謝會導致多種腫瘤相關(guān)信號轉(zhuǎn)導通路活性的繼發(fā)性改變，依據(jù)受影響信號分子的功能差異，這些信號通路活性的改變有些對腫瘤細胞生長具有抑制作用，而有些則對腫瘤細胞產(chǎn)生應激性保護。深入探討多胺與信號傳導通路之間的相互作用及其分子機制，對研發(fā)更高效的抗腫瘤藥物和新的治療方案具有重要意義。本文將對該領(lǐng)域最新研究進展作一綜述。

1 多胺代謝途徑

多胺由精氨酸代謝而來，精氨酸在精氨酸酶的作用下轉(zhuǎn)化為鳥氨酸，隨后鳥氨酸經(jīng)脫羧反應生成腐胺，催化該反應的酶鳥氨酸脫羧酶（Ornithine decarboxylase，ODC）是多胺合成代謝的限速酶。腐胺進一步在精脒合成酶和精胺合成酶的作用下依次生成精脒和精胺。此合成過程需要的胺丙基由脫羧腺苷甲硫氨酸提供，后者則由S-腺苷甲硫氨酸脫

羧酶催化S-腺苷甲硫氨酸脫羧而產(chǎn)生。多胺的分解代謝途徑主要是由精脒/精胺N1-乙?；D(zhuǎn)移酶（Spermidine/spermine-N1-acetyltransferase，SSAT）和乙酰多胺氧化酶（Acetyl-polyamine oxidase，APAO）相繼催化完成的。SSAT催化精胺和精瞇的乙?；磻诰呋蚓返腘1位上加上一個乙?；怪謩e生成乙酰精脒和乙酰精胺。乙酰精胺和乙酰精脒要么通過APAO催化的氧化分解途徑分別逆轉(zhuǎn)變?yōu)榫吆透范瓿啥喟返拇x循環(huán)，要么通過位于細胞膜表面的特異性轉(zhuǎn)運載體而排出細胞外。此外，精胺也可在精胺氧化酶（Spermine oxidase，SMO）的作用下不通過乙?；虚g產(chǎn)物而直接被氧化為精脒。在上述兩種多胺降解代謝過程中，均可產(chǎn)生能誘導細胞凋亡的活性氧H2O2［1，6］。近年來，在以多胺代謝為靶點的抗腫瘤研究中，研究人員通過合成多胺結(jié)構(gòu)類似物誘導多胺代謝酶，如SSAT、SMO活性上調(diào)，從而在促進多胺代謝、降低細胞內(nèi)多胺水平的同時，產(chǎn)生大量活性氧H2O2誘導細胞凋亡發(fā)生，達到殺傷腫瘤細胞的目的。

2 多胺與腫瘤信號通路

2.1 Akt信號通路

Akt是一種絲氨酸/蘇氨酸特異性的蛋白激酶，又稱蛋白激酶B（PKB）。作為一種重要的促生長因子，它參與構(gòu)成磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）信號通路并在PI3K的下游發(fā)揮調(diào)控作用，具有促進細胞增殖和遷移、抑制細胞凋亡和調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄等功能，Akt的持續(xù)活化是腫瘤發(fā)生與發(fā)展的重要原因。

有研究發(fā)現(xiàn)，在用抑制劑抑制ODC活性而降低細胞內(nèi)多胺的同時，能顯著性上調(diào)Akt活性，提示細胞內(nèi)多胺水平對Akt信號通路活性具有重要影響。ODC是細胞內(nèi)多胺合成代謝限速酶，用ODC特異性抑制劑DFMO（Difluoromethylornithine，DFMO）處理細胞能夠顯著抑制多胺合成，導致細胞內(nèi)多胺水平下降，并誘導腫瘤細胞發(fā)生凋亡。過表達ODC則能夠拮抗細胞凋亡發(fā)生［7］。但Keledjian等［8］發(fā)現(xiàn)，用DFMO處理腸上皮IEC-6細胞在降低細胞內(nèi)多胺水平的同時，還使AKt上游信號分子PDK1的磷酸化水平升高，由此導致Akt磷酸化水平增加、活性增強。與此同時，細胞內(nèi)Caspase-3活性水平下降，從而抑制細胞凋亡。如果在降低小腸上皮IEC-6細胞內(nèi)多胺水平的同時，使用特異性抑制劑抑制Akt活性，則能夠顯著增加細胞內(nèi)Caspase-3的活性水平，促進細胞凋亡發(fā)生［8-10］。我們認為，DFMO誘導的Akt活性增加可能是細胞在應激條件下的一種代償反應，以保證腫瘤細胞在低多胺水平的環(huán)境下仍能存活。2009年，Kucharzewska等［11］也發(fā)現(xiàn)，降低正常內(nèi)皮細胞中的多胺水平能夠顯著提高PI3K/Akt信號通路活性，使其能抵抗低氧誘導的細胞凋亡。使用PI3K或Akt的特異抑制劑，則能夠逆轉(zhuǎn)這一現(xiàn)象。2013年初，Rajeeve等［12］發(fā)現(xiàn)，多胺代謝和PI3K/Akt信號通路之間存在相互反饋調(diào)節(jié)的關(guān)系，PI3K控制著細胞內(nèi)多胺的合成，用PI3K的特異抑制劑PI-103能夠顯著降低細胞內(nèi)腐胺和精脒的水平，而耗竭多胺則能誘導 PI3K信號通路激活。上述研究表明，多胺含量變化與PI3K/Akt信號通路之間有著重要的相互聯(lián)系［12，13］。本課題組新近研究發(fā)現(xiàn)，DFMO也能夠誘導人非小細胞肺癌A549細胞中Akt T308磷酸化水平增加，而Akt抑制劑LY294002與DFMO聯(lián)合應用顯著增加了DFMO誘導的A549細胞凋亡。該結(jié)果提示，多胺耗竭誘導的Akt激酶磷酸化將拮抗多胺含量下降所致的腫瘤細胞增殖抑制和凋亡誘導作用，這可能是臨床研究中單獨應用DFMO 治療腫瘤療效不佳的重要原因之一。

2.2 EGFR信號通路

表皮生長因子受體（Epidermal growth factor receptor，EGFR）在多種腫瘤細胞中高表達，參與并激活多種信號通路的級聯(lián)反應，如ERK、PI3K、AKT和STAT3信號通路等，與腫瘤細胞生長、增殖和遷移過程密切相關(guān)［14］。

EGFR在與其配體EGF結(jié)合而活化后，將進一步募集integrin-β3（整合素-β3）、Scr（一種絡氨酸激酶）和黏著斑激酶（Focal adhesion kinase，F(xiàn)AK）等因子，在此復合體中，活化的EGFR引發(fā)級聯(lián)式活化反應，依次激活Src、FAK和Rho-G蛋白酶，繼而活化細胞內(nèi)的相關(guān)信號傳導途徑而促進細胞的生長、侵襲與轉(zhuǎn)移。Ray等［15］的研究發(fā)現(xiàn)，在HEK細胞內(nèi)，高精胺含量能阻遏EGF誘導的EGFR與integrinβ3、Scr和FAK之間的相互作

用，抑制EGFR介導的信號傳導通路活性。體外實驗進一步發(fā)現(xiàn)，精胺能與Src的SH2結(jié)構(gòu)域特異性結(jié)合，從物理空間上阻斷EGFR與Src的相互作用，由此阻止EGFR對Src的激活效應，用DFMO耗竭細胞內(nèi)多胺可顯著性上調(diào)Src的激酶活性。上述研究結(jié)果提示，精胺可能是一種分子開關(guān)，它通過調(diào)節(jié)EGFR-Src之間的物理耦合和功能耦合而影響腫瘤細胞的生長、侵襲和轉(zhuǎn)移。高精胺含量阻遏EGFR信號通路將抑制細胞生長，這可能是細胞在高多胺環(huán)境下誘導的一種生長自限機制。Bhattacharya等［14］對IEC-6腸上皮細胞的研究也得出類似的結(jié)論。

有研究報道了另一種多胺調(diào)節(jié)EGFR活性的機制。該研究發(fā)現(xiàn)，用DFMO抑制細胞內(nèi)多胺合成能增加EGFR分子中Tyr173和Try845的磷酸化水平，由此使該受體活化。這種誘導作用迅速而短暫，DFMO處理5 min內(nèi)即可發(fā)生，但10 min后開始下降。在細胞培養(yǎng)基中加入外源性腐胺能阻斷DFMO誘導的效應，提示上述EGFR的磷酸化作用與多胺含量下降直接相關(guān)。EGFR的活化將提升細胞拮抗凋亡的能力，但用抑制劑特異性抑制integrin-β3、Scr、FAK和EGFR的激酶活性后，DFMO處理不再具有上述功能。此外，在缺失EGFR的細胞、EGFR發(fā)生K721A突變（無激酶活性）的細胞和EGFR發(fā)生Y845F突變（不能識別Src的磷酸化位點）的細胞中，DFMO處理均不能提升細胞抗凋亡的能力［16］。

2.3 整合素信號通路

整合素是一類定位于細胞膜表面的跨膜蛋白，主要功能為介導細胞與周邊環(huán)境之間的相互結(jié)合，包括其它的細胞和細胞外基質(zhì)成分。整合素能將細胞外環(huán)境中的化成成分和物理狀態(tài)信號傳入細胞內(nèi)，由此調(diào)節(jié)細胞周期、細胞形態(tài)和細胞蠕動等，并在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和侵襲轉(zhuǎn)移中發(fā)揮重要作用［17］。

整合素家族成員α9β1整合素與腫瘤細胞侵襲遷移密切相關(guān)，deHart等［18］道，α9β1整合素的這一功能受細胞內(nèi)局部多胺含量的調(diào)節(jié)，并與一種K+外流通道Kir（Inward-rectifier K channel）的功能密切相關(guān)。他們發(fā)現(xiàn)，在遷移細胞前鋒緣的偽足中α9β1整合素和Kir共定位。更重要的是，在這一局部的α9β1整合素的胞漿結(jié)構(gòu)域上募集并結(jié)合有多胺降解代謝的關(guān)鍵酶SSAT，后者通過降解精瞇和精胺而降低局部的多胺水平。精瞇和精胺已被證實是Kir通道的抑制劑，它們能結(jié)合到Kir孔道內(nèi)特異性帶負電荷的氨基酸殘基上，由此調(diào)節(jié)Kir的功能。精瞇和精胺含量下降將解除對Kir的抑制，從而使孔道開放，K+外流增加，繼而增加細胞遷移的能力。用Kir通道抑制劑或下調(diào)Kir通道復合體中Kir4.2亞基的表達，均能抑制α9β1整合素依賴的細胞遷移。K+外流增加促進細胞遷移的機制尚在探討之中，一種可能的解釋是，K+外流增加引起水繼發(fā)性外流而使細胞局部體積下降，這將引起細胞體部向細胞遷移方向回縮，由此產(chǎn)生遷移性蠕動。

2.4 p53信號通路

p53是目前發(fā)現(xiàn)的與人類腫瘤發(fā)病相關(guān)性最大的抑癌基因之一，主要通過細胞周期負調(diào)控、DNA損傷修復、促細胞凋亡和抑制腫瘤血管生成等作用抑制腫瘤生長。以 p53為中心的細胞信號轉(zhuǎn)導在腫瘤細胞中多處于異常狀態(tài)，包括p53基因突變和p53上游和下游細胞信號缺失等。近期研究發(fā)現(xiàn)，p53蛋白的磷酸化狀態(tài)顯著性影響其功能特征。Bhattacharya 等［19］對比分析了化療藥物喜樹堿（camptothecin）和多胺耗竭對小腸上皮細胞內(nèi)p53及細胞凋亡的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，喜樹堿通過活化ATR激酶和JNK/AKT，一方面使p53在Ser15位點上發(fā)生磷酸化；另一方面抑制p53的泛素化降解，結(jié)果導致磷酸化p53在細胞內(nèi)大量堆積。在細胞核內(nèi)，磷酸化p53上調(diào)促凋亡蛋白Bax和下調(diào)凋亡拮抗蛋白Bcl-XL的表達水平，由此經(jīng)線粒體途徑活化Caspase-9 和Caspase-3，最終誘導細胞凋亡。此外，磷酸化p53還能誘導細胞周期相關(guān)蛋白p21Cip1表達，p21Cip1是一種細胞周期素依賴的蛋白激酶（CDK）的抑制劑，能抑制cyclin-CDK1和cyclin-CDK2復合體的活性，并將細胞阻滯與G1期。與之不同的是，用DFMO處理耗竭細胞內(nèi)的多胺后，首先引起Akt 蛋白中Ser473位點磷酸化而使其激活，活化的Akt再經(jīng)Mdm2途徑抑制p53的泛素化降解，由此導致非磷酸化的p53在細胞內(nèi)堆積。在細胞核內(nèi)，非磷酸化的p53也能誘導p21Cip1的表達并由此抑制細胞周期，但這種非磷酸化的p53不是誘導而是抑制Bax

的表達水平，由此使細胞獲得拮抗細胞凋亡的能力［19］。

2.5 CDK4信號通路

CDK4是一種細胞周期G1-S轉(zhuǎn)化必須的周期素依賴的蛋白激酶，它的表達主要受轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控。活化轉(zhuǎn)錄因子-2（Activating transcription factor-2，ATF-2）是參與CDK4表達調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子之一，它通過其C末端的堿性亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域與其它蛋白分子形成同源或異源二聚體，并結(jié)合到靶基因啟動子上而發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)功能。Xiao等［20］對小腸上皮細胞的研究發(fā)現(xiàn)，用DFMO耗竭細胞內(nèi)多胺能通過穩(wěn)定ATF-2 mRNA而升高細胞內(nèi)ATF-2的表達水平，隨后ATF-2與另一轉(zhuǎn)錄因子JunD形成ATF-2/JunD異源二聚體，該二聚體能與CDK4啟動子結(jié)合并抑制該基因轉(zhuǎn)錄，由此降低細胞內(nèi)CDK4水平和抑制細胞增殖。

3 結(jié)語

腫瘤細胞快速生長對細胞內(nèi)多胺水平的高度依賴使多胺代謝途徑成為潛在的腫瘤治療分子靶點，通過耗竭腫瘤細胞內(nèi)的多胺來抑制腫瘤細胞增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移是當前腫瘤防治研究的熱點領(lǐng)域。耗竭多胺所致的腫瘤相關(guān)信號傳導通路活性的改變，有些是耗竭多胺抑制腫瘤的分子基礎(chǔ)，有些則是保護腫瘤細胞的應激性反應，并由此弱化耗竭多胺對腫瘤的治療作用，如圖1所示。更深入地探討多胺與腫瘤相關(guān)信號通路之間的相互關(guān)系并闡明其分子機制，對研發(fā)更為有效的靶向多胺代謝的抗腫瘤藥物和多靶向聯(lián)合治療途徑具有重要意義。

圖1 多胺代謝與腫瘤細胞信號轉(zhuǎn)導示意圖

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（責任編輯 狄艷紅）

Polyamine Metabolism and Signaling Transduction in Tumor Cells

Wang Qing Wang Yanlin Cao Chunyu
（China Three Gorges University，Medical College，Institue of Molecular Biology，Yichang 443002）

The rapid growth of tumor cells depends on their higher intracellular polyamine levels compared to normal cells. Depletion of intracellular polyamine could inhibit tumor cells’ proliferation and induce tumor cells apoptosis. It is worth noting that, the alteration of the intracellular polyamine concentration have an obvious effect on multiple cell signal transduct in tumor cells. Because of the functional diversity and complexity of cell signalling molecules, the regulation of these signaling pathways activity result in both activated or suppressive effect on tumor cell survival, differentiation, migration and invasion. This article summarized the effects of polyamines metabolism on tumor-associated signalling pathways and the underlying molecular mechanism.

Polyamine metabolism Signalling transduct Tumor

2013-06-25

國家自然科學基金資助項目（30772590），三峽大學培優(yōu)基金資助項目（2013PY052）

王清，女，碩士，研究方向：腫瘤分子生物學；E-mail：ctgubwangqing@163.com

曹春雨，男，博士，研究方向：腫瘤分子生物學；E-mail：407788923@qq.com