eIF4E生物學功能及其在腫瘤中作用研究進展

曲怡梅，李亮亮　綜述，徐　寧　審校

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eIF4E生物學功能及其在腫瘤中作用研究進展

曲怡梅1,2，李亮亮2綜述，徐寧3審校

真核細胞翻譯起始因子4E；生物學功能；腫瘤

隨著分子生物學及腫瘤基因組學的研究進展，近年，針對腫瘤的分子靶向治療進展迅速。腫瘤分子靶向治療藥眾多，根據(jù)其作用機制可以分為兩大類，一類是針對癌基因依賴靶點的靶向治療[1]，這類藥物以引起腫瘤的驅(qū)動基因為靶點。另一類針對非癌基因依賴靶點的靶向治療[2]，這類藥物的靶點蛋白在正常細胞中也存在，只是腫瘤細胞為了快速生長增殖對這類蛋白質(zhì)需求量遠大于正常細胞，例如針對分子伴侶熱休克蛋白的靶向治療。腫瘤細胞的生長增值需要大量的蛋白質(zhì)，研究表明真核生物蛋白質(zhì)調(diào)控相關蛋白異常與腫瘤發(fā)生發(fā)展有關，因此針對蛋白質(zhì)翻譯調(diào)控靶點成為非癌基因依賴靶向治療的研究熱點。而真核細胞蛋白質(zhì)翻譯調(diào)控的限速步驟主要在翻譯起始階段，而真核細胞翻譯起始因子4E(eukaryotic traslation initiation factor 4E， eIF4E)作為翻譯起始階段的重要調(diào)控因子在多種腫瘤中表達異常。本文就eIF4E在腫瘤中的作用及以其作為靶點的分子靶向治療研究現(xiàn)狀給予綜述。

1　eIF4E的結(jié)構(gòu)、功能及其功能調(diào)控因素

1.1eIF4E的分子結(jié)構(gòu)eIF4E是蛋白質(zhì)翻譯起始階段真核生物蛋白質(zhì)起始因子復合物4(eukaryotic traslation initiation factor 4 ，eIF4F)的重要組成因子之一。人體eIF4E基因位于染色體4q21-25。eIF4E是一種25 KD的多肽，為進化保守的蛋白。該蛋白質(zhì)三維構(gòu)象顯示由2條8個色氨酸組形成的疏水口袋，可以和mRNA帽式結(jié)構(gòu)結(jié)合形成三明治夾心結(jié)構(gòu)。背部的疏水區(qū)域與真核細胞翻譯起始因子G(eukaryotic traslation initiation factor 4G ，eIF4G)結(jié)合。在哺乳動物中eIF4E存在3種同源異構(gòu)體，分別是eIF4E1(eIF4E)、eIF4E2(4EHP)和eIF4E3。其中eIF4E2不能與eIF4G結(jié)合，而eIF4E3不能與eIF4E結(jié)合蛋白(eIF4E-binding protein 4EBP)結(jié)合[3]，這些功能區(qū)別提示它們在翻譯起始調(diào)控中起著不同的作用。

1.2eIF4E的生物學功能eIF4E廣泛分布在真核細胞內(nèi)，在細胞胞漿內(nèi)彌散分布，分布在細胞核內(nèi)的參與mRNA從細胞核向細胞漿轉(zhuǎn)運的過程。

大部分真核生物mRNA通過帽依賴方式進行翻譯。eIF4E是真核生物帽依賴mRNA翻譯起始蛋白復合物eIF4F的重要組成部分，在翻譯起始階段eIF4E與mRNA5’m7GpppN帽式結(jié)構(gòu)結(jié)合，而后與骨架蛋白eIF4G結(jié)合，eIF4G與eIF4A結(jié)合形成eIF4F復合物，再通過與真核細胞翻譯起始因子3(eukaryotic traslation initiation factor 3 eIF3)的相互作用招募40S核糖體復合物將mRNA與40S核糖體復合物連接在一起形成48S復合物，從而啟動蛋白質(zhì)翻譯階段[4]。在這個過程中eIF4E與mRNA5’m7GpppN帽式結(jié)構(gòu)結(jié)合是最關鍵的限速步驟[5]。

mRNA翻譯過程是細胞內(nèi)最耗費能量的生物過程，同時mRNA翻譯過程參與基因表達的調(diào)控，近期研究表明mRNA翻譯過程的調(diào)控是哺乳動物蛋白組學調(diào)控的最關鍵步驟[6]。在啟動翻譯的能力方面mRNA是分等級的[7]。不同的mRNA啟動翻譯的能力能夠相差100倍，由于翻譯起始蛋白質(zhì)復合物及細胞能量有限，不同mRNA競爭性與翻譯因子結(jié)合從而啟動翻譯。啟動翻譯能力強的為“Strong RNA”, 啟動翻譯能力弱的為“Weak RNA”。 Strong RNA的5’帽結(jié)構(gòu)一般比較短且二級結(jié)構(gòu)比較簡單，易于和eIF4E結(jié)合啟動翻譯。Strong RNA多編碼管家基因蛋白質(zhì)。Weak RNA的5’帽結(jié)構(gòu)比較長、富含G+C且二級結(jié)構(gòu)比較復雜[8]，不易與和eIF4E結(jié)合啟動翻譯。Weak RNA多編碼與細胞生長增殖，血管生成相關的蛋白質(zhì)，這類蛋白質(zhì)也主要和細胞的惡性轉(zhuǎn)化相關。在細胞靜息情況下，游離eIF4E較少，因此主要是Strong RNA編碼的管家基因啟動翻譯，而Weak RNA編碼的與細胞生長增殖相關的基因較少被翻譯，但是當細胞生長時及細胞進行惡性轉(zhuǎn)變時，游離eIF4E明顯增多，Strong RNA編碼的管家基因翻譯量沒有明顯變化，而Weak RNA編碼的基因則大量被翻譯。因此Strong RNA編碼的基因則為eIF4E不敏感基因,主要是管家基因，如β-actin。Weak RNA編碼的基因也被稱之為eIF4E敏感基因[9]，多編碼與細胞生長增殖，血管生成相關的蛋白質(zhì)，這類蛋白質(zhì)也主要和細胞的惡性轉(zhuǎn)化相關,如cyclins,c-myc,VEGF。因此在細胞內(nèi)游離eIF4E明顯增多時，只會明顯增加eIF4E敏感基因的翻譯，并不是細胞整體蛋白質(zhì)翻譯增多。

分布在細胞漿內(nèi)的eIF4E主要參與mRNA翻譯，而細胞核內(nèi)的eIF4E則參與mRNA的轉(zhuǎn)運過程。部分mRNA的3’UTR中具有大約50個核苷酸單元的結(jié)構(gòu)，稱為eIF4E敏感單元(eIF4E sensitivity element 4E-SE)， eIF4E在細胞核內(nèi)通過與4E-SE結(jié)構(gòu)的結(jié)合將這部分mRNA轉(zhuǎn)運至細胞漿，依賴eIF4E進行的mRNA轉(zhuǎn)運機制不同于通常mRNA的轉(zhuǎn)運通路，通常mRNA的轉(zhuǎn)運依賴RNPs與TAP1核受體結(jié)合進行轉(zhuǎn)運，而依賴eIF4E的mRNA轉(zhuǎn)運通過CRM-1Ran轉(zhuǎn)運通路[10]。因此eIF4E在細胞核內(nèi)僅轉(zhuǎn)運具有eIF4E敏感單元(4E-SE)的mRNA，而這部分mRNA也就是在細胞漿內(nèi)eIF4E敏感mRNA。通過eIF4E的轉(zhuǎn)運作用提高細胞漿內(nèi)eIF4E敏感mRNA的濃度。研究表明eIF4E表達增多時可以改變核孔的組成增強eIF4E敏感mRNA的轉(zhuǎn)運[11]。

1.3eIF4E的表達調(diào)控及功能調(diào)控

1.3.1eIF4E基因表達的調(diào)控eIF4E在基因水平的調(diào)控主要有三方面機制：基因拷貝數(shù)增加，基因轉(zhuǎn)錄異常調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)錄后eIF4EmRNA的穩(wěn)定性，這三面可以同時發(fā)生，并不互相排斥。研究發(fā)現(xiàn)在一些頭頸部腫瘤中eIF4E基因拷貝數(shù)增加。eIF4E基因啟動子中包含有TATAbox序列，是c-Myc的作用靶點。受c-Myc調(diào)控轉(zhuǎn)錄。而同時c-Myc mRNA又是eIF4E敏感mRNA，形成了一個正反饋環(huán)路[13]。HuR同AUF1競爭結(jié)合eIF4E mRNA3’UTR中的富含AU序列，從而提高eIF4E mRNA的穩(wěn)定性[14]。eIF4E因子含有泛素作用位點，可以通過泛素化過程降解[15]。

1.3.2eIF4E磷酸化的調(diào)控人體eIF4E的S209位點可以被MAPK通路中的Mnk1/Mnk2磷酸化。Mnk1/Mnk2需要在滿足Mnk1/Mnk2與eIF4G的C端結(jié)合同時eIF4E與eIF4G的N端結(jié)合的條件下才能進行磷酸化反應[16]。

eIF4E的S209位點磷酸化后對eIF4E功能的影響目前有爭議。文獻[17]報道，磷酸化eIF4E減少總體蛋白質(zhì)的翻譯量，近期文獻報道磷酸化eIF4E可以選擇性增加一部分蛋白質(zhì)的翻譯量，其中包括Mc1[18]。實驗研究提示eIF4E非磷酸化突變體與野生型對比喪失了向腫瘤細胞轉(zhuǎn)變的潛能。進一步的實驗研究證實敲入eIF4E非磷酸化突變體的小鼠與敲除Mnk1/Mnk2小鼠類似均不能顯示惡性轉(zhuǎn)化表型，從這種小鼠體內(nèi)分離出來的胚胎成纖維細胞在受到RAS等癌基因刺激時不易向惡性轉(zhuǎn)化癌組織內(nèi)磷酸化eIF4E水平與前列腺癌Gleason評分正相關，磷酸化eIF4E可以增強一組mRNA的翻譯，這組mRNA與腫瘤進展有關，分別是炎性反應分子Cc1和Cc7以及基質(zhì)蛋白酶MMP3和MMP9[18]。因此，eIF4E磷酸化可能會促進腫瘤炎性分子和腫瘤轉(zhuǎn)移相關蛋白質(zhì)的翻譯，從而促進腫瘤進展和轉(zhuǎn)移。

eIF4E磷酸化受到MAPK通路中的Mnk1/Mnk2的調(diào)控，從而是MAPK通路的下游分子，另一方面由于Mnk1/Mnk2需要在滿足Mnk1/Mnk2與eIF4G的C端結(jié)合同時eIF4E與eIF4G的N端結(jié)合的條件下才能進行磷酸化反應。因此，同時受到Mnk1/Mnk2與eIF4G是否結(jié)合的調(diào)控，蛋白激酶α(PKCα)通過促進Mnk1/Mnk2與eIF4G的結(jié)合促進eIF4E磷酸化[19]，而PAK2則通過抑制Mnk1/Mnk2與eIF4G的結(jié)合抑制eIF4E磷酸化[20]。4EBP則通過抑制eIF4E與eIF4G的N端結(jié)合抑制eIF4E磷酸化。

1.3.3eIF4E功能調(diào)控因子eIF4E調(diào)控因子調(diào)控機制復雜，所有eIF4E調(diào)控因子均與eIF4E背部疏水區(qū)結(jié)合，這個區(qū)域距帽式結(jié)構(gòu)結(jié)合區(qū)約35個氨基酸，調(diào)控因子與eIF4E結(jié)合后可引起變構(gòu)效應或者阻止eIF4E與其他蛋白質(zhì)的結(jié)合(如eIF4G)。目前研究表明eIF4E調(diào)控因子可分為三類：具有與eIF4E結(jié)合的共有序列(YXXXXLΦ)，具有鋅指結(jié)構(gòu)的調(diào)控因子，不含有上述兩種序列的植物病毒。

第一類調(diào)控因子具有與eIF4E結(jié)合的共有序列(YXXXXLΦ)，其中X可以是任何氨基酸殘基，而Φ則是任何疏水氨基酸殘基，這個序列在結(jié)構(gòu)上形成螺旋式反L形和eIF4E疏水區(qū)結(jié)合。第一類調(diào)控因子包括4EBP，HoxA9、Hex/PRH等[21]。4EBP是目前研究最多的eIF4E調(diào)控因子，4EBP通過共有序列競爭性抑制eIF4G與 eIF4E結(jié)合，從而不僅抑制eIF4E與eIF4G結(jié)合還封閉與eIF4E結(jié)合的mRNA，最終抑制由eIF4E介導的帽依賴翻譯過程[22]。4EBP廣泛分布在胞核和胞漿中，具有抑制eIF4E介導的mRNA轉(zhuǎn)運和抑制eIF4E介導的帽依賴翻譯過程的作用。4EBP可被PI3K-AKT-mTOR信號傳導系統(tǒng)下游的mTOR分子磷酸化，磷酸化的4EBP無法與eIF4E結(jié)合，從而失去對eIF4E的抑制。研究報道HoxA9促進eIF4E介導的mRNA轉(zhuǎn)運和翻譯。Hex/PRH只分布于細胞核內(nèi)，抑制eIF4E介導的mRNA轉(zhuǎn)運[23]。第二類調(diào)節(jié)因子具有鋅指結(jié)構(gòu)并通過鋅指結(jié)構(gòu)與eIF4E疏水區(qū)結(jié)合，調(diào)節(jié)因子與eIF4E結(jié)合后可通過變構(gòu)效應引起eIF4E帽結(jié)合區(qū)空間結(jié)構(gòu)改變，從而調(diào)節(jié)eIF4E與mRNA的結(jié)合能力。一些研究報道PML通過通過鋅指結(jié)構(gòu)與eIF4E結(jié)合，使得eIF4E與mRNA的結(jié)合能力下降100倍，從而抑制eIF4E與mRNA的結(jié)合，由于PML分布在細胞核中，因此抑制eIF4E介導的mRNA轉(zhuǎn)運。第三類調(diào)節(jié)因子是與eIF4E結(jié)合的植物病毒。綜上所述，eIF4E調(diào)控非常復雜，是多條信號通路的下游分子。

2　eIF4E在腫瘤中的作用

在多種腫瘤中均可檢測到eIF4E表達量上調(diào)或功能異常，在乳腺癌癌組織eIF4E表達量較正常乳腺及良性腫瘤明顯增高[24]，在肺癌、頭頸部腫瘤、膀胱癌中癌組織的eIF4E表達量較正常組織明顯增高。同時也發(fā)現(xiàn)在多種腫瘤細胞系中eIF4E表達量較正常細胞增高，進一步研究表明在永生細胞系CREF或MM3MG中導入外源性eIF4E可誘發(fā)細胞惡性轉(zhuǎn)化，在人乳腺癌及頭頸部腫瘤細胞系中加入反義核酸抑制eIF4E表達可抑制腫瘤形成。上述研究提示eIF4E是促進細胞腫瘤轉(zhuǎn)化的重要因子。

eIF4E表達增多或游離eIF4E增多時可以增加eIF4E敏感mRNA的翻譯表達，部分敏感mRNA與細胞增殖分裂及惡性轉(zhuǎn)化有關，如C-myc是轉(zhuǎn)錄因子，Cyclin-D促使細胞從G1期進入S期。部分敏感mRNA表達蛋白則與新生血管形成有關，如FGF-2和VEGF，可促進血管內(nèi)皮細胞增殖。另一部分敏感mRNA表達蛋白則為基質(zhì)蛋白降解酶，如MMP-9和肝素酶，它們可促進腫瘤周圍基質(zhì)細胞層的重建，與腫瘤轉(zhuǎn)移相關。

在腫瘤治療過程中，腫瘤細胞的耐藥問題始終是腫瘤治療的難點。研究表明eIF4E過度表達可引起放療抵抗及化療藥物耐藥，eIF4E過度表達可以上調(diào)TLK1B蛋白的表達水平，TLK1B蛋白可以通過磷酸化組蛋白H3改變?nèi)旧w結(jié)構(gòu)從使細胞可以耐受放射線損傷出現(xiàn)放療抵抗。同時也能使細胞耐受阿霉素引起的損傷，導致細胞對阿霉素耐藥[25]。由于eIF4E是多條信號通路的下游分子，實驗研究表明eIF4E過度表達可引起腫瘤細胞也與部分腫瘤細胞靶向藥物耐藥有關，研究表明eIF4E過度表達與黑色素瘤細胞對抗BRAF靶向藥物耐藥相關[26]，eIF4E過度表達可能與乳腺癌細胞抗EGFR單抗耐藥相關[27]，eIF4E過度表達與肺癌細胞對厄羅替尼耐藥相關[28]。

3　靶向eIF4E的治療

由于eIF4E在腫瘤發(fā)生發(fā)展中起重要作用， eIF4E是抗腫瘤靶向治療的重要靶點之一。

目前針對eIF4E靶點的治療按作用機制主要分為四類，1.抑制eIF4E的表達，2.抑制eIF4E磷酸化，3.抑制eIF4E與eIF4G的結(jié)合，4.抑制eIF4E與5’帽式mRNA的結(jié)合。

Nahum Soneberg實驗室在1990年發(fā)表了第一篇關于eIF4E在腫瘤中的作用的研究報道，后續(xù)30年來人們開展了許多關于eIF4E功能調(diào)控的實驗研究，并設計了多種針對eIF4E靶點的靶向治療化合物。這些所有研究都提示eIF4E是轉(zhuǎn)錄后基因調(diào)控的關鍵節(jié)點，eIF4E是重要的抗腫瘤靶向藥物靶點，但目前針對eIF4E的靶向藥物仍處于研究前期，仍需要進一步深入研究eIF4E啟動翻譯起始的機制，并研究不同類型腫瘤中eIF4E的不同作用機制，針對不同機制設計更具有針對性的靶向藥物，從而對患者進行更精準的靶向治療。

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(2015-11-11收稿2016-02-19修回)

(責任編輯郭青)

本課題受首都醫(yī)學科學發(fā)展基金資助，課題編號 SF-2007-Ⅲ-15

曲怡梅，博士，副主任醫(yī)師。

1.100039北京，解放軍總醫(yī)院腫瘤科；2.100091北京,解放軍309醫(yī)院腫瘤科；3.100026，北京醫(yī)科院腫瘤醫(yī)院

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