乙酰肝素酶與多配體蛋白聚糖-1在惡性腫瘤中的研究進(jìn)展

聞 波, 陳佳偉, 王鄭林, 周少波

(蚌埠醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院 普外科, 安徽 蚌埠, 233000)

硫酸乙酰肝素蛋白多糖(HSPG)是細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的重要組成部分，主要功能是結(jié)合配體并調(diào)節(jié)其與細(xì)胞表面信號復(fù)合物之間的作用，從而微調(diào)細(xì)胞信號[1]。多配體蛋白聚糖-1(SDC1)是最關(guān)鍵的HSPG, 主要表達(dá)于細(xì)胞表面、細(xì)胞外基質(zhì)及基底膜，具有調(diào)節(jié)代謝、轉(zhuǎn)運(yùn)和信息傳遞等功能。乙酰肝素酶(HPSE)是人體內(nèi)目前已知的唯一能夠降解HSPG鏈的糖苷酶，通過上調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)和縮短SDC1的硫酸乙酰肝素(HS)鏈，導(dǎo)致SDC1從細(xì)胞表面脫落。HPSE誘導(dǎo)SDC1的脫落形成HPSE/SDC1軸驅(qū)動生長因子信號傳導(dǎo)和調(diào)節(jié)細(xì)胞行為，促進(jìn)了惡性腫瘤的生長、轉(zhuǎn)移和血管生成。臨床[2-4]表明, HPSE在乳腺癌、多發(fā)性骨髓瘤、肉瘤等腫瘤中表達(dá)升高?，F(xiàn)將目前已經(jīng)報道的HPSE、SDC1在惡性腫瘤中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，包括HPSE和SDC1對惡性腫瘤的作用、HPSE/SDC1軸的形成以及針對該軸的抑制劑在腫瘤治療中的應(yīng)用情況，從而為抗腫瘤治療提供新的方向。

1 HPSE和SDC1調(diào)節(jié)腫瘤的進(jìn)展

腫瘤的治療因其復(fù)雜性使得各種手段受阻，這種復(fù)雜性包括腫瘤細(xì)胞本身及其所在微環(huán)境內(nèi)的分子變化。腫瘤的侵襲、血管生成的特性以及其與ECM的相互作用促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞的增殖和轉(zhuǎn)移，這些惡性行為能力是惡性腫瘤難以通過手術(shù)和放化療等方法根除的主要原因。因此，尋找并調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境中的分子尤為重要。研究表明, HPSE和SDC1均能影響腫瘤的發(fā)生發(fā)展。

1.1 HPSE在惡性腫瘤中的表達(dá)及作用

HPSE在正常人組織中主要分布在胎盤、淋巴器官等免疫組織，而在腫瘤尤其是惡性腫瘤組織中卻廣泛分布[5]。HPSE切斷SDC1的HS鏈的作用，已被認(rèn)為是重構(gòu)ECM結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，其與腫瘤形成的所有步驟包括腫瘤的發(fā)生、生長、轉(zhuǎn)移和化療耐藥等有關(guān)[6]。雖然HPSE的促轉(zhuǎn)移能力是其酶活性與上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞ECM重塑的結(jié)果，但HPSE促進(jìn)腫瘤發(fā)生、生長和抗藥性的分子機(jī)制仍未完全闡明。

臨床研究[7]表明, HPSE的活性和非活性形式都能促進(jìn)AKT、STAT、SRC、Erk等信號傳導(dǎo)，這些信號傳導(dǎo)反過來激活參與腫瘤發(fā)生的基因轉(zhuǎn)錄。在頭頸部癌中，已經(jīng)證實(shí)HPSE的過度表達(dá)或外源性添加導(dǎo)致SRC的EGFR磷酸化增加，從而促進(jìn)細(xì)胞增殖。HPSE靶向乳腺上皮，通過增強(qiáng)Akt、Src和Stat5介導(dǎo)的磷酸化及信號傳導(dǎo)，促進(jìn)了乳腺腫瘤的生長、轉(zhuǎn)移。這種信號功能是由HPSE的C端結(jié)構(gòu)域作用導(dǎo)致的，在癌細(xì)胞中該結(jié)構(gòu)域的表達(dá)增加，可加速信號級聯(lián)和腫瘤生長。

腫瘤的生長和發(fā)展與其所處的微環(huán)境密切相關(guān)，而HPSE對腫瘤微環(huán)境也有重要的調(diào)節(jié)作用。GUTTER-KAPON L等[8]研究結(jié)果顯示，當(dāng)HPSE基因失活時，與對照組相比，轉(zhuǎn)基因小鼠的腫瘤發(fā)生明顯減少，如Lewis肺癌細(xì)胞接種所示，后者幾乎完全抑制了腫瘤的生長。此外，HPSE中和抗體抑制不表達(dá)HPSE的淋巴瘤細(xì)胞生長的實(shí)驗(yàn)[9]進(jìn)一步驗(yàn)證了HPSE在微環(huán)境中的關(guān)鍵作用。因此，可以得出以下結(jié)論: 中和腫瘤微環(huán)境中的HPSE能減緩腫瘤生長。HPSE過表達(dá)的腫瘤患者的術(shù)后生存時間明顯短于HPSE低表達(dá)的腫瘤患者，進(jìn)一步證實(shí)HPSE是腫瘤進(jìn)展和轉(zhuǎn)移的主要調(diào)節(jié)因子[10]。實(shí)驗(yàn)研究[11]表明HPSE過度表達(dá)促進(jìn)腫瘤生長、轉(zhuǎn)移擴(kuò)散和血管生成。其中，最先顯示HPSE過度表達(dá)的是上皮來源的實(shí)體瘤，包括結(jié)腸癌、胃癌、肝癌、胰腺癌、膀胱癌、前列腺癌、乳腺癌和甲狀腺癌。例如，HPSE在人膀胱的尿道上皮癌中過表達(dá)，并且HPSE的表達(dá)水平與膀胱癌的復(fù)發(fā)相關(guān)。在VORNICOVA O等[12]研究中發(fā)現(xiàn), HPSE可以作為乳腺癌早期診斷的指標(biāo)。相關(guān)研究[13]證明HPSE過度表達(dá)提示乳腺癌預(yù)后不良。在結(jié)直腸癌中，其表達(dá)升高伴有較高的TNM分期，進(jìn)一步促進(jìn)了血液和淋巴血管的浸潤，并且降低了患者的生存期。研究[14]表明, HPSE在黑色素瘤等惡性腫瘤中的轉(zhuǎn)錄高于正常組織，其通過促進(jìn)腫瘤組織的血管生成，與患者的預(yù)后呈負(fù)相關(guān)。特別是在實(shí)體腫瘤中，免疫組織化學(xué)分析顯示, HPSE在腫瘤侵襲區(qū)域的陽性率最高，而鄰近的健康組織卻沒有檢測到信號，證實(shí)HPSE是腫瘤侵襲的啟動子。總而言之，患有惡性腫瘤及腫瘤愈后的患者體內(nèi)HPSE的表達(dá)升高，促進(jìn)了腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移，而HPSE表達(dá)的下調(diào)可以抑制腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。

1.2 SDC1與惡性腫瘤

SDC1是研究最廣泛的HSPG, 在發(fā)育過程中由間充質(zhì)細(xì)胞瞬時表達(dá)，也存在于淋巴細(xì)胞分化的不同階段。SDC1介導(dǎo)了細(xì)胞的粘附、遷移，并調(diào)節(jié)細(xì)胞對生長因子和血管生成因子的反應(yīng)。因此, SDC1在增殖、分化、腫瘤發(fā)生和轉(zhuǎn)移中起著重要作用。細(xì)胞表面的SDC1被認(rèn)為能夠增強(qiáng)細(xì)胞與ECM的結(jié)合力，限制細(xì)胞遷移，提示上皮細(xì)胞SDC1的缺失增加了腫瘤細(xì)胞的遷移能力[15]。SDC1胞外區(qū)可與多種信號蛋白及轉(zhuǎn)化生長因子、成纖維細(xì)胞生長因子等生長因子結(jié)合，影響腫瘤的進(jìn)展。故外域的脫落可以破壞SDC1信號蛋白的連接，釋放生長因子，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖。

上皮細(xì)胞向間充質(zhì)細(xì)胞的轉(zhuǎn)化，即浸潤性癌細(xì)胞從上皮細(xì)胞向分化程度較低的間充質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化，是腫瘤進(jìn)展的關(guān)鍵過程。SDC1上皮表達(dá)缺失是上皮向間充質(zhì)轉(zhuǎn)化的標(biāo)志, SDC1在許多腫瘤中表達(dá)失調(diào)，例如, SDC1缺失時肺癌的致瘤性更強(qiáng), SDC1調(diào)控肺癌細(xì)胞釋放外顯子miRNA的表達(dá)，以及SDC1表達(dá)的缺失使外顯體中的miRNA增強(qiáng)了促腫瘤途徑的信號傳導(dǎo)，促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞的大量增殖和浸潤，證明肺癌細(xì)胞表達(dá)SDC1是一個積極的預(yù)后指標(biāo)[16]。一項(xiàng)關(guān)于乳腺癌的研究[17]發(fā)現(xiàn)SDC1過度表達(dá)與其侵襲性表型密切相關(guān)，其表達(dá)與激素受體ER、PR表達(dá)呈負(fù)相關(guān)，與Her2表達(dá)呈正相關(guān), SDC1表達(dá)增加患者預(yù)后不良，是總生存率和無復(fù)發(fā)/無轉(zhuǎn)移生存率的良好預(yù)測指標(biāo)。SDC1是最關(guān)鍵的膜蛋白多糖，在被HPSE脫落后，會積聚在某些腫瘤如骨髓瘤、前列腺癌和肺癌的細(xì)胞外基質(zhì)中，脫落后的SDC1與腫瘤細(xì)胞的惡性行為呈正相關(guān)。例如，脫落的SDC1在骨髓環(huán)境中的表達(dá)是多發(fā)性骨髓瘤的不良預(yù)后因素[18]。在前列腺癌中, SDC1表達(dá)越高的前列腺癌患者的Gleason分級越低，可溶性SDC1的血清水平可作為其生存率的獨(dú)立手術(shù)前預(yù)測指標(biāo)[19]。在不同的腫瘤中, SDC1具有不同的表達(dá)特性。例如，在大多數(shù)上皮性腫瘤中，如間皮瘤、膠質(zhì)瘤、口腔癌、肺癌、肝細(xì)胞癌、膽囊癌和膀胱癌等，發(fā)現(xiàn)上皮SDC1表達(dá)的喪失與高惡性腫瘤和不良預(yù)后有關(guān)[20-26]。然而，在其他實(shí)體腫瘤如乳腺癌和子宮內(nèi)膜癌中, SDC1在腫瘤進(jìn)展階段高表達(dá)，并且與不良預(yù)后相關(guān)。綜上, SDC1在不同腫瘤類型中的不同表達(dá)提示其作用可能受到潛在腫瘤類型的影響，這也解釋了在不同腫瘤中SDC1表達(dá)和預(yù)后的差異。

2 HPSE/SDC1軸形成的調(diào)控機(jī)制和功能

2.1 HPSE對SDC1表達(dá)和脫落的調(diào)控

HPSE是具有特異性識別和剪切特異位點(diǎn)功能的一種糖苷內(nèi)切酶，通過切斷ECM細(xì)胞表面的HS側(cè)鏈，使附著在SDC1上的相關(guān)生物活性分子被釋放出來，形成HPSE/SDC1軸，可以調(diào)節(jié)細(xì)胞信號傳導(dǎo)并重塑ECM。MMP-9和尿激酶型纖溶酶原激活物是SDC1的2種脫落酶, SDC1從細(xì)胞表面的切割是通過MMP、膜型MMP等各種金屬蛋白酶完成的。RANGARAJAN S等[1]對人類骨髓瘤細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，HPSE誘導(dǎo)SDC1的脫落是由以下2種不同的機(jī)制導(dǎo)致的: HPSE通過刺激腫瘤細(xì)胞中的細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)信號傳導(dǎo)，導(dǎo)致SDC1的脫落酶MMP的表達(dá)上調(diào); HPSE通過其酶活性縮短了SDC1的HS鏈，使SDC1核心蛋白更易于被蛋白酶切割。脫落后的SDC1可以與各種效應(yīng)分子(生長因子、胰島素受體等)局部/遠(yuǎn)端發(fā)揮作用，或在細(xì)胞表面形成核復(fù)合物，從而促進(jìn)生長因子信號傳導(dǎo)影響腫瘤的進(jìn)展。

2.2 HPSE/SDC1軸在細(xì)胞核中的功能

HPSE和SDC1不僅在細(xì)胞外表達(dá)，在細(xì)胞核中也發(fā)揮了重要的作用。KUMAR-SINGH A等[27]在間皮瘤細(xì)胞系中通過對SDC1的共免疫沉淀和核蛋白的蛋白質(zhì)組學(xué)分析，揭示了SDC1在細(xì)胞增殖、RNA合成和運(yùn)輸過程中起作用。有學(xué)者[28]認(rèn)為HPSE改變了核SDC1的水平，當(dāng)HPSE表達(dá)上調(diào)或向骨髓瘤細(xì)胞中添加重組HPSE后，SDC1的核定位急劇下降。HPSE調(diào)節(jié)SDC1核水平的機(jī)制可能是HPSE通過使SDC1易位至細(xì)胞核的能力喪失，以此來修飾SDC1。

2.3 HPSE/SDC1軸對生長因子信號傳導(dǎo)的影響

HPSE/SDC1軸主要通過影響驅(qū)動腫瘤進(jìn)展的蛋白質(zhì)，如肝細(xì)胞生長因子(HGF)、血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)和成纖維細(xì)胞生長因子-2(FGF-2)等因子表達(dá)或活化，從而促進(jìn)腫瘤生長，進(jìn)而產(chǎn)生易于腫瘤生長和轉(zhuǎn)移的微環(huán)境。HPSE和SDC1協(xié)同發(fā)揮作用以驅(qū)動生長因子信號傳導(dǎo)，主要機(jī)制是HPSE切割SDC1的HS鏈，從而促進(jìn)HS鏈螯合的生長因子的釋放和激活[29]。

HGF是由間充質(zhì)細(xì)胞表達(dá)的一種結(jié)合肝素的細(xì)胞因子，其與酪氨酸激酶受體c-met相互作用發(fā)出信號，調(diào)節(jié)血管生成、細(xì)胞遷移和存活等關(guān)鍵的生物學(xué)過程。HPSE會隨著SDC1脫落的增加而顯著增強(qiáng)HGF表達(dá)，可溶性HGF和脫落的SDC1結(jié)合在一起形成復(fù)合物，該復(fù)合物比單獨(dú)的HGF更能有效激活c-met信號傳導(dǎo)。RAMANI V C等[30]認(rèn)為HPSE被腫瘤細(xì)胞吸收，并誘導(dǎo)HGF、VEGF和MMP-9的表達(dá)以及激活ERK和Akt信號通路。

VEGF是由大多數(shù)實(shí)質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的一類蛋白質(zhì)，可調(diào)節(jié)血管的生成發(fā)育和細(xì)胞存活，并在自分泌和旁分泌信號傳導(dǎo)中起關(guān)鍵性作用。HPSE能夠內(nèi)切β-d-葡萄糖醛酸苷酶活性，還可上調(diào)VEGF-A和VEGF-C。HPSE上調(diào)VEGF的機(jī)制與其酶活性無關(guān)，而是由Src家族酪氨酸激酶的激活介導(dǎo)的。HPSE通過調(diào)控脫落的SDC1介導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和侵襲，當(dāng)SDC1從膜上脫落時，可以將整聯(lián)蛋白α4β1和血管內(nèi)皮生長因子受體2(VEGFR2)偶聯(lián)在一起，形成3種蛋白質(zhì)的復(fù)合物[31], 該復(fù)合物激活VEGFR2后能增強(qiáng)細(xì)胞侵襲、內(nèi)皮管形成和其他致瘤反應(yīng)。因此, HPSE通過調(diào)控HSPG, 如SDC1的結(jié)構(gòu)和功能，可以影響HGF和VEGF的信號傳導(dǎo)和細(xì)胞行為。

3 抑制HPSE/SDC1與腫瘤治療

HPSE/SDC1軸在腫瘤細(xì)胞的生長、轉(zhuǎn)移、血管生成等過程中發(fā)揮著重要的作用。目前，已經(jīng)開發(fā)了幾種HPSE抑制劑，包括天然產(chǎn)物衍生物、小分子和抗體等。由于與HPSE底物結(jié)構(gòu)的親和性，肝素及其衍生物抑制HPSE的研究受到了關(guān)注，但進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，肝素作為抗腫瘤治療受到其強(qiáng)大的抗凝作用限制，影響了抗腫瘤作用，低分子量肝素可在抑制HPSE的同時又不表現(xiàn)出抗凝活性。但各研究結(jié)論對使用低分子量肝素能否改善患者的存活率存在較大差異。

肝素模擬物可抑制肝素酶活性，其比肝素具有更低的抗凝活性和對HPSE的更高選擇性。第一代肝素模擬物PI-88, 是一種高度磺化的寡糖，具有強(qiáng)效的抗轉(zhuǎn)移和抗血管生成活性。PI-88已經(jīng)進(jìn)入了Ⅲ期臨床研究[32], 并且作為與肝炎病毒相關(guān)的肝癌術(shù)后患者的抗癌治療藥物。目前, PG545為最強(qiáng)大的肝素模擬物之一，其已在Ⅰ期臨床試驗(yàn)中用于不同類型實(shí)體瘤的抗癌治療。PG545及其類似物主要是通過抑制腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞的浸潤，發(fā)揮免疫刺激，抑制HPSE活性，其與VEGF、FGF結(jié)合，在體外能有效減少血管生成，并影響體內(nèi)腫瘤的發(fā)展。另一種化學(xué)修飾的非抗凝肝素SST0001通過下調(diào)HGF、VEGF和MMP-9, 以及破壞HPSE/SDC1軸抑制骨髓瘤的生長和血管生成。除骨髓瘤外, SST0001還能有效治療小兒肉瘤和胰腺癌等腫瘤[33]。此外，據(jù)報道[34-35]λ角叉菜膠(一種HS模仿物)以及M402也可在體內(nèi)抑制腫瘤血管的生成。

隨著對HPSE和SDC1在腫瘤侵襲轉(zhuǎn)移中的進(jìn)一步研究，功能性阻斷抗體作為抑制HPSE活性的另一種方法，也在一些腫瘤治療方面取得了顯著效果。WEISSMANN M等[9]研究證明中和HPSE酶活性的單克隆抗體9E8和H1023, 可通過抑制細(xì)胞侵襲和腫瘤轉(zhuǎn)移過程，治療彌漫性非霍奇金氏B細(xì)胞和濾泡性淋巴瘤。相關(guān)研究[36]發(fā)現(xiàn), HPSE的一種小分子抑制劑也被證明可以降低肝細(xì)胞癌模型的轉(zhuǎn)移特性。然而，大部分小分子抑制劑是高通量篩選的結(jié)果，由于缺乏HPSE晶體結(jié)構(gòu)，其發(fā)展受到了阻礙。此外，在抗腫瘤治療中應(yīng)用RNA干擾技術(shù)干擾HPSE/SDC1軸上關(guān)鍵信號通路或分子表達(dá)也取得了進(jìn)展，例如miRNA-1258可以通過降低HPSE的表達(dá)，從而減少乳腺癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移[37]。

盡管蛋白聚糖比HPSE更難靶向治療，但以下幾種方法表明其抗腫瘤的可行性。使用疏水性糖苷配基干擾蛋白聚糖核心蛋白上糖胺聚糖鏈的正常組裝，形成抗增殖糖胺聚糖，減少腫瘤的生長和血管生成; 在黑色素瘤和骨髓瘤的鼠模型中，產(chǎn)生具有抗腫瘤活性的硫酸乙酰肝素片段可以導(dǎo)致腫瘤生長受到抑制; 一種抗整合素抑制劑SSTN 92-119, 通過下調(diào)整聯(lián)蛋白αvβ3受體，從而降低VEGF和FGF-2的活化，可抑制肝癌細(xì)胞的血管生成和增殖[38]。此外，miRNA-143在多種癌癥類型中顯著減少，并起著抑癌作用，已證明其可通過靶向SDC1來抑制黑色素瘤細(xì)胞的生長[39]。

4 總結(jié)與展望

綜上所述, HPSE和SDC1在腫瘤生長和轉(zhuǎn)移中起關(guān)鍵性作用，可成為有效的抗腫瘤靶點(diǎn)。但是，目前許多HPSE抑制劑由于結(jié)構(gòu)不確定、過度硫酸化和生物利用度差，存在著不同的毒副作用。因此抗腫瘤藥物需進(jìn)一步篩選, HPSE底物類似物抑制劑已經(jīng)進(jìn)入了臨床研究。單克隆抗體和HPSE晶體結(jié)構(gòu)的研究以及如何調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境可能成為未來HPSE抑制劑開發(fā)的主要方向。但開發(fā)有效且毒副作用低的HPSE抑制劑仍有待進(jìn)一步深入研究，相信在不久的將來會發(fā)現(xiàn)活性更高、特異性更強(qiáng)的HPSE抑制劑，以更好地應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。