脯氨酸羥化酶2在消化系統(tǒng)惡性腫瘤中的研究進(jìn)展

滕霞麗，周 晶，周慧玲綜述，于 鴻審校

0 引 言

脯氨酸羥化酶(prolyl hydroxylase domain，PHD)是位于細(xì)胞內(nèi)的一種雙加氧酶的氧傳感器蛋白，其作用是直接感受氧分壓的變化，并根據(jù)氧分壓發(fā)揮活性。常氧狀態(tài)下，PHD在氧依賴性降解結(jié)構(gòu)域上羥基化缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia- inducible factor,HIF)的兩個(gè)脯氨酸殘基(pro402和pro564)，被羥化的HIF與VHL(von hippel-lindau)腫瘤抑制蛋白結(jié)合，然后在蛋白酶體內(nèi)被降解；然而，缺氧狀態(tài)下PHD依賴氧的羥基化作用是有限的，未被降解的HIF表達(dá)水平升高并迅速穩(wěn)定，進(jìn)一步參與細(xì)胞低氧適應(yīng)性調(diào)節(jié)[1-2]。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，發(fā)現(xiàn)了脯氨酸羥化酶的3種亞型，包括PHD1、PHD2和PHD3，其中PHD2被認(rèn)為是調(diào)節(jié)低氧反應(yīng)的關(guān)鍵酶[3]。Semenza[4]研究證實(shí)HIF的表達(dá)與腫瘤的形成、轉(zhuǎn)移和不良預(yù)后密切相關(guān)，但目前關(guān)于PHD2在腫瘤中的作用機(jī)制尚不明確。PHD2最初作用是細(xì)胞的氧傳感器，其許多功能通過(guò)HIF通路表達(dá)，然而最近的研究發(fā)現(xiàn)PHD2在腫瘤中顯示出與HIF和羥化酶無(wú)關(guān)的功能，并調(diào)控不同的細(xì)胞通路[5]。近年來(lái)PHD2作為調(diào)節(jié)HIF的重要蛋白之一已成為國(guó)內(nèi)外備受矚目的研究熱點(diǎn)，但其在惡性腫瘤進(jìn)展中的作用仍備受爭(zhēng)議，研究表明PHD2在不同惡性腫瘤中的作用不盡相同，甚至在同種惡性腫瘤中也可通過(guò)不同機(jī)制發(fā)揮截然相反的作用[6-9]。PHD2逐步成為許多疾病研究的重點(diǎn)，但在消化系統(tǒng)惡性腫瘤中的研究甚少，查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，尚缺乏PHD2與食管癌、膽囊癌及壺腹部癌等消化系統(tǒng)惡性腫瘤的相關(guān)研究，因此本文僅就PHD2在胃癌、肝癌、胰腺癌及結(jié)直腸癌中的最新研究結(jié)果作一簡(jiǎn)要綜述。

1 PHD2的基本特征

PHD2屬于亞鐵離子和2-酮戊二酸雙加氧酶超家族的一員，是一個(gè)四聚體，由兩個(gè)羥化酶單位和兩個(gè)蛋白二硫化物異構(gòu)酶亞單位構(gòu)成，廣泛分布于上皮來(lái)源的正常組織，主要在細(xì)胞質(zhì)表達(dá)[10]。哺乳動(dòng)物的PHD2 具有獨(dú)特的催化結(jié)構(gòu)-N末端鋅指結(jié)構(gòu)，但在PHD1、PHD3中不存在此結(jié)構(gòu)[11]。PHD2的酶作用需要分子氧作為協(xié)同底物，其中一個(gè)氧原子加載到HIF的氧依賴性降解結(jié)構(gòu)域的 Pro402 或 Pro564 形成脯氨酸殘基，另一個(gè)氧原子則與 2-酮戊二酸發(fā)生去碳羧基反應(yīng)，生成延胡索酸和二氧化碳。此外，PHD2 羥基化HIF的反應(yīng)需要鐵和維生素C的參與[12]。PHD 1～3 均能使HIF氧依賴性降解結(jié)構(gòu)域的脯氨酸殘基發(fā)生羥基化反應(yīng)，在此過(guò)程中PHD2發(fā)揮著主要作用( PHD2>PHD3>PHD1)[13]。

2 PHD2與HIF的關(guān)系

HIF是實(shí)體腫瘤生長(zhǎng)所必需的，現(xiàn)已被證實(shí)在多種惡性腫瘤(如乳腺癌、食管癌和腦癌等)的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用,并且HIF過(guò)表達(dá)是幾乎所有惡性腫瘤預(yù)后較差的一個(gè)預(yù)測(cè)指標(biāo)[14]。研究顯示，在多種惡性腫瘤中發(fā)現(xiàn)VHL基因的突變或缺失，有研究證明了VHL腫瘤抑制基因在常氧狀態(tài)下通過(guò)脯氨酸羥基化途徑對(duì)HIF進(jìn)行降解[15]。常氧條件下，PHD2在氧分子的協(xié)同作用下，使HIF發(fā)生羥基化反應(yīng)，羥基化的 HIF可被VHL蛋白識(shí)別并在蛋白酶體內(nèi)降解；而在缺氧條件下，PHD2不能被活化，HIF氧依賴的特定降解結(jié)構(gòu)域未被羥基化，導(dǎo)致VHL蛋白不能夠識(shí)別HIF，此通路中的HIF不僅沒(méi)被降解，其活性反而增加，在其他相關(guān)因子介導(dǎo)下，進(jìn)一步促進(jìn)具有缺氧反應(yīng)元件結(jié)構(gòu)域的靶基因發(fā)生轉(zhuǎn)錄[16]。依據(jù)此機(jī)制，幾種能夠阻止VHL與HIF結(jié)合的HIF-PHD抑制劑也已被開(kāi)發(fā)出來(lái)，期待用于能從HIF信號(hào)通路獲益疾病(如促進(jìn)腎源性貧血的內(nèi)源性EPO生成)的臨床治療[17]。 Henze等[18]在人腦膠質(zhì)細(xì)胞瘤中發(fā)現(xiàn)PHD作為一種反饋生存機(jī)制，通過(guò)控制HIF水平來(lái)保護(hù)腫瘤細(xì)胞免受缺氧誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡，并強(qiáng)調(diào)了HIF與PHD之間相互作用的復(fù)雜性。這些研究表明HIF-PHD調(diào)節(jié)軸在腫瘤進(jìn)展中的作用不可忽視，然而目前關(guān)于PHD在腫瘤發(fā)生中的具體作用仍研究甚少。

3 PHD2與腫瘤血管生成的關(guān)系

腫瘤血管生成是由兩個(gè)互補(bǔ)過(guò)程調(diào)節(jié)的，通過(guò)局部發(fā)芽和骨髓循環(huán)來(lái)源細(xì)胞(bone marrow derived dendritic cells,BMDC)誘導(dǎo)新生血管形成這兩種途徑促進(jìn)實(shí)體腫瘤血管的快速生長(zhǎng)。血管生成起始部分是由轉(zhuǎn)錄因子家族HIF介導(dǎo)的，雖然PHD2最初被認(rèn)為是HIF蛋白穩(wěn)定性的負(fù)調(diào)節(jié)因子，但是關(guān)于PHD2在腫瘤血管生成中的確切作用有著相互矛盾的研究結(jié)果，這種分歧似乎是由基質(zhì)衍生的PHD2所引起，特別是由于內(nèi)皮細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞衍生的PHD2的參與[19]。

Chan等[20-21]研究發(fā)現(xiàn)，在PHD2表達(dá)降低的腫瘤中ANG和IL-8釋放增加，而這兩種因子在血管生成和BMDC動(dòng)員中發(fā)揮促血管生成的作用，還發(fā)現(xiàn)敲除PHD2基因可提高常氧狀態(tài)下NF-kB的活性，從而增加IL-8和ANG的活性，促進(jìn)腫瘤血液供應(yīng)，進(jìn)而促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)。以上研究提示PHD2通過(guò)限制ANG和IL-8的表達(dá)來(lái)發(fā)揮腫瘤抑制因子的作用，同時(shí)NF-kB是在PHD2沉默時(shí)增強(qiáng)血管生成所必需的，且NF-kB反過(guò)來(lái)調(diào)節(jié)ANG和IL-8，表明PHD2對(duì)腫瘤血管的影響是通過(guò)NF-kB在ANG和IL-8上的活性介導(dǎo)的，而不受HIF的調(diào)控。但是對(duì)于PHD2限制IL-8和ANG釋放的具體機(jī)制，以及BMDC如何招募到腫瘤細(xì)胞及其對(duì)腫瘤脈管系統(tǒng)的作用卻了解甚少。與此相反，Mazzone等[22]在小鼠胰腺癌模型中研究了PHD2在腫瘤發(fā)展中的基質(zhì)作用，發(fā)現(xiàn)野生型小鼠(Phd2+/+)腫瘤的生長(zhǎng)比雜合子小鼠(Phd2+/-)更具有侵襲性和轉(zhuǎn)移性，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)腫瘤基質(zhì)中的PHD2有調(diào)節(jié)血管正?；墓δ埽辜?xì)胞更緊密的連接并防止轉(zhuǎn)移擴(kuò)散。當(dāng)然這兩種分歧有可能是實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牟煌斐傻模褂米园l(fā)腫瘤模型以及各種細(xì)胞類型的特異性敲除，可能有助于闡明PHD2對(duì)腫瘤血管生成的作用。

4 PHD2與消化系統(tǒng)惡性腫瘤的關(guān)系

4.1 PHD2與胃癌胃癌是目前最常見(jiàn)的消化道惡性腫瘤之一，近年來(lái)早期胃癌得益于內(nèi)鏡技術(shù)的發(fā)展，可以獲得較好的療效，但進(jìn)展期胃癌的致死率依然很高，因此廣泛深入研究胃癌發(fā)病的分子機(jī)制，尋求其分子分型、特異性標(biāo)志物以及治療靶點(diǎn)是有效防治胃癌、改善其預(yù)后的關(guān)鍵。研究表明傳統(tǒng)的預(yù)后指標(biāo)(特別是腫瘤分期和淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移狀況等)對(duì)胃癌患者的生存顯示出一定的預(yù)測(cè)價(jià)值，但其作用在臨床實(shí)踐中依然是有限的。最近越來(lái)越多關(guān)于腫瘤標(biāo)志物的研究集中在癌細(xì)胞中酶的表達(dá)上，這些酶除了作為生物標(biāo)志物的用途外，也可能是新療法的潛在靶點(diǎn)[23]。Kamphues等[24]通過(guò)對(duì)121例胃癌患者 PHD2 表達(dá)分析，發(fā)現(xiàn)PHD2在正常胃腺體呈局灶性弱至中度細(xì)胞質(zhì)著色，而在腫瘤細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中高表達(dá)，且在多因素分析中，PHD2被證明是患者生存的獨(dú)立預(yù)后因素，這一研究結(jié)果使細(xì)胞質(zhì)中PHD2的表達(dá)可作為胃腺癌預(yù)后的可靠標(biāo)志物；此外，PHD2的表達(dá)與Lauren分型中腫瘤的生長(zhǎng)模式有很強(qiáng)的相關(guān)性，研究顯示腸型腫瘤比彌漫型或混合型腫瘤更有可能高表達(dá)PHD2。簡(jiǎn)立輝[25]研究發(fā)現(xiàn)在促纖維反應(yīng)越明顯的胃癌中，PHD2陽(yáng)性表達(dá)率越低，提示在相似的腫瘤演進(jìn)背景下，PHD2具有抑制癌性促纖維反應(yīng)的作用。除此之外，Br?kers等[26]報(bào)道，PHD2不僅影響胃癌的生長(zhǎng)模式，而且PHD2抑制可能導(dǎo)致化療耐藥性增加?？傊鲜鲅芯勘砻鱌HD2的表達(dá)是胃腺癌的一個(gè)重要的預(yù)后生物標(biāo)志物，可能有助于識(shí)別高?；颊?，且PHD2可能是胃癌患者化療的潛在靶點(diǎn)之一。

4.2PHD2與肝癌肝細(xì)胞肝癌是肝癌最常見(jiàn)的組織學(xué)類型，在大約80%的病例中，肝細(xì)胞肝癌的進(jìn)展過(guò)程與肝硬化、纖維化以及炎癥和氧化應(yīng)激有關(guān)，因此，在缺氧應(yīng)激相關(guān)通路尋找肝細(xì)胞肝癌可能的治療靶點(diǎn)已成為肝癌研究熱點(diǎn)之一。Zhen等[27]觀察了220例肝細(xì)胞肝癌患者的腫瘤細(xì)胞中PHD2的表達(dá)情況，并隨訪其無(wú)病生存率(disease free survival, DFS)和總體生存率(overall survival, OS)，發(fā)現(xiàn)與PHD2表達(dá)較高的患者相比，PHD2表達(dá)較低的患者DFS和OS均較高，且PHD2的高表達(dá)與較高的腫瘤分期( III 期和 IV期)、較大腫瘤直徑(>5 cm)和較差的腫瘤分化程度以及較高的血漿AFP顯著相關(guān)。與此同時(shí)，Guo等[28]也報(bào)道了在肝癌組織和肝癌細(xì)胞系中，PHD2的表達(dá)與癌旁非腫瘤組織和正常肝細(xì)胞系相比均上調(diào)，這些研究表明PHD2 過(guò)表達(dá)能夠促進(jìn)肝癌細(xì)胞的增殖和侵襲。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)PHD2過(guò)表達(dá)上調(diào)了RAS和Raf的表達(dá)，并誘導(dǎo)了MEK、ERK、JAK1和STAT3的磷酸化，表明PHD2可能通過(guò)RAS/Raf/MEK/ERK和JAK1/STAT3途徑促進(jìn)肝細(xì)胞肝癌的發(fā)展。李震等[29]提出PHD2促進(jìn)肝細(xì)胞肝癌進(jìn)展的作用可能是通過(guò)抑制TGF-β1-Smad信號(hào)通路中的p-Smad2/3表達(dá)，進(jìn)而上調(diào)癌基因c-Myc的表達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。與此相反，Tao等[30]發(fā)現(xiàn)PHD2在人肝癌細(xì)胞系中的過(guò)度表達(dá)抑制了腫瘤細(xì)胞增殖，而敲除PHD2則發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞增殖加快，提示PHD2表達(dá)水平與細(xì)胞增殖率呈明顯的反比關(guān)系；進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)PHD2介導(dǎo)的抑制細(xì)胞增殖是將細(xì)胞周期阻滯在G1/S轉(zhuǎn)變期，細(xì)胞周期阻滯作用是由細(xì)胞周期蛋白D1負(fù)調(diào)控的，該通路依賴于PHD2的羥化酶活性，此外，在小鼠移植瘤生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)中，觀察到PHD2過(guò)表達(dá)與多西環(huán)素治療相結(jié)合比單獨(dú)PHD2過(guò)表達(dá)，或僅使用多西環(huán)素治療具有更強(qiáng)的腫瘤抑制作用，這表明高PHD2水平可能增強(qiáng)多西環(huán)素治療的細(xì)胞毒性作用。因此，值得進(jìn)一步探討PHD2表達(dá)水平是否在各種肝臟治療方案中發(fā)揮治療或預(yù)后作用。

4.3PHD2與胰腺癌胰腺癌是常見(jiàn)的消化系統(tǒng)惡性腫瘤，由于胰腺癌起病隱匿、侵襲性強(qiáng)、缺乏有效早期影像學(xué)診斷方法，大多數(shù)患者在確診時(shí)腫瘤已經(jīng)無(wú)法全部切除或出現(xiàn)遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移，錯(cuò)過(guò)了手術(shù)治療的最佳時(shí)機(jī)，因此尋找新的診斷和治療方法迫在眉睫[31]。大量研究表明,HIF在胰腺癌的發(fā)生發(fā)展、浸潤(rùn)轉(zhuǎn)移、藥物抵抗及預(yù)后等方面發(fā)揮重要作用[32]。PHD2是HIF的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，有望成為潛在的治療靶點(diǎn)。Su等[33]研究發(fā)現(xiàn)與正常胰腺組織相比，胰腺癌組織中PHD2 mRNA水平明顯降低，且分化程度越差的癌組織中PHD2表達(dá)降低越顯著，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)PHD2在胰腺癌中通過(guò)抑制細(xì)胞周期蛋白D1表達(dá)來(lái)發(fā)揮抑癌作用的，但該通路不受HIF的介導(dǎo)；Su等在小鼠異種腫瘤抑制模型中觀察到PHD2過(guò)表達(dá)是通過(guò)降低血管密度來(lái)減緩腫瘤生長(zhǎng)的。與此不同的是，Gossage等[34]卻發(fā)現(xiàn)與正常胰腺組織相比，胰腺癌中PHD2表達(dá)明顯升高，且PHD2表達(dá)缺失與周圍神經(jīng)浸潤(rùn)存在顯著相關(guān)性，但卻未發(fā)現(xiàn)PHD2表達(dá)水平與其他臨床病理變量之間的關(guān)聯(lián)。Couvelard等[35]對(duì)胰腺內(nèi)分泌腫瘤的研究表明，PHD2在胰腺內(nèi)分泌癌中過(guò)表達(dá)且發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核中PHD2的高表達(dá)與腫瘤侵襲性以及更高的復(fù)發(fā)率和致死率有關(guān)，此研究結(jié)果與Jokilehto等[36]在頭頸部鱗狀細(xì)胞癌中的發(fā)現(xiàn)相一致，研究發(fā)現(xiàn)頭頸部鱗狀細(xì)胞癌中PHD2的高表達(dá)和核轉(zhuǎn)移與腫瘤分化較差和增殖較強(qiáng)明顯相關(guān)。這些研究結(jié)果表明PHD2在胰腺癌發(fā)生中的潛在重要作用，但是具體機(jī)制尚不清楚。

4.4PHD2與結(jié)直腸癌以往的研究表明PHD在結(jié)直腸癌中發(fā)揮腫瘤抑制因子的作用，但其臨床和預(yù)后意義尚不確定。研究發(fā)現(xiàn)結(jié)直腸癌中PHD的作用機(jī)制極為復(fù)雜，Erez等[37]提出PHD1是通過(guò)促進(jìn)腫瘤壞死和降低微血管密度來(lái)抑制腫瘤的生長(zhǎng)，Xue等[38]發(fā)現(xiàn)PHD3低表達(dá)可以增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞的活力，從而促進(jìn)結(jié)直腸癌的發(fā)生，而Chan等[39]的一組研究則表明PHD2是通過(guò)減少血管生成來(lái)抑制腫瘤生長(zhǎng)的。在這3種亞型中，PHD2似乎在結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著更為重要的作用。Chan等[39]檢測(cè)結(jié)直腸癌組織中PHD2的mRNA 和蛋白表達(dá)水平與正常結(jié)腸組織表達(dá)水平相比均下降，這表明PHD2在結(jié)直腸癌中呈低表達(dá)。 Xie等[40]也發(fā)現(xiàn)在結(jié)直腸癌中，PHD2在癌組織中的表達(dá)水平明顯下調(diào)，且生存分析表明PHD2低表達(dá)的早期結(jié)直腸癌患者預(yù)后顯著差于高表達(dá)患者，因此PHD2可作為早期結(jié)直腸癌患者的預(yù)后指標(biāo)。此外，已知PHD2的功能是在常氧條件下維持HIF的低水平，則PHD2的表達(dá)與腫瘤缺氧區(qū)域的HIF的表達(dá)成反比，但Dang等[41]使用結(jié)腸癌HCT116細(xì)胞發(fā)現(xiàn)同時(shí)敲除HIF和PHD2的腫瘤細(xì)胞比只敲除HIF的腫瘤細(xì)胞長(zhǎng)的快，這一發(fā)現(xiàn)表明PHD2具有獨(dú)立于HIF調(diào)節(jié)腫瘤生成的功能。這些發(fā)現(xiàn)仍需要在更深入的研究中進(jìn)一步驗(yàn)證。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，PHD2是消化系統(tǒng)惡性腫瘤發(fā)生及進(jìn)展過(guò)程中許多重要信號(hào)通路的中間環(huán)節(jié)，對(duì)腫瘤的增殖、侵襲、轉(zhuǎn)移、凋亡及血管形成均有著重要的影響。一方面，PHD2在消化系統(tǒng)惡性腫瘤(如胃癌、胰腺癌和結(jié)直腸癌)中均表現(xiàn)出強(qiáng)烈的抑癌效應(yīng)及與生存預(yù)后的顯著相關(guān)性，因此它有望成為新型預(yù)后標(biāo)志物；另一方面，我們必須清楚，腫瘤的發(fā)生發(fā)展不是單因素的，雖然PHD2被認(rèn)為是調(diào)節(jié)低氧反應(yīng)的關(guān)鍵酶，其可以通過(guò)降解HIF發(fā)揮抑癌作用，但也有可能通過(guò)其他途徑促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖，增強(qiáng)其侵襲和轉(zhuǎn)移的能力，從而導(dǎo)致腫瘤的惡性進(jìn)展，因此深入研究PHD2的功能對(duì)于理解PHD2在腫瘤進(jìn)展中的作用至關(guān)重要；此外，隨著相關(guān)基礎(chǔ)研究和臨床試驗(yàn)的順利進(jìn)行，PHD2的靶向調(diào)控有望開(kāi)辟腫瘤的新型治療方法。PHD2有望在消化系統(tǒng)惡性腫瘤的預(yù)測(cè)、診斷和靶向治療中體現(xiàn)出重要的價(jià)值。