CaMKⅡ在腫瘤中的研究進(jìn)展

鄧成念，周文玉，謝 斌，劉模榮

鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶(CaMK)屬于鈣信號(hào)下游的一種多功能絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶家族[1]，CaMKⅡ包括α、β、γ和δ 4種不同亞型，CaMKⅡ各種亞型在多種惡性腫瘤中過表達(dá)，如非小細(xì)胞肺癌(NSCLC)、結(jié)直腸癌、乳腺癌、前列腺癌、骨肉瘤、肝癌和胃癌等[2-6]，且與其增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移等生物學(xué)特性及臨床病理參數(shù)密切相關(guān)。有研究表明CaMKⅡ能夠通過調(diào)控腫瘤干細(xì)胞的生長及分化,進(jìn)而在腫瘤復(fù)發(fā)和治療抵抗等方面發(fā)揮重要作用[7]。本文對(duì)CaMKⅡ在腫瘤中的研究進(jìn)展綜述如下。

1 CaMKⅡ概述

CaMK包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ 4種類型。CaMKⅡ?yàn)橐环N多聚體蛋白，其全酶由12個(gè)亞基聚合組成，全酶分子質(zhì)量為300～700 kU，亞基分子質(zhì)量為50～62 kU。每個(gè)亞基都具有位于N-末端的催化結(jié)構(gòu)區(qū)，與其相鄰的自動(dòng)調(diào)節(jié)區(qū)和末端的中心結(jié)合區(qū)。CaMKⅡ有4個(gè)不同的基因(α、β、γ和δ)，每個(gè)基因編碼一個(gè)不同的CaMKⅡ同種型，其中α和β亞型在神經(jīng)細(xì)胞的發(fā)育及功能活性中發(fā)揮重要作用，γ亞型在免疫系統(tǒng)尤其是T細(xì)胞記憶、CD8+細(xì)胞活化中發(fā)揮重要的作用，而δ亞型的研究主要集中在調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)和功能。因此，腫瘤的發(fā)生和發(fā)展可能與CaMKⅡγ亞型高表達(dá)所致免疫功能紊亂有關(guān)。所有的CaMKⅡ亞型似乎都具有共同的調(diào)控機(jī)制和蛋白質(zhì)靶標(biāo)，但是在組織分布上卻有所不同[8]。CaMKⅡ的激活需要Ca2+和鈣調(diào)蛋白，當(dāng)鈣調(diào)蛋白結(jié)合4個(gè)Ca2+時(shí)，它與CaMKⅡ結(jié)合并在蘇氨酸286(T286)位點(diǎn)誘導(dǎo)CaMKⅡ自身磷酸化，這可能為CaMKⅡ在癌癥中潛在作用的基礎(chǔ)。鑒于CaMKⅡ活化包括轉(zhuǎn)錄因子、離子通道、激酶在內(nèi)的約40種蛋白質(zhì)[9]，故其在多種腫瘤的增殖、侵襲、分化和轉(zhuǎn)移中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

2 CaMKⅡ表達(dá)與相關(guān)腫瘤發(fā)生和發(fā)展機(jī)制

2.1CaMKⅡ表達(dá)與NSCLC 肺癌是世界上最常見的惡性疾病，也是與癌癥相關(guān)的死亡主要原因，每年有近160萬人死于肺癌[10]。近年，肺腺癌(ADC)發(fā)病率逐年增高[11]，腫瘤轉(zhuǎn)移是肺腺癌治療失敗和與癌癥相關(guān)病死率的主要原因?，F(xiàn)臨床對(duì)于NSCLC尚無明確的預(yù)后生物標(biāo)志物[12]。Liu等[13]通過總結(jié)CaMKⅡ表達(dá)與肺腺癌樣本及其臨床病理參數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)CaMKⅡ表達(dá)與組織學(xué)類型、TNM分期、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移有一定關(guān)系，CaMKⅡ表達(dá)陽性患者比CaMKⅡ表達(dá)陰性患者更容易轉(zhuǎn)移。說明CaMKⅡ表達(dá)與肺腺癌轉(zhuǎn)移密切相關(guān)，CaMKⅡ和腫瘤標(biāo)志的組合可用于預(yù)測肺腺癌患者的轉(zhuǎn)移。該研究還證明CaMKⅡγ在人NSCLC組織中異常表達(dá)并與其惡性程度具有相關(guān)性，并且CaMKⅡγ可以用作NSCLC的潛在惡性生物標(biāo)志物[13]。Aran等[14]發(fā)現(xiàn)NSCLC中有多種致癌信號(hào)通路，CaMKⅡγ可以在Ser177/181處磷酸化IKBα激酶β(IKKβ)，并在NSCLC中起IKKβ活化的介體作用；同時(shí)，CaMKⅡγ可以直接或間接上調(diào)細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2(Erk 1/2)、蛋白激酶B、Stat 3和β-catenin等多種信號(hào)通路，參與調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖。上述研究表明，在未來的研究中應(yīng)探討CaMKⅡ作為生物標(biāo)志物在癌癥診斷和治療中的作用。

2.2CaMKⅡ表達(dá)與結(jié)直腸癌 結(jié)直腸癌是全球常見的癌癥之一，是受遺傳和環(huán)境因素共同影響的復(fù)雜疾病[15]。預(yù)計(jì)到2030年，全球每年結(jié)直腸癌將導(dǎo)致超過110萬例死亡和220萬例新診斷病例[16]，對(duì)人們生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，臨床迫切需要了解結(jié)直腸癌的分子發(fā)病機(jī)制，這對(duì)于預(yù)防疾病及尋找有助于降低相關(guān)病死率的藥物至關(guān)重要。Ca2+是一種普遍存在的第二信使，可作為多種細(xì)胞過程(例如控制細(xì)胞周期、凋亡和遷移)的信號(hào)分子，其中Ca2+信號(hào)在結(jié)直腸癌的發(fā)生和發(fā)展中扮演著舉足輕重的角色[17]。CaMKⅡ是Ca2+信號(hào)最重要的傳感器和調(diào)節(jié)劑，細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度升高則是細(xì)胞增殖的重要環(huán)節(jié)，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平周期性上升時(shí)，Ca2+通過結(jié)合鈣調(diào)蛋白激活CaMKⅡ，CaMKⅡ通過直接或間接上調(diào)NF-κB、STAT3、Erk1/2、p38、MAPK和Wnt/β-Catenin等[6，18]信號(hào)通路導(dǎo)致結(jié)直腸癌的發(fā)生和發(fā)展，其信號(hào)通路錯(cuò)綜復(fù)雜、聯(lián)系密切。有研究表明CaMKⅡ是結(jié)直腸癌細(xì)胞增殖、遷移和侵襲所必需的[19]。也有研究顯示，通過寡核苷酸微陣列分析對(duì)來自12個(gè)結(jié)腸癌和12個(gè)直腸癌的原發(fā)腫瘤組織進(jìn)行了表達(dá)譜分析，結(jié)果顯示在結(jié)腸癌和直腸癌之間差異表達(dá)的基因中CaMKⅡγ是最顯著改變的基因之一[20]，其為直腸癌的關(guān)鍵基因，并在細(xì)胞黏附中起關(guān)鍵作用，可能與直腸癌轉(zhuǎn)移的發(fā)生率更高有關(guān)[6]。說明CaMKⅡγ有可能成為區(qū)分結(jié)腸癌和直腸癌的分子標(biāo)志物。在人結(jié)腸癌細(xì)胞系HCT116中，CaMKⅡ特異性抑制劑KN-93降低了癌細(xì)胞的增殖、遷移和侵襲。CaMKⅡ特異性抑制劑(例如KN-62和KN-93)通過抑制結(jié)直腸癌等腫瘤和正常細(xì)胞中CaMKⅡ依賴性過程[21]，從而導(dǎo)致細(xì)胞周期停滯、細(xì)胞凋亡或細(xì)胞增殖抑制。因此，CaMKⅡ不僅可以作為區(qū)分結(jié)直腸癌的分子標(biāo)志物，而且其特異抑制劑的研發(fā)可能為結(jié)直腸癌的治療帶來福音。

2.3CaMKⅡ表達(dá)與乳腺癌 乳腺癌是最常見的惡性腫瘤，并且是全世界女性與癌癥相關(guān)死亡的主要原因[22]。盡管近年乳腺癌存活率有所提高，但仍有1/3的患者發(fā)生遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移，乳腺癌一旦轉(zhuǎn)移，通常被認(rèn)為是無法治愈的[23]。Ca2+信號(hào)是乳腺癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移的控制器[24]。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平升高時(shí)，Ca2+與鈣調(diào)蛋白結(jié)合，從而激活CaMKⅡ，并導(dǎo)致T286處CaMKⅡ磷酸化，在T286處CaMKⅡ的磷酸化誘導(dǎo)CaMKⅡ的自主激活。CaMKⅡ的T286磷酸化控制乳腺癌細(xì)胞的遷移和侵襲，而其細(xì)胞作用可能是通過啟動(dòng)EMT以及激活FAK、STAT5a和Akt介導(dǎo)的，并且抑制CaMKⅡ活性阻止了乳腺癌細(xì)胞在體外的侵襲和遷移[9]。因此，預(yù)防T286處CaMKⅡ磷酸化對(duì)控制乳腺癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移具有潛在治療意義。但是也有研究顯示CaMKⅡ(T286)的磷酸化導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，例如三陰性乳腺癌(TNBC)通常是指具有侵襲性且預(yù)后不良[25]。有研究者通過進(jìn)行TNBC細(xì)胞和異種移植小鼠用氯喹(CQ)和異鼠李素(IH)聯(lián)合處理實(shí)驗(yàn)，證明了氧化應(yīng)激介導(dǎo)的CaMKⅡ/Drp1信號(hào)傳導(dǎo)在調(diào)節(jié)CQ/IH誘導(dǎo)的線粒體裂變和凋亡中的關(guān)鍵作用[26]。這些作用與氧化應(yīng)激介導(dǎo)的CaMKⅡ(T286)和Drp1(S616)的磷酸化以及隨后的線粒體易位有關(guān)。同樣，乳腺癌特異性調(diào)幅射頻電磁場(BCF)是一種針對(duì)乳腺癌腦轉(zhuǎn)移的新型靶向治療方法。有研究證明BCF誘導(dǎo)Ca2+內(nèi)流通過CaMKⅡ激活p38MAPK以抑制腫瘤細(xì)胞生長，BCF暴露誘導(dǎo)是通過V3.2電壓門控鈣通道的間歇性鈣通量激活p38信號(hào)傳導(dǎo)從而介導(dǎo)腫瘤抑制作用，其中V3.2電壓門控鈣通道在功能上可能與假定的微結(jié)構(gòu)域耦聯(lián)，以激活CaMKⅡ-p38信號(hào)傳導(dǎo)，從而限制了Ca2+向其他細(xì)胞區(qū)室的遷移[27]。以上可能解釋為CaMKⅡ的生物學(xué)特性通過多位點(diǎn)磷酸化和靶向特定亞細(xì)胞微域控制。目前臨床對(duì)于CaMKⅡ在腫瘤細(xì)胞中的促進(jìn)或抑制作用機(jī)制仍然知之甚少。

2.4CaMKⅡ表達(dá)與前列腺癌 前列腺癌是西方男性中最常被診斷出的癌癥。盡管局部前列腺癌可以使用既定的手術(shù)和放射治療得到控制，但晚期前列腺癌的預(yù)后仍然令人失望，故了解其發(fā)病機(jī)制極其重要[28]。在前列腺癌中CaMKⅡ能夠引起細(xì)胞骨架重塑導(dǎo)致細(xì)胞運(yùn)動(dòng)性增加[29]。CaMKⅡ可以通過Ca2+/CaM依賴性和非依賴性機(jī)制激活。此外，CaMKⅡ還可以被乙酰基輔酶A激活，其中β-氧化途徑是其中之一，β氧化速率限制酶ACOX家族蛋白的基因缺失降低了CaMKⅡ的激活，而過表達(dá)ACOX則增加了CaMKⅡ的激活。激活的CaMKⅡ可以促進(jìn)前列腺癌細(xì)胞的增殖、遷移和轉(zhuǎn)移。Yu等[30]對(duì)原發(fā)性前列腺癌(20例)、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移(19例)和骨轉(zhuǎn)移(19例)前列腺癌標(biāo)本中的pCaMKⅡ(T286)表達(dá)進(jìn)行了免疫組織化學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)原發(fā)性前列腺癌與淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移或骨轉(zhuǎn)移之間的pCaMKⅡ(T286)表達(dá)存在差異。證明CaMKⅡ與前列腺癌的轉(zhuǎn)移有關(guān)。Peimine(PM)是貝母中的一種生物活性物質(zhì)，PM通過Ca2+/CaMKⅡ/JNK途徑破壞細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)，從而抑制前列腺癌細(xì)胞的生長和運(yùn)動(dòng)并誘導(dǎo)凋亡[31]。但是，在多種培養(yǎng)的細(xì)胞系中也觀察到了依賴CaMKⅡ的凋亡[32]。因此，在不同的腫瘤中CaMKⅡ可能激活方式不一致，從而導(dǎo)致CaMKⅡ的生物學(xué)特性差異顯著。

2.5CaMKⅡ表達(dá)與骨肉瘤 骨肉瘤是兒童和青少年最常見的原發(fā)性惡性骨腫瘤，其中超過90%是高度惡性腫瘤[33]。因此，為了增強(qiáng)骨肉瘤的療效，迫切需要了解其新的生物學(xué)靶標(biāo)或分子機(jī)制。眾所周知，腫瘤的生長、進(jìn)展和轉(zhuǎn)移取決于新生血管的形成，而血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)家族的成員是一些血管生成的主要誘因。VEGF通過與內(nèi)皮細(xì)胞上的VEGF受體1和2(VEGFR-1和VEGFR-2)結(jié)合，從而導(dǎo)致其隨后的募集、增殖和遷移而局部作用于腫瘤微環(huán)境(旁分泌)，而且VEGF已被證明在多種癌癥中具有自分泌作用，這種自分泌作用導(dǎo)致不同信號(hào)通路的激活，最終誘導(dǎo)腫瘤的生長和增殖。而VEGF誘導(dǎo)的骨肉瘤腫瘤生長受CaMKⅡ控制。有研究通過基因或藥理作用抑制骨腫瘤患者CaMKⅡ，觀察到VEGF蛋白分泌減少了約50%；當(dāng)CaMKⅡ在骨腫瘤細(xì)胞中過表達(dá)時(shí)，觀察到VEGF蛋白分泌增加了約1000%；同時(shí)抑制CaMKⅡ和VEGFR會(huì)導(dǎo)致低氧誘導(dǎo)因子(HIF)-1α和AP-1與VEGF啟動(dòng)子的結(jié)合減少，這很可能是導(dǎo)致VEGF轉(zhuǎn)錄下降的原因[34]。也有研究表明，活性CaMKⅡα同種型(p-α-CaMKⅡ)在人類骨肉瘤的生長和侵襲性中起關(guān)鍵作用。p-α-CaMKⅡ可能通過控制幾種細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)和轉(zhuǎn)錄因子(例如CREB、ERK、c-Fos和p21)的激活和表達(dá)最終導(dǎo)致這些細(xì)胞的失控增殖和生長，也可能通過調(diào)節(jié)幾種分子和不同VEGFR表達(dá)來改變骨腫瘤的微環(huán)境，從而促進(jìn)骨肉瘤生長環(huán)境[35]。CaMKⅡ和VEGFR抑制劑的聯(lián)合使用可以用作手術(shù)前或手術(shù)后干預(yù)，聯(lián)合治療將減弱骨肉瘤腫瘤生長和增殖的能力，減小腫瘤體積使其切除更加容易。但關(guān)于CaMKⅡ抑制劑在骨肉瘤的治療方面仍需更多的臨床前研究來佐證。

2.6CaMKⅡ表達(dá)與肝癌 肝細(xì)胞癌是全世界與癌癥相關(guān)的死亡第二大主要原因。年輕肝細(xì)胞癌患者預(yù)后可得到改善，但年齡相對(duì)較大患者(通常認(rèn)為>45歲)在被診斷出肝細(xì)胞癌后病死率增加。在分子水平上阻斷肝癌發(fā)展對(duì)于治療肝癌至關(guān)重要。CaMKⅡ在調(diào)節(jié)肝癌細(xì)胞線粒體應(yīng)激中具有重要地位。CaMKⅡ通過促進(jìn)線粒體延伸因子1(MIEF1)表達(dá)引起線粒體生物功能紊亂，如氧化損傷、電位降低、裂變和凋亡導(dǎo)致肝癌細(xì)胞凋亡，而CaMKⅡ的阻滯有利于癌癥存活并維持線粒體功能[36]。類似的，一項(xiàng)肝細(xì)胞癌的研究也表明線粒體裂變主要受CaMKⅡ調(diào)控[37]，CaMKⅡγ還可以通過AKT/mTORC1信號(hào)傳導(dǎo)拮抗肝細(xì)胞癌發(fā)生過程[38]。以上研究證明CaMKⅡ在肝細(xì)胞癌的進(jìn)展中起到一定程度的保護(hù)作用。但Meng等[39]通過體內(nèi)異種移植研究和體外細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)研究顯示，CaMKⅡγ在肝細(xì)胞癌中過度磷酸化，而且其過表達(dá)增強(qiáng)肝細(xì)胞癌進(jìn)程。因此，CaMKⅡγ在肝細(xì)胞癌的發(fā)生和發(fā)展過程中可能具有雙重作用，但具體機(jī)制需要進(jìn)一步試驗(yàn)探索。

2.7CaMKⅡ表達(dá)與其他腫瘤 鑒于CaMKⅡ有多個(gè)亞型且組織分布不同、活化形式繁多，故其與許多腫瘤有千絲萬縷的聯(lián)系，如胃癌、口腔鱗狀細(xì)胞癌(OSCC)和白血病等。抑制CaMKⅡβ可以觸發(fā)Akt/NF-κB途徑抵抗胃腺癌細(xì)胞的細(xì)胞增殖和遷移[40]，CaMKⅡ還參與幽門螺旋桿菌誘導(dǎo)NF-κB介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)從而導(dǎo)致胃癌的發(fā)生和發(fā)展，并為診斷包括胃癌在內(nèi)的胃炎性疾病提供了潛在的分子標(biāo)志[41]。TRPV4/CaMKⅡ/AKT軸可能會(huì)被細(xì)胞外環(huán)境激活，從而促進(jìn)OSCC腫瘤細(xì)胞的生長[42]。活化的CaMKⅡ參與調(diào)節(jié)Erk 1/2的激活，導(dǎo)致髓樣白血病細(xì)胞增殖[43]。

總之，在本文中，我們描述了CaMKⅡ與各種腫瘤發(fā)生和發(fā)展相關(guān)機(jī)制的最新進(jìn)展。由于激酶結(jié)構(gòu)和功能之間的特殊關(guān)系，CaMKⅡ能夠?qū)⒍喾N信號(hào)事件轉(zhuǎn)化為下游生理效應(yīng)，其中CaMKⅡ的生物學(xué)特性可能與多位點(diǎn)磷酸化和靶向特定亞細(xì)胞微域控制有關(guān)，從而對(duì)多數(shù)腫瘤具有促進(jìn)作用，且可以成為相關(guān)腫瘤診斷的新型分子標(biāo)志物，其抑制劑有助于抑制腫瘤細(xì)胞增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移；而對(duì)部分腫瘤則表現(xiàn)出保護(hù)作用。盡管我們對(duì)CaMKⅡ的了解正在發(fā)展，但對(duì)其在許多腫瘤中的具體機(jī)制仍然知之甚少，需要進(jìn)一步探討，以期為相關(guān)腫瘤的早期診斷、預(yù)后評(píng)估及臨床靶向治療提供新方法。