脂肪動員過程中3種關(guān)鍵酶與腫瘤的相關(guān)性研究進展*

許 帥,張 明,高 鑫,任聰聰 綜述,趙 靜△ 審校

1.河北北方學(xué)院研究生學(xué)院,河北張家口 075000;2.河北省人民醫(yī)院腫瘤科,河北石家莊 050051;3.寧夏醫(yī)科大學(xué)研究生學(xué)院,寧夏銀川 750004

代謝重新編程是細胞惡性轉(zhuǎn)化的標志之一[1],以滿足腫瘤細胞無節(jié)制增殖時能量、物質(zhì)需求。脂質(zhì)代謝對維持細胞穩(wěn)態(tài)必不可少,同時在腫瘤進展過程中也發(fā)揮著重要作用?；钴S的脂代謝過程中產(chǎn)生大量脂質(zhì),為腫瘤細胞提供了生物膜結(jié)構(gòu)的基本原料分子、營養(yǎng)支持和能量供給,并合成多種促癌信號分子,從而促進腫瘤細胞的生長增殖、遷移以及侵襲[2-4]。脂肪動員過程失調(diào)或該過程中的酶表達異常,均可能是促進腫瘤進展和轉(zhuǎn)移的新機制。本文就脂肪動員過程中的3種關(guān)鍵酶在多種惡性腫瘤中的相關(guān)研究進行總結(jié),旨在探索脂肪動員過程中抗腫瘤治療的新理論和新方向。

組織中的脂肪酸(FA)大多以甘油三酯(TAG)的形式儲存在于稱為脂滴(LD)的細胞器中,LD存在于所有細胞中[5]。LD合成和分解對細胞中的脂質(zhì)代謝具有重要意義。脂肪動員過程中的3種關(guān)鍵酶分別為脂肪甘油三酯脂肪酶(ATGL)、激素敏感脂肪酶(HSL)和單酰甘油脂肪酶(MAGL)[6]。體內(nèi)儲存的脂質(zhì)通過脂肪動員過程進行分解代謝,TAG在3種脂肪酶的催化作用下,依次水解釋放出甘油及參與細胞內(nèi)能量代謝和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的游離脂肪酸(FFA)。ATGL通過將TAG水解為二?；视?DAG)和FFA來啟動TAG代謝過程;之后,HSL將DAG水解為單?；视?MAG)和FFA;最后,由MAGL將MAG進一步分解為FFA和甘油[6]。

1 ATGL與腫瘤

ATGL是一種能夠水解TAG的酶,屬于patatin樣磷脂酶結(jié)構(gòu)域(PNPLA)家族的成員,由PNPLA2基因編碼[6]。ATGL催化位點由二元體組成,包括位于蛋白質(zhì)N端patatin結(jié)構(gòu)域內(nèi)絲氨酸47和天冬氨酸166及C端疏水性脂滴結(jié)合區(qū)[2]。ATGL在脂肪組織中高表達,在其他組織中表達較低。ATGL是TAG降解起始步驟的關(guān)鍵酶,對TAG具有較高的底物特異性,作為脂質(zhì)分解代謝的關(guān)鍵因素,ATGL對維持全身能量穩(wěn)態(tài)具有重要作用。

ATGL主要位于富含TAG的細胞內(nèi)LD中,其活性受多種輔助因子的調(diào)節(jié)。比較基因組學(xué)鑒定蛋白58(CGI-58)是細胞內(nèi)脂解激活劑,作為ATGL輔助因子,直接與ATGL結(jié)合并激活其活性[7]。周脂蛋白(PLINs)家族是主要的LD相關(guān)蛋白,在脂肪組織中高表達,基礎(chǔ)條件下可封存CGI-58來調(diào)節(jié)脂肪分解,脂肪分解刺激條件下能夠釋放CGI-58以促進ATGL活性[8]。G0/G1開關(guān)基因2能抑制ATGL活性,通過與ATGL patatin結(jié)構(gòu)域相互作用來抑制ATGL活性,從而抑制脂解過程[9]。另外,低氧誘導(dǎo)脂滴相關(guān)蛋白(HILPDA)可直接與ATGL蛋白結(jié)構(gòu)域結(jié)合,抑制ATGL活性[9]。

有研究表明,缺乏ATGL的小鼠肺部可形成腫瘤,脂肪特異性破壞ATGL和HSL活性,導(dǎo)致小鼠脂肪肉瘤形成[10-11]。HONEDER等[12]研究發(fā)現(xiàn),敲除ATGL基因的肺癌細胞株生長速度與對照組相比顯著增加。研究發(fā)現(xiàn),敲低ATGL可激活PI3K/Akt通路和抑制AMPK/p53通路,促進結(jié)腸癌和宮頸癌細胞增殖[13-14]。AL-ZOUGHBL等[10]發(fā)現(xiàn),在良性平滑肌瘤中ATGL表達與正常平滑肌組織相符,而在肺腺癌、肺鱗狀細胞癌、胰腺導(dǎo)管腺癌、平滑肌肉瘤等組織中ATGL表達較低,并且發(fā)現(xiàn)非小細胞肺癌(NSCLC)和平滑肌肉瘤較低的生存率與腫瘤組織中ATGL表達較低呈正相關(guān)。相反地,體外實驗研究表明,ATGL敲除后肝癌細胞、結(jié)腸癌細胞和前列腺癌細胞的增殖和侵襲能力下降,可能機制是ATGL缺失導(dǎo)致TAG堆積,同時誘導(dǎo)上皮間質(zhì)細胞轉(zhuǎn)化,AMPK信號傳導(dǎo)受到影響,導(dǎo)致細胞凋亡[15-17]。

與正常乳腺上皮細胞相比,侵襲性乳腺癌細胞中ATGL表達增加[18]。細胞內(nèi)ATGL和TAG水平的升高,能夠增加乳腺癌和胰腺導(dǎo)管腺癌中TAG衍生FA的速率,提示ATGL能使在富含脂質(zhì)微環(huán)境中生長的腫瘤細胞FA生成增加,為腫瘤細胞提供構(gòu)成生物膜原料及能量供給,導(dǎo)致腫瘤細胞增殖和侵襲能力增加[18]。同樣,IFTIKHAR等[19]研究發(fā)現(xiàn),在結(jié)腸癌患者中,肥胖患者腫瘤組織ATGL表達水平顯著增高,并通過細胞實驗進一步表明,抑制結(jié)腸癌細胞中ATGL表達阻礙了LD的利用,導(dǎo)致細胞周期停滯,有效地減弱了肥胖介質(zhì)促進的腫瘤細胞生長。

ATGL催化TAG脂解在腫瘤細胞生物學(xué)中的作用是復(fù)雜多樣,可能與腫瘤類型和腫瘤發(fā)生部位有關(guān)。針對ATGL的研究目前只是初步探索并且尚存在爭議。因此,需要更多的研究來探索ATGL在不同腫瘤的表達,以及其在腫瘤發(fā)生、發(fā)展中的作用,以便于將來開發(fā)針對相關(guān)蛋白的抗腫瘤藥物。

2 HSL與腫瘤

HSL由位于人類19號染色體q13.2區(qū)域的LIPE基因編碼,是脂肪動員過程中水解DAG的關(guān)鍵酶。HSL作用底物較為廣泛,能夠催化TAG、DAG、膽固醇酯和視黃酯等底物的水解[20]。但HSL對DAG的親和力比TAG高10倍,優(yōu)先催化DAG水解。在脂肪動員過程中,HSL易位到脂滴表面并與ATGL和MAGL一起參與TAG水解,促進脂肪分解和FA釋放。促脂解激素和抗脂解激素,如兒茶酚胺和胰島素,可通過調(diào)節(jié)環(huán)腺苷酸(cAMP)細胞內(nèi)水平調(diào)控HSL活性[20]。

BALABAN等[21]研究發(fā)現(xiàn),HSL過表達能促進乳腺癌發(fā)生,其原因可能是乳腺富含大量脂肪組織,HSL通過脂解作用為乳腺癌細胞生長增殖提供大量外源性FA。另有研究顯示,2,4-二烯酰輔酶A還原酶過表達能夠增加HSL活性,使FA釋放增加,并促進宮頸癌細胞生長[22]。腫瘤細胞周圍存在的脂肪細胞能夠增加腫瘤細胞中ATGL和HSL表達,將人脂肪細胞與卵巢癌細胞共同培養(yǎng)后,HSL活性被激活,加速腫瘤細胞內(nèi)的脂肪動員過程,FA釋放增加,促進卵巢癌細胞增殖[18]。

相反,大鼠肉瘤病毒癌基因(KRAS)通過MAPK/ERK信號通路下調(diào)HSL活性來控制LD的儲存和利用[23]。KRAS下調(diào)HSL表達后,導(dǎo)致胰腺導(dǎo)管腺癌細胞中LD累積。累積的LD對腫瘤細胞增殖、轉(zhuǎn)移以及侵襲具有促進作用[24]。HSL重新表達時會脂解LD中儲存的脂質(zhì),釋放出大量脂肪酸,將細胞代謝轉(zhuǎn)變?yōu)樯险{(diào)的氧化代謝并減少糖酵解,逆轉(zhuǎn)致癌KRAS對腫瘤的促進作用[23]。另外,WU等[11]研究發(fā)現(xiàn),缺乏HSL和ATGL的小鼠中,其棕色脂肪組織易發(fā)展為脂肪肉瘤。

癌癥相關(guān)惡病質(zhì)是一種嚴重威脅生命健康的消耗狀態(tài),其特征是脂肪組織和肌肉非正常消耗[25]。常規(guī)營養(yǎng)支持無法完全逆轉(zhuǎn)這種情況,并導(dǎo)致進行性功能障礙。研究表明,惡病質(zhì)腫瘤患者的脂肪細胞中HSL表達水平較高,對兒茶酚胺敏感性比非惡病質(zhì)腫瘤患者高2～3倍,導(dǎo)致脂肪分解增加,釋放FA增加,過多的FA進入線粒體進行氧化磷酸化,為腫瘤細胞生長提供能量[26]。小鼠模型試驗表明,HSL缺乏可預(yù)防癌癥相關(guān)惡病質(zhì)小鼠模型中脂肪組織和肌肉丟失[27]。

但目前針對HSL與腫瘤發(fā)生發(fā)展研究相對較少,需要更加深入的研究來探討HSL與腫瘤以及相關(guān)惡病質(zhì)的機制,靶向HSL抑制有望成為腫瘤惡病質(zhì)患者早期治療策略。

3 MAGL與腫瘤

MAGL是一種普遍存在的相對分子質(zhì)量為33 000的酶,其基因位于人類染色體3q21.3上。MAGL是細胞質(zhì)中一種可溶性酶,屬于絲氨酸水解酶超家族[6]。MAGL是TAG分解代謝最后一步反應(yīng)的關(guān)鍵酶,在催化MAG水解成甘油和FA方面起著至關(guān)重要的作用。MAGL還可將2-花生四烯酸甘油(2-AG)水解為花生四烯酸,2-AG是一種重要的內(nèi)源性信號脂質(zhì),可激活大麻素受體(CB1R和CB2R),同時也是二十碳烯酸信號通路的重要脂質(zhì)前體[28]。藥理學(xué)研究表明,MAGL在炎癥、疼痛、神經(jīng)保護、神經(jīng)退行性疾病、代謝紊亂和腫瘤等病理和生理過程中發(fā)揮著重要作用[29],有望成為各類疾病的治療靶點。

MAGL調(diào)控脂質(zhì)代謝過程中FA釋放,調(diào)節(jié)具有致癌信號FA網(wǎng)絡(luò),從而促進腫瘤細胞增殖、遷移以及侵襲。在前列腺癌細胞及鼻咽癌細胞中MAGL表達較高,敲除MAGL或抑制其活性,能夠降低腫瘤細胞的侵襲和遷移能力[30-31]。利用小干擾RNA(siRNA)抑制子宮內(nèi)膜癌細胞中MAGL活性,能夠降低細胞周期蛋白D1(CyclinD1)和Bcl-2的蛋白表達水平,降低腫瘤細胞增殖能力,誘導(dǎo)腫瘤細胞凋亡,導(dǎo)致細胞周期停滯[32]。有研究表明,在乳腺癌、惡性黑色素瘤、卵巢癌、肝細胞癌、結(jié)直腸癌等多種侵襲性腫瘤細胞中MAGL表達增高[33-36],通過敲除MAGL表達或抑制MAGL活性,均可誘導(dǎo)腫瘤細胞中FA、溶血磷脂酸和前列腺素的減少,從而導(dǎo)致腫瘤細胞的增殖及侵襲性降低[37]。在非侵襲性腫瘤中,上調(diào)MAGL基因表達,能提高腫瘤細胞侵襲性及FA水平。抑制腫瘤細胞MAGL的表達或活性后,通過補充外源性FA可以恢復(fù)腫瘤細胞的增殖和侵襲性,提示MAGL通過調(diào)控FA水平來影響腫瘤細胞的增殖和侵襲。然而,SZEREMETA等[38]研究表明,神經(jīng)母細胞瘤細胞中MAGL表達較低。另有研究發(fā)現(xiàn),肺癌組織中MAGL表達較正常組織相比明顯降低,缺乏MAGL的小鼠肺組織高級別不典型增生,更容易發(fā)展為浸潤性肺腺癌[39]。但之后一項研究結(jié)果顯示,MAGL在肺腺癌組織中高表達,并與腫瘤進展及預(yù)后不良有關(guān),MAGL敲除后肺腺癌細胞的體外體內(nèi)增殖和轉(zhuǎn)移均受到抑制[40],與其下調(diào)肺腺癌細胞中CyclinD1和CyclinB1有關(guān),同時還發(fā)現(xiàn)敲除MAGL可抑制細胞基質(zhì)金屬蛋白酶14(MMP14)表達,MMP14在多種腫瘤進展過程表達較高,MMP14和MAGL高表達的肺腺癌組織與其較低的總體生存率具有相關(guān)性[41]。

目前MAGL在腫瘤發(fā)生和進展中的作用存在爭議,有研究認為,MAGL是一種潛在的腫瘤抑制因子,對腫瘤細胞集落形成有抑制作用[42];有研究顯示,在同類型腫瘤細胞中高表達和低表達MAGL表現(xiàn)出不盡相同的生物學(xué)行為。因此,仍需要更多研究來探索MAGL在人類惡性腫瘤中的作用機制,為今后靶向MAGL抗腫瘤治療提供依據(jù)。脂肪動員過程中的3種關(guān)鍵酶與腫瘤相關(guān)研究總結(jié)見表1。

表1 脂肪動員過程中的3種關(guān)鍵酶與腫瘤相關(guān)研究總結(jié)

4 展望與小結(jié)

代謝重編程是惡性腫瘤細胞的標志性特征之一。靶向腫瘤細胞代謝是抗腫瘤治療藥物研發(fā)的方向和重點之一。脂質(zhì)分解代謝是除葡萄糖代謝和氨基酸代謝外的另一個關(guān)鍵影響因素,它通過復(fù)雜的機制影響腫瘤發(fā)生及疾病進展。本文通過對脂肪動員過程中3種關(guān)鍵酶與腫瘤相關(guān)研究進行總結(jié),發(fā)現(xiàn)3種關(guān)鍵酶均具有調(diào)控脂肪代謝過程中FFA釋放,調(diào)節(jié)具有致癌信號的FA網(wǎng)絡(luò),從而影響腫瘤細胞的生物學(xué)行為的特點;同時還發(fā)現(xiàn),3種關(guān)鍵酶即使在同種腫瘤細胞中,高表達和低表達表現(xiàn)出不盡相同的生物學(xué)行為。因此,仍需要進一步深入研究脂解過程3種關(guān)鍵酶在腫瘤中的分子作用機制。隨著后續(xù)對其機制深入的研究和探討,脂肪動員過程中的關(guān)鍵酶有望成為腫瘤治療新的靶點及治療策略,并為抗癌藥物的研制提供新方向。