許瑞雪 呂洪濤 許友松 劉榮耀
(大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院神經(jīng)外科,遼寧 大連 116011)
·綜述·
NF-κB信號(hào)通路與腫瘤放、化療抵抗研究進(jìn)展
許瑞雪*呂洪濤 許友松 劉榮耀
(大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院神經(jīng)外科,遼寧 大連 116011)
核轉(zhuǎn)錄因子κB; DNA損傷; 放化療抵抗; 腫瘤
早在1986年,Sen及Baltimore就發(fā)現(xiàn)了核轉(zhuǎn)錄因子κB (nuclear factor-kappa B, NF-κB)及其抑制因子IκBα[1]。因其是從B淋巴細(xì)胞提取物中檢測(cè)到的一種可與免疫球蛋白的κappa鏈基因增強(qiáng)子序列特異結(jié)合的核因子,故命名為細(xì)胞核因子或κ基因結(jié)合核因子。至今,NF-κB信號(hào)通路在炎癥反應(yīng)、免疫應(yīng)答及腫瘤發(fā)生發(fā)展中的功能及作用機(jī)制仍是研究熱點(diǎn)?;贜F-κB調(diào)控基因的多樣性,近年來人們發(fā)現(xiàn)NF-κB通路是一把雙刃劍,具有雙向效應(yīng)。當(dāng)外來病原菌感染宿主時(shí),NF-κB通路會(huì)被激活并介導(dǎo)干擾素-γ等抗病毒因子的表達(dá),抑制病毒復(fù)制。但過度激活的NF-κB會(huì)導(dǎo)致大量炎性因子表達(dá),給機(jī)體帶來免疫損傷[2]。NF-κB促進(jìn)細(xì)胞凋亡能抑制腫瘤發(fā)生,而異?;罨腘F-κB則能推進(jìn)細(xì)胞周期演進(jìn)并抑制凋亡,從而促進(jìn)細(xì)胞癌變[3]。目前已發(fā)現(xiàn)許多種腫瘤性疾病,包括伯基特淋巴瘤、急性淋巴細(xì)胞白血病、多發(fā)性骨髓瘤、乳腺癌、前列腺癌、肺癌、結(jié)腸癌、胰腺癌、頭頸癌、食管癌及宮頸癌等都與NF-κB的持續(xù)性激活有關(guān)[4]。因此,NF-κB信號(hào)通路需要精確調(diào)控,激活的NF-κB需要適時(shí)負(fù)調(diào)控才能使其在正常水平發(fā)揮生理功能。
近年來,有臨床證據(jù)表明NF-κB活性增高與術(shù)后腫瘤細(xì)胞對(duì)放、化療不敏感有關(guān)[5]。2000年,Huang等[6]證明用喜樹堿(camptothecin, CPT)處理細(xì)胞造成的DNA損傷能特異性激活NF-κB信號(hào)通路。首次發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞核內(nèi)的信號(hào)可以通過特定分子傳導(dǎo)至細(xì)胞質(zhì)中,從而調(diào)控細(xì)胞質(zhì)中NF-κB信號(hào)通路的傳導(dǎo)。該研究拓寬了人們對(duì)NF-κB通路的認(rèn)識(shí),并解釋了為什么放化療造成的DNA損傷激活的NF-κB活性持續(xù)增高會(huì)導(dǎo)致放化療耐受。腫瘤細(xì)胞的抗凋亡作用被認(rèn)為是放化療耐受的主要原因,而NF-κB具有抗凋亡及促凋亡雙方面的效應(yīng)。低水平的DNA損傷時(shí),NF-κB抑制細(xì)胞凋亡,促進(jìn)DNA修復(fù);而高水平DNA損傷時(shí),NF-κB則促進(jìn)細(xì)胞凋亡。細(xì)胞通過精細(xì)調(diào)控NF-κB來確保正常生命活動(dòng)。一旦NF-κB活性異常增高或者持續(xù)活化,則表現(xiàn)出抗凋亡作用,并通過誘導(dǎo)包括環(huán)氧酶2(cycio-oxygen-ase 2, COX 2),細(xì)胞周期蛋白D1(cyclin D1),B淋巴細(xì)胞瘤-2基因(B-cell lymphoma-2)家族,Survivin及表皮生長(zhǎng)因子受體(epidermal growth factor receptor, EGFR)等靶基因的表達(dá),導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞對(duì)化療或放療產(chǎn)生抗性[7]。由于NF-κB介導(dǎo)的下游靶基因有很大一部分是細(xì)胞正常生命進(jìn)程所需要的,因此廣譜阻斷NF-κB意味著很多不良反應(yīng)的產(chǎn)生。因此,深入探討特定條件下誘導(dǎo)激活的NF-κB通路,有利于我們對(duì)NF-κB通路對(duì)促進(jìn)腫瘤放化療抗性作用的認(rèn)識(shí),從而提出特異而有效的個(gè)體化治療方案。下面對(duì)DNA損傷誘導(dǎo)的NF-κB通路及其與腫瘤放化療抵抗的關(guān)系做一綜述。
經(jīng)典NF-κB信號(hào)通路的傳導(dǎo)是發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中的級(jí)聯(lián)反應(yīng)。當(dāng)細(xì)胞受到外界刺激,比如用腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)處理細(xì)胞時(shí),細(xì)胞表面的TNFα受體與之結(jié)合,并迅速募集一系列蛋白復(fù)合物,例如接頭蛋白腫瘤壞死因子受體相關(guān)死亡蛋白(TNF receptor-associated death domain, TRADD),受體相互作用蛋白1(receptor-interacting protein 1, RIP1),泛素連接酶E3,包括腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子2(TNF receptor-associated factor 2, TRAF2),腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子5(TNF receptor-associated factor 5, TRAF5),凋亡抑制蛋白1(cellular inhibitor of apoptosis protein 1, cIAP1),凋亡抑制蛋白2(cellular inhibitor of apoptosis protein 2, cIAP2)和泛素連接酶復(fù)合物(the linear ubiquitin assembly complex, LUBAC),以及去泛素化酶A20,腫瘤抑制因子(cylindromatosis, CYLD)等等。在該蛋白復(fù)合體中,RIP1被幾個(gè)或所有的E3催化形成K63型多聚泛素鏈。RIP1形成的K63型泛素鏈?zhǔn)悄技⒓せ钕掠无D(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子激酶1(TGF-activated kinase 1, TAK1)及核轉(zhuǎn)錄因子-κB激酶(IκB kinase, IKK)復(fù)合體的關(guān)鍵步驟。TAK1復(fù)合體中的TAB2及IKK復(fù)合體中的核轉(zhuǎn)錄因子-κB激酶γ(IκB kinase γ, IKKγ)含有泛素結(jié)合結(jié)構(gòu)域,可與泛素鏈結(jié)合。TAK1通過TAB2結(jié)合的K63型泛素鏈發(fā)生自身磷酸化并激活核轉(zhuǎn)錄因子-κB激酶β(IκB kinase β, IKKβ)。另外,核轉(zhuǎn)錄因子-κB激酶α/β(IκB kinase α/β, IKKα/β)通過與核轉(zhuǎn)錄因子κB重要調(diào)控因子(NF-kappa-B essential modulator, NEMO)結(jié)合,穩(wěn)定IKK與腫瘤壞死因子受體1(tumor necrosis factor receptor 1, TNFR1)復(fù)合體的相互作用,隨后RIP1通過有絲分裂原活化蛋白激酶激酶激酶(mitogen-activated protein kinase/extracellular signal-regulated kinase kinase kinase 3, MEKK3)激活I(lǐng)KK?;罨腎KKβ磷酸化IκBα并促使其發(fā)生K48型泛素化修飾及降解。被IκBα屏蔽的NF-κB得以釋放,并迅速進(jìn)入細(xì)胞核,行使轉(zhuǎn)錄因子的功能,介導(dǎo)靶基因表達(dá)[4]。NF-κB調(diào)控的基因種類多樣,包括免疫和炎癥相關(guān)的細(xì)胞因子,細(xì)胞增殖和凋亡相關(guān)基因,細(xì)胞粘附因子等。因此,NF-κB與多種正?;蚣膊顟B(tài)(如免疫、炎癥、腫瘤等)相關(guān)。不同的細(xì)胞外刺激,募集的蛋白激酶及泛素鏈接酶E3不同,但位于K63型泛素鏈下游的信號(hào)傳導(dǎo)都由TAK1/TAB2及IKK復(fù)合體來完成。活化的NF-κB信號(hào)通路需要控制在生理水平,因此細(xì)胞也配備了相應(yīng)的負(fù)調(diào)控機(jī)制。去泛素化酶腫瘤抑制因子圓柱瘤基因(Cylindromatosis, CYLD)及鋅指蛋白A20就扮演著負(fù)調(diào)控作用。A20一方面可介導(dǎo)TNF刺激下的RIP1的K63型去泛素化,同時(shí)還介導(dǎo)RIP1上K48型泛素化降解,從而抑制NF-κB的持續(xù)激活[8]。
1.DNA損傷應(yīng)答通路:不同的DNA損傷劑能夠誘導(dǎo)不同的DNA損傷,例如電離輻射能直接誘導(dǎo)產(chǎn)生DNA雙鏈斷裂(DNA double-strand breaks, DSBs),而甲基化劑和順鉑則能誘導(dǎo)復(fù)制阻滯,最終導(dǎo)致DSBs形成。細(xì)胞發(fā)生DNA損傷后,損傷識(shí)別因子便對(duì)損傷進(jìn)行識(shí)別,依據(jù)損傷類型及損傷程度不同,啟動(dòng)不同的信號(hào)傳導(dǎo)通路,激活細(xì)胞周期監(jiān)測(cè)點(diǎn),延遲細(xì)胞周期進(jìn)行,激活DNA修復(fù)功能。當(dāng)DNA損傷不能被修復(fù),或者DNA損傷過多時(shí),細(xì)胞周期監(jiān)測(cè)點(diǎn)會(huì)啟動(dòng)細(xì)胞周期永久停滯機(jī)制或者啟動(dòng)細(xì)胞凋亡機(jī)制來清除具有潛在危險(xiǎn)的細(xì)胞。這一系列的級(jí)聯(lián)反應(yīng)是由DNA損傷感受器,主要是毛細(xì)血管擴(kuò)張性共濟(jì)失調(diào)癥突變蛋白(ataxia-telangiectasis mutated, ATM)和ATM和Rad3相關(guān)蛋白 (ATM-Rad3-related, ATR)來識(shí)別并傳導(dǎo)的。ATM對(duì)雙鏈DNA損傷做出反應(yīng),屬于磷脂酰肌醇3激酶樣蛋白激酶[9];ATR對(duì)DNA大的損傷或復(fù)制叉受阻的損傷做出反應(yīng)[10]。DSBs導(dǎo)致染色質(zhì)結(jié)構(gòu)改變,產(chǎn)生信號(hào)誘導(dǎo)ATM發(fā)生自身磷酸化。ATM自身磷酸化后,一方面能夠介導(dǎo)組蛋白H2AX磷酸化(γ-H2AX),γ-H2AX將DNA損傷和重組蛋白如乳腺癌易感基因1、P53結(jié)合蛋白1、DNA損傷關(guān)卡蛋白1、DNA修復(fù)蛋白等募集到DNA損傷處,啟動(dòng)損傷修復(fù);另一方面,磷酸化的ATM介導(dǎo)p53,檢驗(yàn)點(diǎn)激酶2(Checkpoint kinase 2, Chk2)等周期監(jiān)測(cè)點(diǎn)蛋白磷酸化[11],促進(jìn)G1/S、S、G2/M周期阻滯,為DNA損傷修復(fù)提供時(shí)間。當(dāng)DNA修復(fù)失敗時(shí),細(xì)胞將啟動(dòng)凋亡程序。p53和NF-κB通路是DNA損傷誘導(dǎo)凋亡的主要途徑[12]。p53和NF-κB通路在DNA損傷相關(guān)的凋亡反應(yīng)中起雙重作用,低水平的DNA損傷時(shí),抑制細(xì)胞凋亡,促進(jìn)DNA修復(fù);高水平DNA損傷時(shí),促進(jìn)細(xì)胞凋亡。不同的反應(yīng)機(jī)制可能依賴于DNA損傷的程度及細(xì)胞耐受能力[13]。
2.DNA損傷激活的NF-κB通路:Huang等[6]證明用喜樹堿處理細(xì)胞造成的DNA雙鏈損傷(DSBs)能特異性激活NF-κB信號(hào)通路。當(dāng)時(shí)困擾研究者的一個(gè)主要問題是細(xì)胞核內(nèi)的信號(hào)如何激活細(xì)胞核外的NF-κB通路傳導(dǎo)。近年來研究者發(fā)表了系列文章闡述了ATM及細(xì)胞核內(nèi)NEMO的翻譯后修飾,如小泛素相關(guān)修飾物(small ubiquitin-related modifier, SUMO)化、磷酸化及泛素化,共同行使從核內(nèi)到核外傳遞信號(hào)的功能。依據(jù)DNA損傷程度不同及細(xì)胞反應(yīng)性不同,目前提出了以下幾種作用模式:①ELKS介導(dǎo)模式:DNA損傷后,NEMO從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核并被SUMO化修飾,然后核內(nèi)的ATM與之結(jié)合并使之磷酸化,磷酸化的NEMO與ATM以復(fù)合體的形式出核,并募集泛素連接酶(E3)X連鎖凋亡抑制蛋白(X-linked inhibitor of apoptosis protein, XIAP),泛素結(jié)合酶(E2)Ubc13及一個(gè)富含賴氨酸的蛋白ELKS。在該復(fù)合物中,XIAP催化ELKS發(fā)生K63型多聚泛素化修飾,從而激活TAK1/TAB2、IKK復(fù)合體,以與經(jīng)典NF-κB通路相同的方式激活下游信號(hào)傳導(dǎo)[14]。②RIP1介導(dǎo)模式:基因組損傷后,RIP1 被SUMO化修飾并出核,與NEMO、ATM、及TAK1形成復(fù)合體,在該復(fù)合體中RIP1被催化形成K63型泛素鏈,從而募集并激活TAK1/TAB2、IKK復(fù)合體,激活下游信號(hào)傳導(dǎo)[15]。③TRAF6模式:基因組損傷激活PARP-1及ATM,并募集NEMO及PIASy。形成的復(fù)合體介導(dǎo)NEMO的SUMO化修飾及ATM的磷酸化修飾。ATM以鈣離子依賴的方式轉(zhuǎn)移至細(xì)胞質(zhì)及細(xì)胞膜,并激活TRAF6發(fā)生自身泛素化形成K63型多聚泛素鏈,SUMO化修飾的NEMO以單體的形式出核,與IKK復(fù)合體匯合,從而激活TAK1/TAB2及IKK復(fù)合體,啟動(dòng)下游信號(hào)傳導(dǎo)。三種模式通過不同的中間蛋白形成K63型泛素鏈,啟動(dòng)相同的TAK1/TAB2→IKK→IκBα信號(hào)傳導(dǎo)[16]。如前所說,激活的NF-κB需要適時(shí)負(fù)調(diào)控。目前關(guān)于DNA損傷誘導(dǎo)的NF-κB信號(hào)通路的負(fù)調(diào)控機(jī)制還知之甚少。有研究表明,SUMO特異性蛋白酶(SUMO specific protease, SENP2)可以促進(jìn)SUMO化修飾的NEMO去SUMO化修飾,從而抑制損傷信號(hào)的傳導(dǎo)[17]。更多的負(fù)調(diào)控機(jī)制還有待深入研究。
無論是化學(xué)藥物還是放射治療,都能通過損傷DNA,阻斷細(xì)胞增殖以達(dá)到消除腫瘤的目的,DNA損傷將特異性激活NF-κB。研究還發(fā)現(xiàn)在一些耐藥細(xì)胞系,如多重耐藥腫瘤細(xì)胞FM3A/M中,NF-κB的表達(dá)和基礎(chǔ)水平比其親體細(xì)胞明顯增強(qiáng),而NF-κB的抑制因子IκB的表達(dá)則明顯下降。一些耐藥基因的啟動(dòng)子中還含有NF-κB的結(jié)合序列,從而增強(qiáng)耐藥基因的表達(dá)。研究表明NF-κB主要通過三方面機(jī)制導(dǎo)致腫瘤抗性:刺激細(xì)胞增殖,抑制細(xì)胞凋亡,促進(jìn)腫瘤細(xì)胞侵襲與轉(zhuǎn)移。具體機(jī)制如下[18]:①上調(diào)CyclinD1的表達(dá),促進(jìn)細(xì)胞周期由G1/G0期向S期轉(zhuǎn)化,引發(fā)細(xì)胞的無限增殖;或激活靶基因如白細(xì)胞介素(interleukin 2, IL-2)、粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子(granulocyte-macrophage colony stimulating factor, GM-CSF)等的表達(dá),產(chǎn)生生長(zhǎng)因子,刺激細(xì)胞增殖。②通過抑制細(xì)胞死亡信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo),保護(hù)細(xì)胞免受TNF和其他刺激因素誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。③促進(jìn)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vescular endothelial growth factor, VEGF),細(xì)胞間粘附因子1(intercellular cell adhesion molecule-1, ICAM-1),基質(zhì)金屬蛋白酶(matrixmetalloproteinases, MMPs)和尿激酶等生長(zhǎng)因子,粘附分子和酶類等與腫瘤侵襲及轉(zhuǎn)移相關(guān)分子的表達(dá)。
目前研究得比較多的是NF-κB與化療耐受性的關(guān)系。Uetsuka等使用5-氟尿嘧啶作用人胃癌NUGC3細(xì)胞株后,NF-κB活化,增強(qiáng)了NUGC3細(xì)胞株對(duì)5-氟尿嘧啶的耐受性。但是,加入NF-κB阻斷劑后,NUGC3細(xì)胞株對(duì)5-氟尿嘧啶所致的促細(xì)胞凋亡作用明顯增高[19]。Patel等[20]發(fā)現(xiàn)NF-κB在乳腺癌細(xì)胞中呈現(xiàn)持續(xù)活化,使抗凋亡基因c-AIP2過度表達(dá),使得乳腺癌細(xì)胞耐藥性增加。Bentires-Alj等[21]報(bào)道NF-κB通過上調(diào)多重耐藥基因的表達(dá)而增加結(jié)腸癌細(xì)胞株HCT15對(duì)化療藥物道諾霉素的耐受性。相反,阻斷NF-κB的活化,能使多重耐藥基因的mRNA和P-糖蛋白(P-glycoprotein,P-gp)表達(dá)減少而增加對(duì)道諾霉素的敏感性。許瑞雪等[22]研究發(fā)現(xiàn),電離輻射可激活人膠質(zhì)母細(xì)胞瘤T98G細(xì)胞(T98G細(xì)胞)NF-κB通路,抑制NF-κB可增強(qiáng)T98G細(xì)胞對(duì)電離輻射對(duì)敏感性。提示NF-κB通路在膠質(zhì)瘤放療抵抗中可能發(fā)揮重要作用。
在抑制NF-κB活化的藥物中,硼替佐米(bortezomib,商品名:萬珂velcade)是目前全球唯一被批準(zhǔn)的抗腫瘤臨床治療的蛋白酶抑制劑。硼替佐米屬于可逆性蛋白酶體抑制劑,可以選擇性地與蛋白酶體活性位點(diǎn)的蘇氨酸結(jié)合,抑制蛋白酶體20S亞單位的糜蛋白酶和胰蛋白酶活性,可通過抑制IκB的降解,阻止NF-κB的活化,誘導(dǎo)骨髓瘤細(xì)胞凋亡[23]。
綜上所述,NF-κB的活化與腫瘤發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移及放化療抗性有關(guān),抑制NF-κB的活化能減緩腫瘤的生長(zhǎng)及轉(zhuǎn)移,并增強(qiáng)放化療敏感性。理想的NF-κB抑制劑應(yīng)是只特異性地作用于腫瘤細(xì)胞,而非正常細(xì)胞,并且能避免機(jī)體免疫功能異常的發(fā)生。所以,針對(duì)DNA損傷誘導(dǎo)的NF-κB通路研究具有重要的臨床意義。例如,Xu等[24]研究表明miR181b可以靶向于SUMO特異性蛋白酶(SUMO specific protease, SENP2),從而使DNA損傷誘導(dǎo)的NF-κB通路持續(xù)激活,造成放療抵抗。因此針對(duì)特異性DNA損傷激活的NF-κB信號(hào)通路的調(diào)控將來有望對(duì)腫瘤治療具有更高的特異性和更廣闊的臨床應(yīng)用前景。
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1671-2897(2017)16-475-03
遼寧省博士啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(201601235)
許瑞雪,主任醫(yī)師,E-mail:xrx1976@163.com
*通訊作者:許瑞雪,主任醫(yī)師,E-mail:xrx1976@163.com
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A
2015-07-08;
2017-06-05)