LKB1在肺癌中的信號(hào)傳導(dǎo)研究進(jìn)展

劉思奇，張 晶，呂 飛，孫詩(shī)卓，蘆小單，，丁亦男

(1.長(zhǎng)春師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130032；2.吉林省人民醫(yī)院，吉林 長(zhǎng)春 130021)

肺癌是一種肺部支氣管黏膜或腺體的惡性腫瘤。近年來(lái)，肺癌的檢測(cè)方法明顯增多，治療也有了顯著改善，但是肺癌仍然是全世界癌癥中死亡率最高的。除了吸煙史外，與肺癌發(fā)展相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)因素還包括不良飲食、職業(yè)暴露和遺傳易感性[1]，男性肺癌的發(fā)生率和死亡率占據(jù)第一的位置[2]。LKB1的失活體細(xì)胞突變與多種癌癥的發(fā)病機(jī)制有關(guān)，包括非小細(xì)胞肺癌、胃腸道癌、胰腺癌、宮頸癌等[3]。LKB1功能喪失在肺癌中被發(fā)現(xiàn)，包括無(wú)義突變、雜合性喪失、插入、基因內(nèi)缺失等。突變的LKB1與其他代謝調(diào)節(jié)基因協(xié)同作用促進(jìn)了代謝重編程，增強(qiáng)了對(duì)代謝壓力的適應(yīng)，從而使腫瘤發(fā)展為更具侵襲性的惡性表型[4]。免疫治療目前已經(jīng)成為對(duì)抗癌癥的新的方向，為癌癥治療打開了新機(jī)遇的大門，同時(shí)也重新定義了包括肺癌在內(nèi)的多種腫瘤的分類[5]。

1 LKB1蛋白和功能

LKB1編碼48 kDa的蛋白質(zhì)在成人和胎兒組織中呈現(xiàn)，存在于肝、睪丸、肝臟和胰腺等器官中[6]。其包含絲氨酸-蘇氨酸激酶結(jié)構(gòu)域，因此LKB1在激酶結(jié)構(gòu)域中的突變?nèi)菀滓种萍っ富钚院图?xì)胞生長(zhǎng)[7]。除了在激酶結(jié)構(gòu)域中發(fā)現(xiàn)的突變，還有黑色素斑-胃腸多發(fā)息肉綜合征(PJS)有關(guān)的變異，或在散發(fā)性癌癥中LKB1的C端發(fā)現(xiàn)的突變。除了在激酶結(jié)構(gòu)域上的突變，其他突變雖然有危害，卻不會(huì)損害激酶活性，也不會(huì)抑制生長(zhǎng)[8]。在LKB1編碼C末端范圍內(nèi)，會(huì)有明確的翻譯后的修飾位點(diǎn)。首先，LKB1編碼C末端中，明確了四個(gè)磷酸化的位置點(diǎn)，即Thr185、Thr189、Thr336和Thr402[9]。其中的Thr336不會(huì)因內(nèi)部的磷酸化而影響細(xì)胞定位和細(xì)胞活性，卻可以影響LKB1中細(xì)胞的生長(zhǎng)[9]。此外，有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Ser31、Ser325、Thr363和Ser428也是磷酸化位點(diǎn)[9]。Thr363在電離輻射下會(huì)被磷酸化，cAMP則會(huì)對(duì)Ser428進(jìn)行磷酸化，但不影響Ser428的催化屬性。由此可知，LKB1作為一種蛋白質(zhì)，會(huì)調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長(zhǎng)，但是Ser31和Ser325的激酶迄今尚未確定。

LKB1一般在細(xì)胞核中，擁有單個(gè)核定位信號(hào)域。因?yàn)長(zhǎng)KB1本身核輸出結(jié)構(gòu)域不足，所以LKB1往往要與其他蛋白質(zhì)相互作用。研究表明LKB1的激活與其易位到細(xì)胞質(zhì)有關(guān)，假激酶樣銜接蛋白STRADα可防止LKB1的核重新定位，LKB1能夠與STRADα和MO25復(fù)合并位于細(xì)胞質(zhì)中，腫瘤細(xì)胞研究表明通過(guò)磷酸化作用激活蛋白激酶(AMPK)家族的AMPKα、NUAK、SIK等蛋白[10]調(diào)節(jié)代謝過(guò)程，從而控制氧化還原和能量的穩(wěn)態(tài)。

LKB1突變?cè)诜蜗侔┲懈鼮槠毡?，但也見于肺鱗狀細(xì)胞癌和大細(xì)胞腺癌[11]。這些突變通常與KRAS突變同時(shí)發(fā)生，并且它們能夠產(chǎn)生具有轉(zhuǎn)移特征的侵襲性腫瘤[11]。SHEN等[12]發(fā)現(xiàn)LKB1突變對(duì)白種人患者的偏好略高于亞洲患者。肺癌中檢測(cè)到的突變主要包括無(wú)義突變或插入缺失的組合或一個(gè)LKB1等位基因上的大基因內(nèi)缺失(導(dǎo)致蛋白質(zhì)截?cái)?加上另一個(gè)等位基因上的大染色體缺失[13]。在肺癌中,一些突變熱點(diǎn),包括Q37X、837-842delC和密碼子51-53[13]處的移碼插入缺失。Sanchez-Cespedes等人報(bào)道，LKB1突變肺癌細(xì)胞不正確地激活A(yù)MPK或抑制mTOR[2]。LKB1的缺失通過(guò)增加促血管生成基因的表達(dá)來(lái)促進(jìn)腫瘤發(fā)生和轉(zhuǎn)移[13]。LKB1的缺失會(huì)增加S-腺苷甲硫氨酸(SAM)的產(chǎn)生，SAM是參與DNA、RNA和組蛋白甲基化的重要輔助因子[14]。這會(huì)導(dǎo)致干擾素基因刺激物(STING)的下調(diào)，從而導(dǎo)致程序死亡配體1(PD-L1)的下調(diào)。具有LKB1的突變肺癌細(xì)胞也會(huì)表現(xiàn)出各種異常，例如不正確的高爾基體定位和片狀偽足形態(tài)。此外，據(jù)推測(cè)，LKB1的缺乏會(huì)促進(jìn)上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)，這是一種迫使分化細(xì)胞重新獲得干細(xì)胞樣特性的復(fù)雜現(xiàn)象[15]。

2 細(xì)胞極性與能量代謝

LKB1通過(guò)激活A(yù)MPKα，介導(dǎo)頂端和基底外側(cè)膜蛋白的分選、上皮連接的形成和肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架的重組來(lái)誘導(dǎo)上皮細(xì)胞極性[16]。除了激活A(yù)MPKα，LKB1也通過(guò)激活MARK亞型來(lái)調(diào)節(jié)極性，同時(shí)LKB1在微管骨架組織中發(fā)揮顯著作用。LKB1調(diào)節(jié)神經(jīng)元遷移和軸突生長(zhǎng)是通過(guò)激活BRSK(或SAD)蛋白引起的，更具體地說(shuō)，LKB1參與上皮形態(tài)發(fā)生過(guò)程中的中心體定位、管腔起始和刷狀緣形成[17]。鑒于LKB1在細(xì)胞極性中的作用，LKB1在維持正常細(xì)胞功能和上皮組織增殖中也是極其重要的。因此，LKB1中的突變更易促進(jìn)腫瘤的發(fā)生與發(fā)展。

癌細(xì)胞通過(guò)糖酵解產(chǎn)生ATP來(lái)維持自身的增殖和生長(zhǎng)，LKB1抑制過(guò)量的糖酵解。同時(shí)，AMPK是LKB1代謝調(diào)節(jié)的最重要的下游靶標(biāo)。在AMPK缺乏的條件下糖酵解會(huì)增加，LKB1-AMPK信號(hào)傳導(dǎo)也受到控制。研究表明LKB1缺乏的癌細(xì)胞中脂質(zhì)代謝發(fā)生了紊亂，癌細(xì)胞中過(guò)多的脂質(zhì)和膽固醇儲(chǔ)存在脂滴(LD)中，許多類型的腫瘤顯示出高LD，乙酰輔酶A羧化酶(ACC)是LKB1脂質(zhì)代謝的關(guān)鍵下游靶點(diǎn)[18]。LKB1-AMPK的激活使ACC磷酸化并抑制其功能，從而抑制肺癌的發(fā)展[19]。

3 LKB1調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長(zhǎng)

LKB1會(huì)根據(jù)各種信號(hào)途徑，控制細(xì)胞的成長(zhǎng)。LKB1/AMPK下游途徑中，常見的是傳遞TSC/mTOR的信號(hào)。LKB1可通過(guò)活化的AMPK使TSC2磷酸化，從而對(duì)TSC1/TSC2復(fù)合物進(jìn)行進(jìn)一步的激活[20]，以此控制mTORC1的成長(zhǎng)與活性(在此，mTORC1是一種復(fù)合物，由mTOR/Raptor/MLST8組成)?；罨腡SC1/TSC2復(fù)合物，能夠使Rheb產(chǎn)生負(fù)向調(diào)節(jié)，從而抑制mTORC1[21]。除了抑制TSC2/mTORC1磷酸化這種結(jié)果，還會(huì)通過(guò)AMPK磷酸化raptor，導(dǎo)致mTORC1的抑制[22]。缺氧條件下，mTORC1激活后，可以穩(wěn)定缺氧誘導(dǎo)因子1α(HIF-1α)，以此刺激血管，促使腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)。同時(shí)，mTORC1的活性在ULK1/2和ATG13磷酸化作用下會(huì)抑制自噬。表明LKB1可以通過(guò)對(duì)mTOR信號(hào)的調(diào)節(jié)與傳導(dǎo)，進(jìn)一步影響細(xì)胞生長(zhǎng)。最近實(shí)驗(yàn)還表明，LKB1是一種維持造血干細(xì)胞(HSC)穩(wěn)態(tài)的必需物質(zhì)，但只在AMPK和mTOR中呈現(xiàn)[23]，這表明其他分子也從不同途徑影響LKB1對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的調(diào)節(jié)作用。

4 細(xì)胞凋亡

在LKB1缺失的細(xì)胞中重新導(dǎo)入LKB1，同樣會(huì)引起細(xì)胞周期停滯[24]；如果去除LKB1，結(jié)果則觸發(fā)細(xì)胞周期進(jìn)一步從G1向S期發(fā)展[25]。此處需要特別指出，如果細(xì)胞中重新引入LKB1，在催化的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)缺陷突變體，導(dǎo)致細(xì)胞不能周期停滯，但是可以上調(diào)細(xì)胞周期，促使誘導(dǎo)因子(Cyclin D)表達(dá)。此外，LKB1突變的腫瘤被證明是通過(guò)抑制體內(nèi)p21(p21可以和p53共同構(gòu)成細(xì)胞周期G1檢查站)來(lái)介導(dǎo)的。LKB1參與的細(xì)胞周期調(diào)節(jié)已顯示是通過(guò)p53依賴性機(jī)制來(lái)調(diào)節(jié)的。還有研究表明LKB1會(huì)磷酸化p53，在介導(dǎo)p53時(shí)，還會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，LKB1和p53在腫瘤發(fā)展中具有協(xié)同作用[26]。

同時(shí)LKB1作用于PTEN的上游。PTEN是一種參與PI3K/AKT生存途徑的磷酸酶。LKB1誘導(dǎo)PTEN的表達(dá)和核輸出，導(dǎo)致PI3K/AKT信號(hào)傳導(dǎo)和細(xì)胞凋亡減少[27]。研究表明LKB1介導(dǎo)的PTEN核輸出不依賴AMPK/mTOR信號(hào)傳導(dǎo)[27]。此外Matrin F等研究應(yīng)用基于CRISPR/Cas9技術(shù)的肺癌小鼠模型，在功能上解決mToR通路的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子LKB1和PTEN，發(fā)現(xiàn)LKB1的突變是關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，而PTEN的缺失對(duì)腺癌的進(jìn)展影響不顯著[28]。在體內(nèi)，LKB1的缺失與PTEN的缺失共同加速腫瘤發(fā)生[29]。用mTOR抑制劑治療可以減少腫瘤形成，所以這種復(fù)合突變腫瘤發(fā)生至少部分是由mTOR信號(hào)介導(dǎo)的。

5 LKB1與腫瘤的相關(guān)研究

在20世紀(jì)70年代，二甲雙胍被美國(guó)食品和藥物管理局(FDA)批準(zhǔn)用于治療2型糖尿病(DM2)。二甲雙胍在這些代謝紊亂中的療效歸因于二甲雙胍具有減少肝臟糖異生和改善胰島素敏感性的潛力[30]。二甲雙胍被證明是AMPK的激活劑，AMPK是這些代謝過(guò)程的主要調(diào)節(jié)劑之一[31]。在LKB1的存在下，正常細(xì)胞會(huì)激活A(yù)MPK，導(dǎo)致生長(zhǎng)受限和存活時(shí)間延長(zhǎng)。研究表明，LKB1缺乏的肺癌無(wú)法恢復(fù)ATP水平，其對(duì)細(xì)胞的凋亡也非常敏感[32]。根據(jù)這些發(fā)現(xiàn)作了幾項(xiàng)回顧性分析，表明口服雙胍或二甲雙胍與降低肺癌風(fēng)險(xiǎn)之間存在相關(guān)性[33]。雖然經(jīng)常發(fā)生對(duì)靶向治療的代謝適應(yīng)，但LKB1靶向治療與其他療法的結(jié)合有可能增加治療的整體反應(yīng)。

研究證明雷帕霉素在依賴AKT信號(hào)通路進(jìn)行增殖和腫瘤生長(zhǎng)的細(xì)胞中具有重要作用，而依賴其他信號(hào)通路進(jìn)行生長(zhǎng)的細(xì)胞對(duì)雷帕霉素具有抗性[34]。促分裂原激活的細(xì)胞外激酶(MAPK/ERK)信號(hào)通路被激活時(shí)，腫瘤對(duì)雷帕霉素也會(huì)產(chǎn)生耐藥性。雷帕霉素與其他特定途徑抑制劑的組合可以解決這一問(wèn)題。研究表明，雷帕霉素治療對(duì)mTOR的抑制會(huì)誘導(dǎo)反饋回路，從而導(dǎo)致PI3K/AKT信號(hào)傳導(dǎo)上調(diào)[35]。因此，通過(guò)將雷帕霉素與特定的PI3K抑制劑結(jié)合來(lái)阻斷PI3K/AKT信號(hào)傳導(dǎo)和mTOR信號(hào)傳導(dǎo)，已證明比單獨(dú)使用雷帕霉素更有效地抑制腫瘤生長(zhǎng)[35]。

晚期(轉(zhuǎn)移性)非小細(xì)胞肺癌的治療目前主要基于PD-1或PD-L1抗體的免疫療法，單獨(dú)治療或者與化療聯(lián)合使用。在局部晚期肺癌和早期切除階段，更多地采用免疫治療。隨著對(duì)LKB1的代謝途徑和其他途徑的認(rèn)識(shí)不斷增加，免疫組織化學(xué)表達(dá)腫瘤PD-L1被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)做法。根據(jù)主要改變的信號(hào)通路制定不同的治療解決方案，以便進(jìn)行有效的免疫治療。PD-1通路是腫瘤微環(huán)境(TME)中局部免疫抑制的關(guān)鍵介質(zhì)，還調(diào)節(jié)T細(xì)胞對(duì)腫瘤抗原和繼發(fā)性淋巴結(jié)的啟動(dòng)[36]。通過(guò)抑制免疫細(xì)胞上的PD-1受體或免疫細(xì)胞上的PD-L1配體來(lái)阻斷PD-1通路，可以抑制腫瘤生長(zhǎng)并可能增加治愈的概率。目前，三種阻斷PD-1的單克隆抗體和使用17種不同類型晚期癌癥的一線治療已被美國(guó)食品和藥物管理局(FDA)批準(zhǔn)[36]。對(duì)KRAS突變與LKB1突變同時(shí)發(fā)生的肺癌患者，已經(jīng)找到基于PD-1或PD-L1抗體的免疫療法，通過(guò)全外顯子組測(cè)序與腫瘤突變負(fù)荷(TMB)的相關(guān)性突變、吸煙相關(guān)的突變特征和人類白細(xì)胞抗原狀態(tài)，以便更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)反應(yīng)并進(jìn)行后續(xù)治療[37]。

研究發(fā)現(xiàn)KRAS-LKB1突變型肺癌對(duì)曲美替尼聯(lián)合放療非常敏感。在KRAS-p53或單獨(dú)的KRAS突變肺癌細(xì)胞中未觀察到曲美替尼和放療的協(xié)同作用，野生型腫瘤抑制因子LKB1可以誘導(dǎo)對(duì)聯(lián)合治療的抗性。具體而言，在KRAS突變的肺癌中，LKB1通過(guò)激活A(yù)MPK自噬途徑誘導(dǎo)對(duì)這種組合的抗性，從而使細(xì)胞免于衰老。在KRAS和LKB1突變的細(xì)胞中，曲美替尼和放療的共同組合可誘導(dǎo)細(xì)胞衰老，但在功能喪失的p53或野生型LKB1的細(xì)胞中則沒有此作用。這些有趣的發(fā)現(xiàn)反映了MAPK通路和腫瘤抑制通路之間復(fù)雜的相互作用。曲美替尼在與放療一起使用時(shí)，同時(shí)影響兩種腫瘤抑制途徑：它通過(guò)減少M(fèi)DM2-Ser166磷酸化和激活A(yù)MPK來(lái)穩(wěn)定p53。眾所周知，p53通路會(huì)被放射治療激活[38]，但激活水平受到MDM2的負(fù)反饋調(diào)節(jié)。據(jù)報(bào)道，MDM2-Ser166的磷酸化增加了MDM2的泛素連接酶活性[39]。因此，曲美替尼可以在放療后穩(wěn)定p53蛋白，以增強(qiáng)放療誘導(dǎo)的衰老效應(yīng)。這種放射增敏機(jī)制需要p53信號(hào)傳導(dǎo)，這表明具有KRAS-LKB1-p53三重突變的腫瘤可能不會(huì)被曲美替尼放射增敏。

除了肺癌外，在晚期的子宮內(nèi)膜癌患者中，同時(shí)給予二甲雙胍和貝伐單抗也具有積極的治療作用。二甲雙胍可以調(diào)節(jié)缺乏LKB1表達(dá)的腫瘤中的貝伐單抗活性，值得在臨床前研究和臨床試驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證。SAR405是最近發(fā)現(xiàn)的VPS34激酶活性的特異性抑制劑，可抑制晚期內(nèi)體與溶酶體的融合和自噬體的形成，在腎癌細(xì)胞系中與mTOR抑制劑依維莫司發(fā)揮協(xié)同抗癌活性[10]。

6 結(jié)語(yǔ)

LKB1在癌癥代謝中的作用近年來(lái)備受關(guān)注，LKB1基因的突變與其抑癌機(jī)制也正在被揭示。肺癌患者逐年增加，受到了腫瘤專家的關(guān)注。LKB1在細(xì)胞代謝中發(fā)揮特殊作用，抑癌基因LKB1的表達(dá)與肺癌發(fā)生發(fā)展都密切相關(guān)，可通過(guò)基因敲除來(lái)研究肺癌的發(fā)病機(jī)制，通過(guò)CRISPR/Cas9編輯LKB1基因與其他基因缺失的體內(nèi)腫瘤模型并對(duì)免疫進(jìn)一步探索。通過(guò)精準(zhǔn)醫(yī)療技術(shù)發(fā)現(xiàn)更多的突變位點(diǎn)，以期為肺癌的早期診斷作出分子標(biāo)志，為肺癌患者的后期靶向治療提供一個(gè)創(chuàng)新性的思路。