BECN1与肿瘤关系的研究进展
2013-08-15王立园张梅英
王立园,张梅英
(中国医科大学实验动物部/辽宁省转基因动物研究重点实验室,沈阳 110001)
自噬是是指从粗面内质网的无核糖体附着区脱落的双层膜包裹部分胞质和细胞内需降解的细胞器、蛋白质等成分形成自噬体,并与溶酶体融合形成自噬溶酶体,降解其所包裹的内容物,以实现细胞本身的代谢需要和某些细胞器的更新。
自噬主要参与细胞内大分子物质的循环及再利用、受损细胞器的清除,在维护细胞内环境稳态方面起重要作用,并且是完整细胞器和大分子蛋白降解的主要途径。自噬现象是一种高度保守的细胞行为,几乎存在于所有的物种,与细胞的生长、增殖以及肿瘤的发生过程关系密切[1]。
1 BECN1概述
Beclin1基因也称BECN1基因,是酵母自噬基因ATG6的同系物,也是哺乳动物参与自噬的特异性基因。BECN1是目前唯一被证实的哺乳动物“自噬基因”,是自噬的直接执行者。1998年 Liang等[2]在研究致死性辛德毕斯病毒性脑炎的大鼠时发现一种分子量为60 kD的蛋白质,并将该蛋白质及编码它的基因命名为Beclin,即BECN1蛋白和BECN1基因。该基因位于人染色体17q21,具有12个外显子,长度为62到794 bp,其cDNA含有2098 bp的转录序列,该序列包括120 bp的5’非编码区、1353 bp的编码区、625 bp的3’非编码区,编码进化保守的60 kD卷曲螺旋结构,属肌动蛋白类Bcl-2相关蛋白,广泛表达于人类正常组织。
BECN1是形成自噬体的一个必需分子,它能够介导其它自噬蛋白定位于吞噬泡,以此来调控哺乳动物自噬体的形成与成熟。BECN1不仅参与自噬体的形成,还可通过调节自噬活性对肿瘤发生、发展起着重要作用。
2 BECN1结构域与相互作用分子
2.1 BECN1结构域
BECN1蛋白有3个结构域,BH3区、中央卷曲螺旋区(CCD区)以及进化保守区(ECD区)。ECD区是BECN1与PI3KIII/Vps34结合的位点,是自噬以及肿瘤抑制的功能区域[3]。BH3区是Bcl-2蛋白家族的一部分,同时,BH3区域是BECN1与Bcl-2及 Bcl-XL 等相互作用的位点[4,5],是凋亡前的感受器,在促进细胞凋亡,对抗癌症方面起重要作用[6]。CCD区是BECN1与UVRAG发生结合的区域[7],通过促进BECN1-Vps34-Vps15核心复合体的形成,诱导自噬。
在自噬的引发阶段,PI3KIII/Vps34结合到BECN1的进化保守区(ECD)来增强自噬。缺失ECD区的Beclin 1突变体不能增强自噬,同时也失去了抑制肿瘤的作用,这更进一步的说明了BECN1的促进自噬和抑制肿瘤的功能是相互关联的。
2.2 BECN1的相互作用分子
BECN1有许多的结合蛋白,BECN1复合物的蛋白之间的组合可以决定它的功能。同时,BECN1含量的变化能引起其复合物的不稳定,从而在不同水平上调控自噬。
2.2.1 结合蛋白UVRAG:UVRAG是抗紫外线相关基因,是酵母Vps38基因在人类的同源基因,在人类染色体上,UVRAG基因在乳腺癌中经常会发生突变,表明UVRAG是一个抑癌分子。UVRAG可直接与BECN1结合形成复合体,通过激活BECN1及其下游信号发挥肿瘤抑制作用,也可参与调节BECN1与Vps34复合体的形成[8]。另有实验证实,Bif-1通过UVRAG影响BECN1,从而起到对PI3KIII的正向调节作用[7]。
2.2.2 结合蛋白Rubicon:Rubicon通过抑制自噬溶酶体的成熟来负向调控自噬,过表达Rubicon,能明显损坏带有LC3的空泡的酸化,而这一步在自噬体的降解中非常重要。当BECN1表达缺失时,Rubicon通过降低Vps34/PI3KⅢ活性,负向调控自噬。另外,瞬时转染Rubicon-EGFP,饥饿细胞可以增强Vps34-BECN1复合体与 Rubicon-EGFP的结合。BECN1-Rubicon复合体可能通过减轻Rubicon对Vps34/PI3KⅢ的抑制而在启动自噬时发挥重要的作用[9]。
2.2.3 结合蛋白Atg14L:哺乳动物中Atg14L是酵母Atg14的同系物,而在酵母中存在的 Atg14与Atg6在自噬中的相互作用也存在于哺乳动物的Atg14L与BECN1之中。当Atg14L与BECN1单独表达时,两者均弥散分布;但共同表达时,两者完全定位在双层膜结构上。当BECN1受到RNA干扰表达降低时,Atg14L表达降低。说明 BECN1能使Atg14L蛋白表达稳定,并能防止它的降解。人类Atg14L蛋白位于自噬溶酶体膜上,是BECN1正向调节Vps34/PI3KⅢ的活性的所需分子,而Atg14与BECN1的相互作用也能够诱导自噬体双膜结构的形成[9]。
2.2.4 结合蛋白 Ambra1:Ambral是 Fimia等[10]在2007年发现的一种蛋白,该蛋白在它的氨基末端有一个WD40区域,调节自噬并在胚胎发生过程中扮演着重要的角色。通过酵母双杂交技术和免疫沉淀技术证明Ambral与BECN1存在相互作用,并进行了体外过表达实验和RNA干扰实验证明其正面调节依赖BECN1的自噬。当Ambral表达减少时,能降低BECN1与Vps30结合的能力,并能降低在自噬减低的细胞里的Vps30的活性。而这些发现表明,Ambral通过调节BECN1与Vps30功能上的结合来调节依赖BECN1的自噬。同时,在小鼠胚胎内Ambral的功能性缺失能导致与自噬减弱,泛素化蛋白积累等相关的神经管缺陷。
2.2.5 结合蛋白Vps34:Vps34与BECN1形成Vps34-BECN1复合体,该复合体可使磷脂酰肌醇磷酸化,产生三磷酸磷脂酰肌醇,引导自噬相关蛋白的定位[11]。Cdk1和Cdk5可使Vps34磷酸化从而降低其活性,使三磷酸磷脂酰肌醇生成受阻,影响自噬空泡的形成[12]。
BECN1还可通过与其他辅助因子(Bif-1,nPIST,VMP1,SLAM,PINK,survivin)相互作用来调节Vps34蛋白并且促进BECN1-Vps34-Vps15核心复合体的形成,来诱导自噬。
2.2.6 Bcl-2家族:Bcl-2家族成员是细胞凋亡的关键调节因子,含有 4 个(BH1、BH2、BH3、BH4)高度保守的同源结构域,其中BH3区域是关系细胞凋亡的关键结构域[13]。Bcl-2/Bcl-xL通过BH3区域与BECN1结合抑制依赖BECN1的自噬,通过一定手段抑制Bcl-2/Bcl-xL与BECN1的结合,诱导自噬。研究发现,死亡相关蛋白激酶(DAPK)[14]可以使BECN1的BH3区域的第119位苏氨酸发生磷酸化,促进BECN1与Bcl-2/Bcl-xL的分离,从而诱导自噬;JNK介导的Bcl-2非结构性环(non-structured loop)的磷酸化[15],使 Bcl-2/Bcl-xL 与 BECN1 发生分离,启动自噬;HMGB1通过细胞外调节蛋白激酶(ERK)介导Bcl-2发生磷酸化,促使Bcl-2与BECN1分离,从而启动自噬[16]。
3 BECN1与肿瘤发生发展的关系
大量研究表明BECN1不仅参与自噬体的形成,还可通过调节自噬活性对肿瘤发生、发展起着重要作用。在人类多种肿瘤细胞中可见BECN1的下调,而过表达BECN1则可以抑制肿瘤。据报道75%卵巢癌、50%乳腺癌以及40%前列腺癌中存在BECN1基因的缺失性突变[17]。
3.1 肺癌
通过对人非小细胞肺癌组织、癌旁组织和正常肺组织BECN1表达水平的检测,发现肺癌组织中BECN1的mRNA和蛋白表达与癌旁组织和正常肺组织中BECN1的mRNA和蛋白表达均存在显著差异,自噬基因BECN1在肺癌组织中表达下调,这可能与肺癌的发生、发展相关[18]。
Liu等[19]在对非小细胞肺癌组织、癌旁正常组织BECN1表达水平的检测中,也证实了上述结论,肺癌组织中BECN1的mRNA和蛋白表达明显低于癌旁正常组织。并发现BECN1的表达量随肺癌患者临床分期和病理分级的增加,BECN1表达水平逐渐降低。结果提示:自噬相关蛋白BECN1的下调能导致自噬、凋亡的缺陷,细胞恶性度增加,促进肿瘤的发生和进展,在肺癌组织中的表达减低可作为早期临床诊断参考指标,自噬的调控可抑制肿瘤的发生。
3.2 胃癌、结肠癌
通过与胃癌,直结肠癌的肿瘤组织毗邻的正常组织相比,发现在胃癌中BECN1的mRNA表达水平明显下降。对BECN1基因5’区域进一步的研究发现:在BECN1基因的启动子和第2内含子区域内均发现了大的密集度很高的CpG岛,同时发现了甲基化;在胃癌组织中还发现了杂合性缺失。这些发现说明在胃癌和直结肠癌中DNA的甲基化和杂合性缺失与BECN1的表达下降有关[20]。
有报道指出在胃癌中BECN1基因突变[21]和BECN1表达缺失都是不必须的。Kim[22]等发现在胃癌中UVRAG失活的突变体,结合已知的机制,推测在胃癌中,微卫星不稳定性(MSI)导致的UVRAG突变体使自噬发生了改变,也为胃癌的发病机制提供了一种潜在的研究方向。
在人类结肠癌中,UVRAG作为一个候选的抑癌基因出现很高频率的单基因突变,UVRAG与BECN1-Bcl-2-PI3KIII相互作用调节自噬。UVRAG激活BECN1-PI3KIII复合体来促进自噬,同时抑制结肠癌细胞的增殖和肿瘤发生[23]。
3.3 乳腺癌
在对乳腺癌组织和癌旁正常组织BECN1的mRNA表达水平的检测发现,乳腺癌组织BECN1的mRNA表达水平下调,且蛋白表达水平也出现下调。在部分BECN1表达降低的乳腺癌组织中,还可检测到BECN1基因的杂合性缺失,而相关功能启动子的异常甲基化,则可进一步抑制 BECN1的转录和表达[24]。
Liang等[25]将 BECN1稳定转染乳腺癌 MCF-7细胞株后,发现自噬空泡的数量增加,癌细胞体外增殖能力及恶性表型下降,并且在裸鼠中肿瘤形成能力降低。BECN1这种促进自噬的作用与肿瘤抑制基因功能有关[25,26]。
3.4 宫颈癌
在对子宫癌病例的研究中发现,子宫颈癌组织中BECN1蛋白表达水平低于正常组织,与骨盆淋巴结的转移及组织学肿瘤所处的等级有一定关系[27]。
在子宫颈癌CaSki细胞稳定表达细胞株BECN1过表达[28],可以导致VEGF和MMP-9表达下降,该细胞在细胞周期G0/G1停止,细胞增殖、细胞侵袭和转移明显受到抑制。同样,利用宫颈癌HeLa细胞进行自噬基因BECN1研究中也表明,自噬基因BECN1能抑制宫颈癌Hela细胞的生长,降低致瘤活性,抑制肿瘤细胞的恶性增殖,部分逆转其自噬和凋亡的发生,抑制肿瘤生长;同时采用皮下接种的方法将 pcDNA3.1(+)-BECN1、pcDNA3.1(+)和空白对照组细胞接种于裸鼠皮下,能明显抑制HeLa细胞在裸鼠体内生长,致瘤性降低[29]。
3.5 肝癌
肝细胞癌攻击性强而且很难预测,Ding等[30]研究发现,相比肝细胞癌旁正常组织,肝细胞癌组织自噬基因BECN1蛋白水平和mRNA水平表达降低,相应自噬活性降低,相比正常组织,肝细胞癌组织BECN1蛋白水平和mRNA水平也发生了降低。
3.6 其他
BECN1等位基因敲除的小鼠增加了自发性肿瘤形成的几率,加速了乙型肝炎病毒(HBV)诱导的瘤形成,增强细胞增殖,减少自噬。应用BECN1基因敲除小鼠的胚胎干细胞,发现BECN1-/-小鼠死于胚胎早期,BECN1+/-小鼠虽然表型正常,但体内细胞自噬活性降低,而且自发肿瘤发生率高[31]。
4 BECN1诱导细胞凋亡
BECN1蛋白具有BH3区,BH3区是Bcl-2蛋白家族的一部分,是凋亡前的感受器,在促进细胞凋亡中起着重要作用。BH3区可以与Bcl-2蛋白家族抗凋亡成员 Bcl-2、Bcl-xl、Bcl-w结合,却不与 Bcl-2蛋白家族的促凋亡蛋白Bax、Bak等结合,以此发挥促凋亡作用。但是研究也发现其促凋亡作用不是凋亡过程所必需的[32,33]。
细胞自噬和细胞凋亡之间存在着复杂的相互作用,同时,它们之间也存在着负调控机制。BECN1参与自噬体形成的开始阶段和闭合阶段,Atg5参与自噬体的延伸。这些蛋白的自噬功能被凋亡信号负性调节。BECN1能被caspase类蛋白裂解,Atg能被calpain-1和calpain-2裂解。这些裂解不仅能抑制自噬,而且能增强凋亡。被裂解的BECN1的C端产物(CT)和Atg的N端产物(NT)定位于线粒体,它们可直接导致释放细胞色素C。而BECN1和Atg5通过调节caspase-8的降解制止这个过程[34]。
5 BECN1在肿瘤治疗中的进展
硝苯地平为一种钙离子阻断剂,最近的研究表明细胞溶质里的Ca2+浓度的增加能够诱导自噬。有报道指出,硝苯地平能显著地抑制子宫内膜癌细胞Hec-1A在体外的增殖和迁移,并能诱导自噬。硝苯地平诱导的自噬与BECN1和mTOR途径有关[35]。这种以自噬为靶点的治疗可能会成为治疗子宫内膜癌一种新的方法。
Yang等[36]在子宫颈癌CaSki细胞系中过表达BECN1基因,进行BECN1引起的自噬在调节抗肿瘤药物化学敏感性作用的研究。体外研究表明,在子宫颈癌CaSki细胞系中,BECN1和抗肿瘤药物结合使用要比抗肿瘤药物单独使用治疗效果要好的多。自噬途径的调节可能成为在子宫颈癌抗肿瘤药物治疗的一种新的途径,而BECN1在肿瘤细胞的抗化学敏感性的机制方面的研究也存在着很大的潜力。
BECN1诱导的自噬能消除肿瘤细胞的辐射抵抗力,抑制肿瘤细胞的生长与血管发生[37]。同时,抑制BECN1可以增强肿瘤细胞的辐射敏感性,在放射治疗中,短时间的自噬抑制对抗放射治疗肿瘤细胞的细胞毒性的增强是有利的[38]。
K-rasLA1肺癌模型小鼠分别使用放射治疗或使用携带BECN1基因的质粒以气溶胶形式吸入治疗后在一定程度上肿瘤均有所减少,然而放射治疗和BECN1吸入治疗同时使用时肿瘤有明显的减少。这项研究表明放射治疗和BECN1吸入治疗结合使用通过延长自噬活性控制自噬性细胞死亡进而协同发挥抗肿瘤作用。这些结果表明放射治疗结合基因治疗可能会成为临床上一个很好的治疗策略[39]。
他莫昔芬作为抗肿瘤药物在预防和治疗乳腺癌被广泛的使用,而有报道指出他莫昔芬能够诱导BECN1的表达及自噬的发生[40]。这一结果间接证明BECN1在肿瘤预防和治疗方面有着重要作用。
6 BECN1的研究展望
虽然关于BECN1调控的自噬已经进行了大量研究,但仍有许多问题尚待解决。BECN1调控自噬的详细过程,BECN1与凋亡通路相关基因的关系,以及BECN1在肿瘤中的具体调节机制以及信号转导通路等一系列问题都还没有明确答案,而种种问题也为BECN1的进一步研究提供了方向。
在临床治疗方面,关于BECN1在肿瘤细胞的抗化学敏感性、抗辐射、BECN1与放射治疗的协同作用及协同其他药物抗肿瘤方面的研究发现,均表明BECN1作为自噬的一个治疗靶点在肿瘤预防及临床治疗方面将成为一个很有前景的新领域。
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