钙蛋白酶小亚基1与肿瘤发生发展的关系研究进展

庄乾锋，许贤林，何小舟

(苏州大学第三附属医院，江苏常州213003)

钙蛋白酶(calpains)是一种胞内半胱氨酸蛋白酶，主要由胞内Ca2+浓度的升高所激活。近年研究发现calpains与肿瘤细胞凋亡有关，活化后的calpains可通过剪切有关凋亡分子蛋白如Bcl-2、Bax、Bid和 p53等，以及直接剪切并活化 caspase-3、caspase-7等方式，从而参与调控肿瘤细胞凋亡的病理过程。calpains是由大小2个亚基共同构成，28道尔顿的钙蛋白酶小亚基1(calpain-s1，capn4)是其调节性小亚基，与80道尔顿的大亚基以异二构体的形式存在。capn4与肿瘤的关系日益受到重视［1～3］。现将近年来有关capn4与肿瘤发生发展的关系做一综述。

1 calpains的作用

calpains广泛参与多种多种生物学功能［4］，包括细胞质膜融和细胞运动过程中的细胞质膜骨架重塑，细胞信号转导过程中信号分子的蛋白水解修饰，控制细胞周期的各种酶类的降解，基因表达的调节以及细胞凋亡信号通路中底物的降解等［5，6］。最近，多证据表明，蛋白酶可以切割整合黏着斑和细胞骨架蛋白，切断这些分子之间的相互作用，损失部分细胞膜的肌动蛋白丝网络，并增加细胞伸展和移动的速率。研究［7］表明，calpains活性是细胞的完整转化及由癌基因 v-Src、v-Jun、v-Myc、k-Ras和 v-Fos引起的肿瘤侵袭所必须的。此外，还有研究［8，9］表明，calpains通过水解特异性底物激活细胞黏附整合信号和黏合剂结构重塑影响肿瘤的进展。

2 capn4的作用

capn4作为calpains的一个调节亚基，在维持calpains的活性及稳定性中起着重要的作用，这在细胞水平和动物水平均已得到验证。以基因敲除小鼠为模型的研究证实，capn4的缺失会导致小鼠在胚胎期死亡，其主要原因可能与血管生成障碍有关。Dourdin等发现，capn4的缺失可使细胞中心张力丝缺失，影响细胞骨架的形成，继而降低细胞的迁移能力。Tan等［10］发现，capn4的缺失可增强肿瘤坏死因子α(TNF-α)对细胞凋亡的诱导作用，提示capn4在细胞凋亡过程中发挥着调节作用，可能能够增强细胞的抗凋亡能力。而 Undyala等［11］发现，capn4的缺失亦可导致细胞动力形成减弱和细胞与基质黏附减弱，继而降低细胞的迁移能力。研究［12］还表明，capn4与aPIX交互作用来调节整合素介导的细胞迁移。此外，capn4具有通过降解位于细胞边缘附着位点的黏着斑促进细胞扩散和运动作用［13］。肿瘤转移复发是导致患者死亡的主要原因，研究［14］表明capn4在转移的肿瘤组织中表达很高，体外研究还发现capn4具有促进肿瘤细胞迁移的能力。因此，capn4可作为肿瘤诊断及治疗靶点的一个新的分子标记物。calpains异常活化被认为是肿瘤的一个显著特点，而capn4对calpains家族的调节起着举足轻重的作用，capn4在肿瘤进展中的作用具有重要的研究意义。

3 calpains和capn4的作用机制

calpains有抗凋亡作用，其抗凋亡机制还不甚清楚:calpains抑制剂可阻断TNF-α诱导的小鼠成纤维细胞核因子κB的生存通路;在中国仓鼠卵巢细胞的实验中，calpains可在TNF-α诱导的凋亡中发挥保护作用;剔除calpains的成纤维细胞中，神经酰氨诱导的核因子κB的促生存通路提示为calpains依赖性的［15］，calpains能够裂解并灭活 calpase-7、calpase-8、calpase-9，从而抑制细胞凋亡。因此，目前认为calpains在细胞凋亡中的作用与不同的细胞以及不同凋亡刺激因素有关［16，17］。

capn4作为calpains的一个调节亚基，也具有抗凋亡作用，同时在肿瘤细胞的增殖、浸润及分化中起重要作用。Ras在信号转导、细胞增殖、恶性转化、肿瘤侵袭转移等方面起重要作用，在真核细胞的生长过程中也起着重要的作用。研究［18］表明，capn4与RasGAP-SH3交互作用形成的capn4/RasGAPSH3对Ras致癌细胞的信号转导起重要作用。完全活化的Ras导致胞质内Raf与14-3-3蛋白解离，然后Raf被募集到细胞膜上与活化型Ras结合，并在338位丝氨酸和341位酪氨酸残基处发生磷酸化:①活化的Raf进一步磷酸化激活Mek，Mek磷酸化激活Erk，然后Erk磷酸化激活或失活多种靶蛋白。活化的Erk转入细胞核内并磷酸化转录因子c-Jun、c-Fos、c-Myc，使基因表达发生改变，从而导致肿瘤细胞增殖;诱导耐药基因mdr-1表达，这与肿瘤的耐药性密切相关。②Raf还可磷酸化失活IκB，导致NF-κB从胞质移入细胞核内，进而介导抗凋亡基因的转录。③活化的c-Raf与Bcl-2构成二聚体，此二聚体复合物转移到线粒体中，此时Raf通过磷酸化BAD使其从Bcl-2上解离，从而诱导Bcl-2抗凋亡功能的活化［19］。Ras/Raf/Mek/Erk持续激活，通过抑制细胞凋亡、促进细胞存活及促进耐药基因的表达，最终导致肿瘤细胞异常增殖及肿瘤形成。

4 capn4与肿瘤

4.1 capn4与肝癌 肝细胞癌(HCC)因其高发病率和高病死率而成为一个全球性的健康问题。据世界卫生组织2000年的统计数据，全球每年有至少564 000例新发病例。2006年的数据显示全球每年因HCC的死亡人数是662 000。特别是亚太地区，超过70%的新发病例都来自该地区。而中国更是以占有全世界55%以上的肝癌患者而成为HCC的重灾区。HCC的病因和发病机制尚未完全肯定，可能与多种因素的综合作用有关。研究表明，capn4作为NF-κB的下游靶蛋白，其表达调控通过NF-κB而间接受乙型肝炎病毒X蛋白(HBx)的影响，在肝癌细胞中，HBx诱导capn4的表达进而促进细胞伪足形成、细胞骨架重构和细胞动力形成等，从而增加癌细胞的侵袭与转移能力［20］。研究［21］发现，骨桥蛋白(OPN)可以通过NF-κB上调肝癌细胞HepG2中capn4的表达，进而促进肝癌细胞迁移。Thomas等［22］研究发现，乙肝病毒X蛋白突变体通过ERK上调capn4促进肝癌细胞迁移。ZHANG等研究发现在肝内胆管癌(ICC)中，capn4高表达，并通过上调MMP2的表达促进ICC细胞的侵润和转移，并且capn4的高表达与肿瘤的淋巴结转移、TNM分期相关。这些发现为临床上预防和治疗肝癌的转移提供了理论依据，使capn4成为了治疗的分子新靶点。

4.2 capn4与乳腺癌 17β-雌二醇(E2)参与女性生殖系统(如子宫和乳腺)的正常发育及生理功能调节。在病理情况下，E2可刺激激素依赖性肿瘤(如乳腺癌)细胞的增殖和浸润［23］，促进肿瘤的恶性演进。E2的生物学作用可通过其基因组信号通路介导。E2与细胞内雌激素受体(ER)形成二聚体，进入细胞核诱导靶细胞基因转录和蛋白质合成，最后引起增殖、分化和存活等细胞反应，此效应需数小时才能实现。此外，E2还可在数分钟内快速诱导细胞Ca2+动员及细胞外信号调节激酶1/2(ERK1/2)磷酸化激活等［24～27］，称为非基因组效应。Ca2+和ERK的下游重要信号分子是calpains。在细胞内普遍表达的calpains有CAPN1和CAPN2，它们是依赖钙激活的二聚体蛋白酶，有一个共同的小亚基capn4。已发现表皮生长因子(EGF)可通过快速活化ERK直接磷酸化激活CAPN。曹洋等研究发现，E2可通过快速激活ERK/CAPN通路刺激乳腺癌细胞周期进程和细胞增殖，由于乳腺癌组织和细胞的capn4表达水平显著高于正常乳腺组织和细胞，因此可能会导致乳腺癌细胞对E2刺激产生“超敏”反应，从而加速乳腺癌的恶性演进。张钊等研究发现，乙肝病毒X蛋白结合蛋白(HBXIP)能够通过capn4促进乳腺癌细胞的转移，其涉及的信号通路如下:HBXIP通过第5片段激活 p-ERK1/2，影响 NF-κB入核，调控capn4启动子，即通过HBXIP/p-ERK1/2/NF-κB/capn4通路，影响capn4的表达，影响伪足的伸展，促进乳腺癌细胞迁移。

capn4在肿瘤组织中高表达，这为肿瘤治疗提供了新的靶点。通过研究capn4在调节肿瘤细胞转移、浸润及凋亡过程中的作用以及机制，将有助于对细胞凋亡分子机制深入认识并为肿瘤的治疗提供新的思路。

［1］Goll DE，Thompson VF，Li H，et al.The calpain system ［J］.Physiol Rev，2003，83(3):731-801.

［2］Kent MP，Spencer MJ，Koohmaraie M.Postmortem proteolysis is reduced in transgenic mice overexpressing calpastatin［J］.J Anim Sci，2004，82(3):794-801.

［3］Letavernier E，Perez J，Bellocq A，et al.Targeting the calpain/calpastatin system as a new strategy to prevent cardiovascular remodeling in angiotensin Ⅱ-induced hypertension［J］.Circ Res，2008，102(6):720-728.

［4］Suzuki K，Hata S，Kawabata Y，et al.Structure，activation，and biology of calpain［J］.Diabetes，2004，53(Suppl 1):S12-18.

［5］ Dedieu S，Poussard S，Mazères G，et al.Myoblast migration is regulated by calpain through its involvement in cell attachment and cytoskeletal organization［J］.Exp Cell Res，2004，292(1):187-200.

［6］Yousefi S，Perozzo R，Schmid I，et al.Calpain-mediated cleavage of Atg5 switches autophagy to apoptosis［J］.Nat Cell Biol，2006，8(10):1124-1132.

［7］Carragher NO，Fonseca BD，Frame MC.Calpain activity is generally elevated during transformation but has oncogene-specific biological functions［J］.Neoplasia，2004，6(1):53-73.

［8］Wells A，Huttenlocher A，Lauffenburger DA.Calpain proteases in cell adhesion and motility［J］.Int Rev Cytol，2005，(245):1-16.

［9］Franco SJ，Rodgers MA，Perrin BJ，et al.Calpain-mediated proteolysis of talin regulates adhesion dynamics ［J］.Nat Cell Biol，2004，6(10):977-983.

［10］Tan Y，Wu C，De Veyra T，et al.Ubiquitous calpains promote both apoptosis and survival signals in response to different cell death stimuli［J］.J Biol Chem，2006，281(26):17689-17698.

［11］Undyala VV，Dembo M，Cembrola K，et al.The calpain small subunit regulates cell-substrate mechanical interactions during fibroblast migration ［J］.J Cell Sci，2008，121(Pt 21):3581-3588.

［12］Rosenberger G，Gal A，Kutsche K.AlphaPIX associates with calpain 4，the small subunit of calpain，and has a dual role in integrin-mediated cell spreading［J］.J Biol Chem，2005，280(8):6879-6889.

［13］Cuevas BD，Abell AN，Witowsky JA，et al.MEKK1 regulates calpain-dependent proteolysis of focal adhesion proteins for rear-end detachment of migrating fibroblasts［J］.EMBO J，2003，22(13):3346-3355.

［14］ Bai DS，Dai Z，Zhou J，et al.Capn4 overexpression underlies tumor invasion and metastasis after liver transplantation for hepatocellular carcinoma［J］.Hepatology，2009，49(2):460-470.

［15］Demarchi F，Bertoli C，Greer PA，et al.Ceramide triggers an NF-kappaB-dependent survival pathway through calpain［J］.Cell Death Differ，2005，12(5):512-522.

［16］ Pamonsinlapatham P，Gril B，Dufour S，et al.Capns1，a new binding partner of RasGAP-SH3 domain in K-Ras(V12)oncogenic cells:modulation of cell survival and migration ［J］.Cell Signal，2008，20(11):2119-2126.

［17］Caraglia M，Tassone P，Marra M，et al.Targeting Raf-kinase:molecular rationales and translational issues ［J］.Ann Oncol，2006，17(Suppl 7):vii124-127.

［18］Zhang F，Wang Q，Ye L，et al.Hepatitis B virus X protein upregulates expression of calpain small subunit 1 via nuclear factor-kappaB/p65 in hepatoma cells［J］.J Med Virol，2010，82(6):920-928.

［19］张烜，叶丽虹，张晓东.骨桥蛋白通过NF-κB上调钙蛋白酶小亚基1促进肝癌细胞迁移［J］.生物化学与生物物理进展，2010，37(5):534-539

［20］山长亮，张帅，张晓东，等.乙肝病毒X蛋白突变体(HBxΔ127)通过ERK上调钙蛋白酶小亚基1促进肝癌细胞迁移［J］.中国生物化学与分子生物学报，2011，27(5):426-430.

［21］Platet N，Cathiard AM，Gleizes M，et al.Estrogens and their receptors in breast cancer progression:a dual role in cancer proliferation and invasion［J］.Crit Rev Oncol Hematol，2004，51(1):55-67.

［22］Thomas W，Coen N，Faherty S，et al.Estrogen induces phospholipase A2 activation through ERK1/2 to mobilize intracellular calcium in MCF-7 cells［J］.Steroids，2006，71(3):256-265.

［23］Lim KT，Cosgrave N，Hill AD，et al.Nongenomic oestrogen signalling in oestrogen receptor negative breast cancer cells:a role for the angiotensin Ⅱ receptor AT1［J］.Breast Cancer Res，2006，8(3):R33.

［24］Zheng A，Kallio A，Härkönen P.Tamoxifen-induced rapid death of MCF-7 breast cancer cells is mediated via extracellularly signalregulated kinase signaling and can be abrogated by estrogen ［J］.Endocrinology，2007，148(6):2764-2777.

［25］Walsh DE，Dockery P，Doolan CM.Estrogen receptor independent rapid non-genomic effects of environmental estrogens on［Ca2+］i in human breast cancer cells［J］.Mol Cell Endocrinol，2005，230(1-2):23-30.

［26］Visram H，Greer PA.17beta-estradiol and tamoxifen stimulate rapid and transient ERK activationin MCF-7 cells via distinct signaling mechanisms［J］.Cancer Biol Ther，2006，5(12):1677-1682.

［27］曹洋，王旭东，丁姗姗，等.细胞外信号调节蛋白激酶/钙激活中性蛋白酶快速通路参与介导17-β雌二醇诱导的人乳腺癌细胞增殖［J］.肿瘤，2011，31(2):126-130.