eIF4E生物学功能及其在肿瘤中作用研究进展

曲怡梅，李亮亮　综述，徐　宁　审校



eIF4E生物学功能及其在肿瘤中作用研究进展

曲怡梅1,2，李亮亮2综述，徐宁3审校

真核细胞翻译起始因子4E；生物学功能；肿瘤

随着分子生物学及肿瘤基因组学的研究进展，近年，针对肿瘤的分子靶向治疗进展迅速。肿瘤分子靶向治疗药众多，根据其作用机制可以分为两大类，一类是针对癌基因依赖靶点的靶向治疗[1]，这类药物以引起肿瘤的驱动基因为靶点。另一类针对非癌基因依赖靶点的靶向治疗[2]，这类药物的靶点蛋白在正常细胞中也存在，只是肿瘤细胞为了快速生长增殖对这类蛋白质需求量远大于正常细胞，例如针对分子伴侣热休克蛋白的靶向治疗。肿瘤细胞的生长增值需要大量的蛋白质，研究表明真核生物蛋白质调控相关蛋白异常与肿瘤发生发展有关，因此针对蛋白质翻译调控靶点成为非癌基因依赖靶向治疗的研究热点。而真核细胞蛋白质翻译调控的限速步骤主要在翻译起始阶段，而真核细胞翻译起始因子4E(eukaryotic traslation initiation factor 4E， eIF4E)作为翻译起始阶段的重要调控因子在多种肿瘤中表达异常。本文就eIF4E在肿瘤中的作用及以其作为靶点的分子靶向治疗研究现状给予综述。

1　eIF4E的结构、功能及其功能调控因素

1.1eIF4E的分子结构eIF4E是蛋白质翻译起始阶段真核生物蛋白质起始因子复合物4(eukaryotic traslation initiation factor 4 ，eIF4F)的重要组成因子之一。人体eIF4E基因位于染色体4q21-25。eIF4E是一种25 KD的多肽，为进化保守的蛋白。该蛋白质三维构象显示由2条8个色氨酸组形成的疏水口袋，可以和mRNA帽式结构结合形成三明治夹心结构。背部的疏水区域与真核细胞翻译起始因子G(eukaryotic traslation initiation factor 4G ，eIF4G)结合。在哺乳动物中eIF4E存在3种同源异构体，分别是eIF4E1(eIF4E)、eIF4E2(4EHP)和eIF4E3。其中eIF4E2不能与eIF4G结合，而eIF4E3不能与eIF4E结合蛋白(eIF4E-binding protein 4EBP)结合[3]，这些功能区别提示它们在翻译起始调控中起着不同的作用。

1.2eIF4E的生物学功能eIF4E广泛分布在真核细胞内，在细胞胞浆内弥散分布，分布在细胞核内的参与mRNA从细胞核向细胞浆转运的过程。

大部分真核生物mRNA通过帽依赖方式进行翻译。eIF4E是真核生物帽依赖mRNA翻译起始蛋白复合物eIF4F的重要组成部分，在翻译起始阶段eIF4E与mRNA5’m7GpppN帽式结构结合，而后与骨架蛋白eIF4G结合，eIF4G与eIF4A结合形成eIF4F复合物，再通过与真核细胞翻译起始因子3(eukaryotic traslation initiation factor 3 eIF3)的相互作用招募40S核糖体复合物将mRNA与40S核糖体复合物连接在一起形成48S复合物，从而启动蛋白质翻译阶段[4]。在这个过程中eIF4E与mRNA5’m7GpppN帽式结构结合是最关键的限速步骤[5]。

mRNA翻译过程是细胞内最耗费能量的生物过程，同时mRNA翻译过程参与基因表达的调控，近期研究表明mRNA翻译过程的调控是哺乳动物蛋白组学调控的最关键步骤[6]。在启动翻译的能力方面mRNA是分等级的[7]。不同的mRNA启动翻译的能力能够相差100倍，由于翻译起始蛋白质复合物及细胞能量有限，不同mRNA竞争性与翻译因子结合从而启动翻译。启动翻译能力强的为“Strong RNA”, 启动翻译能力弱的为“Weak RNA”。 Strong RNA的5’帽结构一般比较短且二级结构比较简单，易于和eIF4E结合启动翻译。Strong RNA多编码管家基因蛋白质。Weak RNA的5’帽结构比较长、富含G+C且二级结构比较复杂[8]，不易与和eIF4E结合启动翻译。Weak RNA多编码与细胞生长增殖，血管生成相关的蛋白质，这类蛋白质也主要和细胞的恶性转化相关。在细胞静息情况下，游离eIF4E较少，因此主要是Strong RNA编码的管家基因启动翻译，而Weak RNA编码的与细胞生长增殖相关的基因较少被翻译，但是当细胞生长时及细胞进行恶性转变时，游离eIF4E明显增多，Strong RNA编码的管家基因翻译量没有明显变化，而Weak RNA编码的基因则大量被翻译。因此Strong RNA编码的基因则为eIF4E不敏感基因,主要是管家基因，如β-actin。Weak RNA编码的基因也被称之为eIF4E敏感基因[9]，多编码与细胞生长增殖，血管生成相关的蛋白质，这类蛋白质也主要和细胞的恶性转化相关,如cyclins,c-myc,VEGF。因此在细胞内游离eIF4E明显增多时，只会明显增加eIF4E敏感基因的翻译，并不是细胞整体蛋白质翻译增多。

分布在细胞浆内的eIF4E主要参与mRNA翻译，而细胞核内的eIF4E则参与mRNA的转运过程。部分mRNA的3’UTR中具有大约50个核苷酸单元的结构，称为eIF4E敏感单元(eIF4E sensitivity element 4E-SE)， eIF4E在细胞核内通过与4E-SE结构的结合将这部分mRNA转运至细胞浆，依赖eIF4E进行的mRNA转运机制不同于通常mRNA的转运通路，通常mRNA的转运依赖RNPs与TAP1核受体结合进行转运，而依赖eIF4E的mRNA转运通过CRM-1Ran转运通路[10]。因此eIF4E在细胞核内仅转运具有eIF4E敏感单元(4E-SE)的mRNA，而这部分mRNA也就是在细胞浆内eIF4E敏感mRNA。通过eIF4E的转运作用提高细胞浆内eIF4E敏感mRNA的浓度。研究表明eIF4E表达增多时可以改变核孔的组成增强eIF4E敏感mRNA的转运[11]。

1.3eIF4E的表达调控及功能调控

1.3.1eIF4E基因表达的调控eIF4E在基因水平的调控主要有三方面机制：基因拷贝数增加，基因转录异常调节，转录后eIF4EmRNA的稳定性，这三面可以同时发生，并不互相排斥。研究发现在一些头颈部肿瘤中eIF4E基因拷贝数增加。eIF4E基因启动子中包含有TATAbox序列，是c-Myc的作用靶点。受c-Myc调控转录。而同时c-Myc mRNA又是eIF4E敏感mRNA，形成了一个正反馈环路[13]。HuR同AUF1竞争结合eIF4E mRNA3’UTR中的富含AU序列，从而提高eIF4E mRNA的稳定性[14]。eIF4E因子含有泛素作用位点，可以通过泛素化过程降解[15]。

1.3.2eIF4E磷酸化的调控人体eIF4E的S209位点可以被MAPK通路中的Mnk1/Mnk2磷酸化。Mnk1/Mnk2需要在满足Mnk1/Mnk2与eIF4G的C端结合同时eIF4E与eIF4G的N端结合的条件下才能进行磷酸化反应[16]。

eIF4E的S209位点磷酸化后对eIF4E功能的影响目前有争议。文献[17]报道，磷酸化eIF4E减少总体蛋白质的翻译量，近期文献报道磷酸化eIF4E可以选择性增加一部分蛋白质的翻译量，其中包括Mc1[18]。实验研究提示eIF4E非磷酸化突变体与野生型对比丧失了向肿瘤细胞转变的潜能。进一步的实验研究证实敲入eIF4E非磷酸化突变体的小鼠与敲除Mnk1/Mnk2小鼠类似均不能显示恶性转化表型，从这种小鼠体内分离出来的胚胎成纤维细胞在受到RAS等癌基因刺激时不易向恶性转化癌组织内磷酸化eIF4E水平与前列腺癌Gleason评分正相关，磷酸化eIF4E可以增强一组mRNA的翻译，这组mRNA与肿瘤进展有关，分别是炎性反应分子Cc1和Cc7以及基质蛋白酶MMP3和MMP9[18]。因此，eIF4E磷酸化可能会促进肿瘤炎性分子和肿瘤转移相关蛋白质的翻译，从而促进肿瘤进展和转移。

eIF4E磷酸化受到MAPK通路中的Mnk1/Mnk2的调控，从而是MAPK通路的下游分子，另一方面由于Mnk1/Mnk2需要在满足Mnk1/Mnk2与eIF4G的C端结合同时eIF4E与eIF4G的N端结合的条件下才能进行磷酸化反应。因此，同时受到Mnk1/Mnk2与eIF4G是否结合的调控，蛋白激酶α(PKCα)通过促进Mnk1/Mnk2与eIF4G的结合促进eIF4E磷酸化[19]，而PAK2则通过抑制Mnk1/Mnk2与eIF4G的结合抑制eIF4E磷酸化[20]。4EBP则通过抑制eIF4E与eIF4G的N端结合抑制eIF4E磷酸化。

1.3.3eIF4E功能调控因子eIF4E调控因子调控机制复杂，所有eIF4E调控因子均与eIF4E背部疏水区结合，这个区域距帽式结构结合区约35个氨基酸，调控因子与eIF4E结合后可引起变构效应或者阻止eIF4E与其他蛋白质的结合(如eIF4G)。目前研究表明eIF4E调控因子可分为三类：具有与eIF4E结合的共有序列(YXXXXLΦ)，具有锌指结构的调控因子，不含有上述两种序列的植物病毒。

第一类调控因子具有与eIF4E结合的共有序列(YXXXXLΦ)，其中X可以是任何氨基酸残基，而Φ则是任何疏水氨基酸残基，这个序列在结构上形成螺旋式反L形和eIF4E疏水区结合。第一类调控因子包括4EBP，HoxA9、Hex/PRH等[21]。4EBP是目前研究最多的eIF4E调控因子，4EBP通过共有序列竞争性抑制eIF4G与 eIF4E结合，从而不仅抑制eIF4E与eIF4G结合还封闭与eIF4E结合的mRNA，最终抑制由eIF4E介导的帽依赖翻译过程[22]。4EBP广泛分布在胞核和胞浆中，具有抑制eIF4E介导的mRNA转运和抑制eIF4E介导的帽依赖翻译过程的作用。4EBP可被PI3K-AKT-mTOR信号传导系统下游的mTOR分子磷酸化，磷酸化的4EBP无法与eIF4E结合，从而失去对eIF4E的抑制。研究报道HoxA9促进eIF4E介导的mRNA转运和翻译。Hex/PRH只分布于细胞核内，抑制eIF4E介导的mRNA转运[23]。第二类调节因子具有锌指结构并通过锌指结构与eIF4E疏水区结合，调节因子与eIF4E结合后可通过变构效应引起eIF4E帽结合区空间结构改变，从而调节eIF4E与mRNA的结合能力。一些研究报道PML通过通过锌指结构与eIF4E结合，使得eIF4E与mRNA的结合能力下降100倍，从而抑制eIF4E与mRNA的结合，由于PML分布在细胞核中，因此抑制eIF4E介导的mRNA转运。第三类调节因子是与eIF4E结合的植物病毒。综上所述，eIF4E调控非常复杂，是多条信号通路的下游分子。

2　eIF4E在肿瘤中的作用

在多种肿瘤中均可检测到eIF4E表达量上调或功能异常，在乳腺癌癌组织eIF4E表达量较正常乳腺及良性肿瘤明显增高[24]，在肺癌、头颈部肿瘤、膀胱癌中癌组织的eIF4E表达量较正常组织明显增高。同时也发现在多种肿瘤细胞系中eIF4E表达量较正常细胞增高，进一步研究表明在永生细胞系CREF或MM3MG中导入外源性eIF4E可诱发细胞恶性转化，在人乳腺癌及头颈部肿瘤细胞系中加入反义核酸抑制eIF4E表达可抑制肿瘤形成。上述研究提示eIF4E是促进细胞肿瘤转化的重要因子。

eIF4E表达增多或游离eIF4E增多时可以增加eIF4E敏感mRNA的翻译表达，部分敏感mRNA与细胞增殖分裂及恶性转化有关，如C-myc是转录因子，Cyclin-D促使细胞从G1期进入S期。部分敏感mRNA表达蛋白则与新生血管形成有关，如FGF-2和VEGF，可促进血管内皮细胞增殖。另一部分敏感mRNA表达蛋白则为基质蛋白降解酶，如MMP-9和肝素酶，它们可促进肿瘤周围基质细胞层的重建，与肿瘤转移相关。

在肿瘤治疗过程中，肿瘤细胞的耐药问题始终是肿瘤治疗的难点。研究表明eIF4E过度表达可引起放疗抵抗及化疗药物耐药，eIF4E过度表达可以上调TLK1B蛋白的表达水平，TLK1B蛋白可以通过磷酸化组蛋白H3改变染色体结构从使细胞可以耐受放射线损伤出现放疗抵抗。同时也能使细胞耐受阿霉素引起的损伤，导致细胞对阿霉素耐药[25]。由于eIF4E是多条信号通路的下游分子，实验研究表明eIF4E过度表达可引起肿瘤细胞也与部分肿瘤细胞靶向药物耐药有关，研究表明eIF4E过度表达与黑色素瘤细胞对抗BRAF靶向药物耐药相关[26]，eIF4E过度表达可能与乳腺癌细胞抗EGFR单抗耐药相关[27]，eIF4E过度表达与肺癌细胞对厄罗替尼耐药相关[28]。

3　靶向eIF4E的治疗

由于eIF4E在肿瘤发生发展中起重要作用， eIF4E是抗肿瘤靶向治疗的重要靶点之一。

目前针对eIF4E靶点的治疗按作用机制主要分为四类，1.抑制eIF4E的表达，2.抑制eIF4E磷酸化，3.抑制eIF4E与eIF4G的结合，4.抑制eIF4E与5’帽式mRNA的结合。

Nahum Soneberg实验室在1990年发表了第一篇关于eIF4E在肿瘤中的作用的研究报道，后续30年来人们开展了许多关于eIF4E功能调控的实验研究，并设计了多种针对eIF4E靶点的靶向治疗化合物。这些所有研究都提示eIF4E是转录后基因调控的关键节点，eIF4E是重要的抗肿瘤靶向药物靶点，但目前针对eIF4E的靶向药物仍处于研究前期，仍需要进一步深入研究eIF4E启动翻译起始的机制，并研究不同类型肿瘤中eIF4E的不同作用机制，针对不同机制设计更具有针对性的靶向药物，从而对患者进行更精准的靶向治疗。

[1]Weinstein I B,Joe A.Oncogene addiction [J].Cancer Res,2008,68(9):3077-3080.

[2]Solimini N L,Luo J,Elledge S J.Nononcogene addiction and the stress phenotype of cancer cells [J].Cell,2007,130(6):986-988.

[3]Joshi B,Cameron A,Jagus R.Characterization of mammalian eIF4E-family members[J].Eur J Biochem,2004,271(11):2189-2203.

[4]Jackson R J,Hellen C.U,Pestova T V.The mechanism of eukaryotic translation initiation and principles of its regulation[J].Nat Rev Mol Cell Biol,2010,11(2):113-127.

[5]Sonenberg N, Hinnebusch A G..Regulation of translation initiation in eukaryotes:mechanisms and biological targets[J].Cell,2009,136(4):731-745.

[6]Schwanhausser B,Baunse D,Li N,etal.Global quatification of mammalian gene expression control [J].Nature,2011,473(7347):337-342.

[7]Bergman J E,Lodish H F,A kinetic model of protein synthesis.Application to hemoglobin synthesis and translation control[J].J Biol Chem,1979,254(23):11927-11937.

[8]Parsyan A,Svitkin Y,Shahbazian D,etal. Mrna helicases:The tacticians of translation control[J].Nat Rev Mol Cell Biol,2011,12(4):235-245

[9]Graff J R,Konicek B W,Carter J H,etal.Targeting the eukaryotic traslation initiation factor 4E for cancer therapy[J].Cancer Res,2008,68(3):631-634.

[10]Topisirovic I,Siddiqiu N,Lapointe V L,etal.,Molecular dissection of the enkaryotic initiation factor 4E(eIF4E) export-competent RNP[J].EMBO J,2009,28(8):1087-1098.

[11]Culjkovic B,Baguet A,Voipon L,etal.The oncogene eIF4E reprograms the nuclear pore complext to promote mRNA export and oncogenic transformation[J].Cell Rep,2012,2(2):207-215.

[12]Keene J D.RNA regulons:coordination of post-transcriptional events[J].Nat Rev Genet,2007,8(7):533-543.

[13]Schmidt E V.The role of c-myc in regulation of translation initiation[J].Oncogene,2004,23(18):3217-3221.

[14]Topisirovic I,Siddiqiu N,Orolicki S,etal.Stablity of eukaryotic translation innitiation factor 4E mRNA is regulated by Hur,and this activity is dysregulated in cancer[J]. Mol Cell Biol,2009,29(5):1152-1162.

[15]Murata T,Shimotohno K.Ubiquitination and proteasome-dependent degration of human eukaryotic translation innitiation factor 4E[J].J Biol Chem,2006,281(30):20788-20800.

[16]Pyronnet S.Phosphorylation of the cap;binding protein eIF4E by the MAPK-activated protein kinase Mnk1[J].Biochem Pharmacol,2000,60(8):1237-1243.

[17]Wendel H G,Silva R L,Malina A,etal.Dissecting eIF4E action in tumorigenesis[J].Genes Dev,2007,21(24):3232-3237.

[18]Furic L,Rong L,Larsson O,etal. eIF4E phosphorylation promotes tumorigenesis and is associated with prostate cancer progression[J]. Proc Natl Acad Sci,2010, 107(32):14134-14139.

[19]Dobrikov M, Dobrikova E,Shveygert M,etal. Phosphorylation of eukaryotic translation innitiation factor 4G1(eIF4G1) by protein kinase C〔alpha〕regulates eIF4G1 binding to Mnk1[J].Mol Cell Biol,2011,31(14):2947-2959.

[20]Orton K C,Ling J,Waskiewicz A J,etal. Phosphorylation of Mnk1 by caspase-activated Pak2/gamma-PAK inhibits phosphorylation and interaction of eIF4G with Mnk[J].J Biol Chem, 2004,279(37):38649-38657.

[21]Kinkelin K,Veith K,Grunwald M,etal.Crystal structure of a minimal eIF4E -Cup complex reveals a general mechanism of regulaion in translational repression[J].RNA,2012,18(9):1624-1634.

[22]Tomoo K,Matsushita Y,Fujisaki H,etal.Structure basis for mRNA cap-binding regulation of eukaryotic innitiation factor 4E by 4E-binding protein ,studied by spectroscopic,X-ray crystal structural,and molecular dynamics simulation methods[J].Biochim Biophy Acta,2005,1753(2):191-208.

[23]Topisirovic I,Culjkovic B,Cohen N,etal.The proline-rich protein,PRH,is a tissue-specific inhibitor of eIF4E-dependent cyclin D1 mRNA transport and growth[J].EMBO J,2003,22(3):689-703.

[24]Petterson F,Yau C,Dobocan MC,etal.Ribavirian treatment effects on breast cancers oerexpressing eIF4E,a biomarker with prognostic specificity for luminal B-type breast cancer[J].Clin Cancer Res,2011,17(9)：2874-2884.

[25]Li Y,DcFatta R,Anthony C,etal.A translationally regulated Tousled kinase phosphorylates histone H3 and confers radioresistance when overexpressed[J].Oncogene,2001,20(6):726-738

[26]Lise B,Helene M M,Isabelle G,etal. eIF4E is a nexus of resistance to anti-BRAF and anti-MEK cancer therapies[J].Nature,2014,513(9):105-109.

[27]Pieere Z,Yann B,Ben A,etal.Formation of the eIF4F translation-initiation complex determines sensitivity to anticancer drugs targeting the EGFR and HER2 receptors[J].Cancer Res,2011,7(12):4068-4073.

[28]Yikun L,Songqing F,Junghui K,etal.Elevated expression of eukaryotic translation initiation factor 4E is associated with proliferation,invasion and acquired resistance to eelotinib in lung cancer[J].Cancer Biol Ther,2012,13(5):272-280.

(2015-11-11收稿2016-02-19修回)

(责任编辑郭青)

本课题受首都医学科学发展基金资助，课题编号 SF-2007-Ⅲ-15

曲怡梅，博士，副主任医师。

1.100039北京，解放军总医院肿瘤科；2.100091北京,解放军309医院肿瘤科；3.100026，北京医科院肿瘤医院

R968