PAK1基因在相关肿瘤中的作用研究进展

王艺萌，高佳，谷晓广，张春雷

p21活化激酶1（p21-activated kinases 1，PAK1）是丝氨酸/苏氨酸蛋白质磷酸化激酶家族的成员，是Rho家族小鸟苷三磷酸酶（guanosine triphosphatase，GTPase）细胞周期分裂控制蛋白42（cell division control protein 42，Cdc42）和 Ras相 关 的 C3肉毒素底物1（Ras-related C3 botulinum toxin substrate 1，Rac1）的下游效应分子[1]。PAKs家族成员均具有N端调节区域及C端高度保守的激酶结构[2]。N端调节区域通常包括GTPase结合域及脯氨酸富集区域，根据GTP酶结合域有无自抑制区域，将PAKs分为2组，第Ⅰ组包括PAK1、PAK2及PAK3；第Ⅱ组包括PAK4、PAK5及PAK6[1]。PAKs家族被认为在细胞增殖、细胞运动、细胞凋亡、细胞转化及肿瘤进展方面等多种生物学过程中起重要作用[3-5]。研究表明，PAK1是一个潜在的癌基因，它与多种人类恶性肿瘤形成、发展及侵袭等密切相关，包括乳腺癌，肺癌，淋巴瘤及黑素瘤等[1]。

1 PAK1的结构和功能

1.1 PAK1的结构

PAK1基因位于人类染色体11q13.5-q14.1，包含23个外显子，其中6个外显子位于5´-UTR，17个外显子编码PAK1蛋白。该基因在人类有20个转录本，大小为308 bp～3.7 kb，12个转录本含有开放性读码框，编码10个蛋白和2个小分子多肽；其余的8个转录本位于长链非编码RNA区域[2]。

PAK1的N端是调节序列，包含1个p21结合区域（p21-binding domain，PBD），1个自抑制性区域（auto inhibitory domain，AID），1个功能尚不清楚的富含酸性氨基酸的结构域[2,6]。作为小GTP酶下游效应分子，Cdc42和Rac1与PAK1结合的最小结构域是位于PBD内部的 CRIB（CDC42 and Rac interactive binding）结构域；AID结构域可以调控激酶的活性[2]。此外，PAK1的C端是一个催化结构域，含有1个可以与G蛋白β亚单位结合的区域，该区域与激酶区域之间还有一些脯氨酸富含区，使PAK1能够与其相互作用交换因子结合[7]。另外，PAK1结构域中还包含3个核定位信号（nuclear localization signals，NLS）和多个磷酸化位点，7个PAK1的自磷酸化位点分别是丝氨酸 21、57、144、149、199、204 及苏氨酸 423[6]。

1.2 PAK1的功能及相关信号通路

PAK1主要在脑、脾和肌肉中表达，具有调控细胞增殖和凋亡、细胞运动、细胞骨架动力学调节及转化等广泛的生物学功能[8]。近来，许多研究表明，PAK1是一个潜在的癌基因，该基因在肿瘤发生发展中发挥重要作用。已报道的通过PAK1导致肿瘤发生、发展的信号通路包括：①调控细胞凋亡通路：PAK1通过磷酸化Bcl-2相关死亡促进因子（Bcl-2 related death promoter，BAD），削弱BAD与B细胞淋巴瘤2（B-cell lymphoma 2，Bcl2）的相互作用，使肿瘤细胞发生凋亡抵抗[9]；②调控细胞存活通路：PAK1通过使Ras/Raf/MeK/ErK通路的激酶级联反应活化，促进肿瘤细胞的增殖[10]；③促进血管再生：PAK1在肿瘤细胞中过表达，促进血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）活化表达，进而促进肿瘤的增殖；④其他相关通路：PAK1通过下调相关microRNA的表达，进而促进肿瘤的发生和发展[4]。

2 PAK1在皮肤恶性肿瘤中的研究

2.1 PAK1与恶性黑素瘤

恶性黑素瘤是一种来源于黑素细胞的高度恶性肿瘤，其致死率约占皮肤癌的80%[11]。2002年，文献首次报道了在60%～66%的黑素瘤患者中，发现了体细胞中鼠类肉瘤病毒癌基因同源物B1（V-Raf murine sarcoma viral oncogene homolog B1，BRAF）的错义突变，最常见的BRAF突变是位于第15个外显子区域的第600个密码子编码的谷氨酸被缬氨酸取代[12]。近年来，许多选择性抑制BRAF基因的抗肿瘤药物被研发，然而，这类药物对于BRAF野生型的黑素瘤几乎无效[11]。

Ong等[11]最新鉴定PAK1相关信号通路在黑素瘤发病机制中的作用时发现，与正常皮肤组织相比，黑素瘤患者的PAK1蛋白表达水平升高，同时，PAK1基因拷贝数的扩增更倾向出现在BRAF野生型的黑素瘤中，推测PAK1可能是此种亚型黑素瘤的治疗靶点。最近的一项全基因组分析研究也发现，在所有BRAF/神经母细胞瘤RAS病毒癌基因同源物（neuroblastoma RAS viral oncogene homolog，NRAS）野生型的肢端型黑素瘤患者中，PAK1基因均出现了拷贝数的扩增[13]。既往多项研究显示，丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号通路在黑素瘤的分子机制中具有重要作用。另外，也有研究表明，PAK1是MAPK通路的关键组成分子[14]。在其他肿瘤细胞中也发现了PAK1依赖性MAPK信号通路的活化，并且抑制PAK1后的抗肿瘤效果在临床中得到了验证[15]。综合文献所述，PAK1可能是通过活化MAPK信号通路在BRAF野生型黑素瘤的发病机制中起重要作用，未来可能成为该亚型黑素瘤的治疗靶点。

2.2 PAK1与鳞状细胞癌及癌前病变

日光性角化（actinic keratosis，AK）临床表现为红斑、斑片或丘疹，红斑基础上伴有黏着性鳞屑。近10年，AK的发病率呈持续上升趋势[16]。AK被认为是原位鳞状细胞癌（squamous cell carcinoma，SCC）的癌前病变。一些研究表明，8%的AK可以进展为侵袭性SCC，然而，目前尚缺乏作为早期筛查哪种类型AK会发展为SCC的特异性指标[16]。Beesetti等[17]通过免疫组化的方法证明了PAK1在AK患者的皮损中高表达，并且动物实验中观测到，与非暴露皮肤组织相比，经中波紫外线（ultraviolet light midrange sunbeam spectrum，UVB）照射的无毛免疫缺陷的小鼠模型中，磷酸化的PAK1和PAK1的表达水平均升高。通过体内体外研究发现UVB照射可以使PAK1活化，而被活化的PAK1由胞质转位到胞核，之后核内的PAK1通过即刻早期基因结合到DNA修复蛋白激酶ATR（ataxia-telangiectasia and Rad3-related protein）的特异性启动子区域，作为ATR的转录调控因子发挥作用。

Chow等[18]通过免疫组化的方法发现PAK1在SCC中高表达，尤其是在低分化、侵袭性强的组织中，胞质呈现弥漫的强阳性。Park等[19]研究发现PAK1在头颈部SCC患者中高表达，并且PAK1与肿瘤细胞的侵袭有明显相关性，结果表明PAK1过表达可能是头颈部肿瘤侵袭及预后差的评估指标。另外，Yang等[20]研究也发现与癌前病变相比，头颈部SCC的患者PAK1蛋白表达水平明显增高。结合既往文献结果，PAK1在日光性角化和SCC的皮损中高表达，并且PAK1可能与肿瘤的侵袭进展明显相关，未来可能作为此类疾病发展和预后的预测指标。

2.3 PAK1与乳房外Paget's病

乳房外Paget's病（extramammary Paget's disease，EMPD）临床表现为浸润性红色斑片或斑块，其上伴有鳞屑，好发于腋窝、阴囊、肛周等区域。由于该疾病的皮损缺乏特征性，早期常误诊为炎症或感染性疾病[21]。早期的诊断和治疗对于该病的预后至关重要，延误诊断时皮损范围累及更广，肿瘤细胞浸润真皮层或发生播散。

Qian等[22]研究分析了35例EMPD患者的石蜡切片，结果表明PAK1上游调控分子Rac1，磷酸化PAK1以及磷脂酰肌醇3激酶（phosphatidylinositide 3 kinase，PI3K）与正常组织相比，均过表达，并且侵袭性乳房外Paget's病与非侵袭性相比，p-PAK1染色更明显。早期曾有研究提出PI3K可能与Rac1结合，促进Rac1的活化，可以作为介导其活化的上游调控因子。该研究还通过Pearson相关分析证明了Rac1表达水平的增高导致了pPAK1表达水平的上调。此项研究初步提示了pPAK1在乳房外Paget's病中高表达，有可能通过PI3K-Rac1-pPAK1信号通路在疾病的发生、发展中起到作用。迄今为止，PAK1在EMPD中的机制研究较少，依据现有数据，初步推测pPAK1可能作为评估EMPD侵袭程度的一个指标，而PAK1磷酸化水平的小分子抑制剂可能是未来治疗EMPD的有效药物。

2.4 PAK1与Kaposi肉瘤

Kaposi肉瘤（Kaposi's sarcoma，KS）是一种由混合细胞组成的多灶性血管肿瘤。KS皮损的组织病理特征是细胞增殖、炎性细胞浸润和新生血管形成[23]。KS相关疱疹病毒（Kaposi sarcoma-associated herpes virus，KSHV）是针对KS流行病学研究中发现的一种病原体，KS的内皮细胞感染此病毒被认为其作用是促使肿瘤增生[24]。

Guilluy等[24]研究发现PAK1的上游调控因子Rac1以及PAK1蛋白在KS和KSHV感染的内皮细胞中高表达。通过此研究发现，推测可能是KSHV K1蛋白使Rac1发生活化，Rac1作用于下游因子PAK1促进其活化，进而引起血管内皮细胞钙黏蛋白和β-连环蛋白磷酸化，最终导致内皮细胞连接功能缺失和受感染的血管内皮细胞渗透性增加，与已报道的研究提出的人类KS皮损中血管渗透性增加的学说相一致[25]。结合文献推测，PAK1蛋白及上下游相关调控因子的异常变化可能在Kaposi肉瘤发病机制中起到重要作用。

3 PAK1在其他肿瘤中的研究

3.1 PAK1在淋巴瘤中的研究

过去的几十年，淋巴瘤的诊断类型超过30种，并且持续有新的分类出现。这些分类对于理解此类疾病的临床行为具有重要意义[26]。然而，由于这类疾病的分子和临床的异质性，分类分期不同的患者，对于标准治疗存在明显差异，为临床医生带来了巨大挑战。因此，迫切需要新的诊断和治疗方法被应用于此类疾病。

Walsh等[26]研究选择3种PI3K小分子抑制剂作用于60种淋巴瘤细胞系，包括伯基特淋巴瘤（n=11）、生发中心B细胞源性弥漫性大B细胞淋巴瘤（n=19）、霍奇金淋巴瘤（n=3）以及T细胞淋巴瘤（n=3）等，结果发现在高表达PAK1基因的细胞系中，对于PI3K抑制剂的敏感性明显增加，进一步使用PAK1与PI3K抑制剂共同处理细胞后，呈现显著的协同作用。早期也有文献报道，PI3K能够直接活化PAK1，提出PAK1高表达可能是治疗抵抗的潜在机制[27]。另外，Mao等[28]研究利用基因芯片的方法，发现T细胞淋巴瘤包括蕈样肉芽肿，NK/T细胞淋巴瘤中PAK1基因拷贝数增加，但是还没有相关的功能研究被报道。依据既往文献结果，初步推测PAK1可能是某些亚型淋巴瘤包括皮肤T细胞淋巴瘤的治疗靶点。

3.2 PAK1在乳腺癌中的研究

乳腺癌是全世界女性最常发生的肿瘤之一，近年来，随着生活方式的改变，其发病率逐年上升，并呈年轻化趋势。目前，乳腺癌的有效治疗在临床中依旧是一项挑战。Mertins等[29]研究发现，除受体酪氨酸蛋白激酶erbB-2 b亚型（receptor tyrosine-protein kinase erbB-2 isoform b, ErbB2），一些磷酸化激酶包括CDK12、PAK1、PTK2及TLK2等在乳腺癌中均存在基因拷贝数的扩增。ErbB2促使PAK1发生活化，进而上调细胞周期蛋白1的表达，促进肿瘤的增生[29]。Zhan等[30]最新研究发现miR494在乳腺癌组织及细胞系中低表达，PAK1是miR494的直接调控的靶基因，且PAK1的表达水平与miR494呈负相关。此研究进一步验证了过表达乳腺癌细胞系中的PAK1，会促进肿瘤细胞的增殖、克隆形成和侵袭。多项研究也显示，PAK1蛋白在乳腺癌中高表达，通过直接磷酸化BAD蛋白，进一步阻止BAD-Bcl2凋亡复合物的形成，抑制肿瘤细胞的凋亡[7,9]。结合文献，推测PAK1可能是治疗乳腺癌的有效靶点。

3.3 PAK1在结直肠癌中的研究

结直肠癌在世界范围内的发病率逐渐上升，使其成为第三种最常见的癌症[32]。目前，结直肠癌的治疗仍以手术为主，辅以放化疗，但疗效一般，且对于有远处转移的患者，尚缺乏有效的治疗措施。另外，结直肠癌的生物学行为复杂，也容易对化疗药物产生耐药，故而，寻找特异性的分子标志物，研发新的靶向药物，对患者的治疗具有重要意义。

一些研究显示PAK1在结直肠癌的组织中高表达，尤其是在肿瘤进展期及淋巴结受累时更明显[33]。Huynh等[34]研究也发现PAK1的表达水平与结直肠癌疾病的严重程度呈正相关，而且降低PAK1在人结肠癌细胞系中的表达后，可以抑制其下游分子细胞外调节蛋白激酶和蛋白激酶B的活化，进而抑制细胞的增殖、侵袭、存活和VEGF的产生，推测PAK1可能是治疗结直肠癌的有效靶点。另外，Zhu等[35]研究利用免疫组化的方法，对比结肠癌与癌旁组织PAK1的表达水平，结果显示70%（n=30）的样本在肿瘤组织中高表达，且其高表达水平与β-连环蛋白的大量积累密切相关，同时，体外下调PAK1表达后，也会进一步降低总β-连环蛋白的表达水平，最终使细胞增殖受抑制。结合既往研究，推测PAK1不仅是治疗结直肠癌的重要靶点，也是疾病进展的关键指标。

4 小结与展望

综上所述，目前，大量研究证明PAK1在恶性黑素瘤、鳞状细胞癌及乳腺癌等多种肿瘤中异常表达，可能与肿瘤的发生发展密切相关。尽管，PAK1在相关恶性肿瘤中的确切机制尚不明确，各种研究表明，PAK1可能是监测肿瘤进展的有效指标，是抗肿瘤药物研发的新靶点。期待更多PAK1的深入研究，并为多种肿瘤尤其是皮肤恶性肿瘤的治疗、癌前病变进展的判断提供新的选择。