HIF-1α及PDGF-D与前列腺癌相关性的研究进展

贺子秋 杜丹 付海波 李新宇

近年来，我国前列腺癌(prostate cancer， PCa)的发病率逐年增高，已成为男性生殖系统中最常见的恶性肿瘤之一。调查研究发现，人口老龄化特别是年龄超过60岁的男性，其发病率明显升高[1-2]。PCa的发病原因复杂，除了与遗传因素有关外，还与性活动、饮食习惯等方面存在着一定关系。一项病例对照研究表明，性伴侣较少、初次性交年龄较大、适度射精的男性患PCa的风险显著降低[3]。缺氧程度与PCa的进展和预后不良之间存在着正相关关系。缺氧诱导因子(hypoxi-inducible factor， HIF)作为细胞缺氧反应的关键转录因子，可在分子、细胞和组织水平适应性地调节缺氧反应。缺氧诱导因子1α(HIF-1α)存在于所有细胞类型中，是细胞缺氧反应的主要调节因子[4-5]。在低氧条件下，HIF-1α可诱导血小板源性生长因子D(platelet derived growth factor-D， PDGF-D)、血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor， VEGF)等众多生物活性因子的表达，而PDGF-D和VEGF的表达是血管新生的重要因素。目前研究的热点是HIF-1α和PDGF-D在PCa中的作用，两者分别在肿瘤的代谢和新生血管形成中扮演着重要的角色，参与PCa的发生及侵袭。因此，本文对HIF-1α、PDGF-D在PCa中的相关研究进展进行综述。

一、HIF-1α的概述

1.HIF-1α的结构和功能：早在1992年，Semenza等[6]首次在缺氧的肝癌细胞系Hep3B的提取物中发现HIF。HIF-1是低氧条件下存在的一种由HIF-1α和HIF-1β两个亚单位构成的异质二聚体。HIF-1β主要存在于胞质和核质中，起到结构性的作用。HIF-1α是由826个氨基酸组成的大小为120 kD的蛋白质，研究证实，其存在于细胞质中，在肺癌、结肠直肠癌、乳腺癌、前列腺癌等13种实体肿瘤中高表达[7]。常氧状态下，HIF-1α表达较少，并通过泛素-蛋白酶解系统降解，大大降低其活性；当机体处于低氧环境时，HIF-1α呈高表达状态，并且诱导糖酵解酶相关因子、葡萄糖转运相关因子、血管生成相关因子以及肿瘤增殖和凋亡相关因子的转录和翻译，从而促进肿瘤细胞快速适应缺氧微环境。肿瘤生长和转移的基础是肿瘤血管的新生，而HIF-1α可通过内皮细胞增殖来促进新生血管生成，进而提高肿瘤细胞血氧供应，促进肿瘤细胞持续性增殖及进一步转移[8]。

2.HIF-1α及其相关信号通路：在低氧条件下，HIF-1α的半衰期小于5 min，主要通过羟基化、乙酰化、磷酸化等的调节和信号转导来完成翻译后修饰。在缺氧条件下，HIF-1α在细胞内聚集，与HIF-1β结合形成HIF-1，促进下游靶基因的转录及相应蛋白质产物的变化，最终导致肿瘤的发生。①PI3K/AKT通路： PI3K/AKT信号转导途径可以被多种不同的细胞刺激物和毒素激活，参与细胞基本进程的调控，其中包括细胞生长、转录、翻译、细胞增殖、细胞运动及糖原代谢。在低氧条件下，当细胞膜表面的酪氨酸激酶受体被激活以后，调节亚基p85及催化亚基p110的激活，从而使PI3K激活，并与其下游的AKT结合，使AKT磷酸化，增加HIF-1α的活性[9]。PI3K/AKT信号通路可通过调节HIF-1α表达，来参与PCa的发生、发展和细胞迁移的过程。研究表明，低氧条件下表皮生长因子能够激活PI3K/AKT途径，并通过HIF-1α调控糖酵解；抑制PI3K/AKT信号通路能够明显降低多种细胞的糖酵解[10]。这种机制的发现对PCa的治疗有着重要的价值。②SENP1通路：SENP1是类泛素蛋白修饰分子(small ubiquitin-related modifier， SUMO)特异性蛋白酶中的一种核蛋白，可催化细胞内大量蛋白质的去SUMO化修饰，从而很好地调节HIF-1α在细胞中的稳定性。在低氧条件下，脯氨酸羟化酶的活性受到抑制，增加了HIF-1α的表达，同时活化的SENP1使HIF-1α去SUMO化，从而促进HIF-1α的稳定表达[12]。SENP1的表达与PCa的形成以及肿瘤细胞的增殖存在着一定关系。③MAPK通路：MAPK是一组能被不同的细胞外刺激，将信号从细胞表面传到细胞核内部的丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶，它是介导细胞外刺激到细胞内反应的信号传导通路。Ras是细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases， ERK)的上游调控因子，在低氧条件下，Ras被激活并导致一系列级联放大效应，Raf聚集细胞膜，同时激活下游的MAPK/ERK激酶，诱导ERK磷酸化，从而激活癌基因的表达[13]。HIF-1α是MAPK信号通路中重要的靶标之一，MAPK信号通路可通过级联信号转导增加HIF-1α活性，从而调节相应基因及蛋白的表达。抑制MAPK通路对控制PCa细胞的生长有着重大的意义。

二、HIF-1α与PCa的关系

1.HIF-1α在PCa中的作用机制：PCa在生长的过程中容易导致局部缺氧环境，HIF-1α能够诱导下游靶基因VEGF的表达，促进前列腺肿瘤新生血管的形成，为肿瘤细胞的营养来源创造条件，最终促进PCa细胞的生长、增殖和转移。其次，HIF-1α能够通过各种信号通路使13种不同的糖酵解酶类产生，从而促使前列腺肿瘤细胞获得足够的能量以在缺氧的条件下适应周围环境。另外，HIF-1α还能够诱导多种促红细胞生成因子、扩血管因子，提升前列腺肿瘤组织的氧运输和利用能力，促进PCa的侵袭和转移。

2.HIF-1α与PCa放、化疗抵抗：HIF-1α除了通过细胞的凋亡/增殖活性、血管舒缩功能、能量代谢和血管生成来调节肿瘤对缺氧做出反应[14-15]外，还增加多药耐药基因(multidrug resistence， MDR)的表达，包括MDR1和MRP[16-17]。在缺氧条件下，HIF-1α表达的变化可促进化疗药物耐受、肿瘤细胞存活和侵袭。前列腺实体肿瘤中心缺氧通常会降低肿瘤细胞的化学敏感性，并促进PCa细胞对抗肿瘤药物产生耐药性，这也就是临床上PCa化疗效果欠佳的主要原因。研究表明，HIF-1α除了调控一些因子的表达，使电离辐射对PCa细胞DNA的损伤无法固定外，还通过VEGF和PDGF来促进血管的生成，使脱离电离辐射的PCa细胞获得新的生存条件，降低PCa的放疗效果[18-20]。

3.HIF-1α与PCa去势抵抗：去势抵抗性PCa往往是PCa发展的终末阶段，其进展和转移的中位生存期大约为1～3年[21]。雄激素受体的表达与PCa去势抵抗的发生有关，HIF-1α在PCa中表达上调，是PCa细胞抵抗氧化应激、雄激素缺乏、化疗和放疗的有效防御机制。这些结果表明，HIF-1α的过度表达增加了PCa的去势抵抗和转移的风险[22]，并证实HIF-1α作为PCa分子靶点的重要性。

4.HIF-1α与PCa的预后：在低氧条件下，HIF-1α通过诱导多种基因表达，使肿瘤适应相对低氧的微环境，在维持肿瘤的能量代谢、促进肿瘤新生血管的形成和侵袭、转移中有着重要的意义。因此，HIF-1α不仅与肿瘤的发生、发展密切相关，还对肿瘤的预后起着预示作用[23]。HIF-1α的过度表达是大多数癌症预后不良的标志，如乳腺癌、PCa、结肠癌、肝细胞癌、胰腺癌、脑癌、卵巢癌，以及许多不常见的癌症[24]。Fraga等[25]通过研究HIF-1α的基因多态性与PCa的关系证实，HIF-1α参与了PCa的生物学进展，对PCa患者预后的影响具有重要的意义。

三、PDGF-D的概述

1.PDGF-D的结构和功能：PDGF家族由PDGF-A、PDGF-B、PDGF-C、PDGF-D 4种基因构成。2001年，LaRochelle等[26]在进行EST(表达序列标签)比对寻找VEGF同源体的过程中首次发现了PDGF-D。它是由370个氨基酸组成的多亚基蛋白质，分子量约为40.6 kD。PDGF-A、PDGF-B、PDGF-C能够与同源或异源的PDGF受体二聚体相结合，而PDGF-D只能与PDGFR-ββ特异性的结合。研究表明，PDGF-D在正常人体组织中也表达，尤其是在肾上腺组织中高表达。Borkham-Kamphorst等[27]和Chen等[28]的研究发现，在血管平滑肌细胞、内皮细胞、成纤维细胞中也可检出PDGF-D的表达。如前所述，肿瘤血管的形成是肿瘤生长和转移的必备条件，PDGF-D作为血管平滑肌的趋化因子，可通过促进该因子诱导新生血管的形成，使得肿瘤细胞进一步增殖，它与组织和器官的纤维化、炎症以及诸多恶性肿瘤的发生、发展有着不可忽视的联系。

2.PDGF-D及其相关信号通路：①Notch-1通路：作为近年来的研究热点，Notch信号通路已经被证实在多种肿瘤细胞的生长、增殖和凋亡过程中起着重要的作用[29]。Notch是一种进化保守的信号通路，在维持前列腺的发育、调节组织稳态和癌变过程中发挥着重要作用[30]。Ras作为Notch-1上游调控因子，过度激活Ras可以增加Notch-1的表达。研究证明，Notch-1在PCa中表达增加，将Notch-1基因敲除后，PCa细胞的侵袭性显著降低[31]。另外，研究发现，在结直肠癌中，PDGF-D可以通过活化Notch-1途径来促进肿瘤细胞的增殖、侵袭、血管生成和上皮间质转化(epithelial-mesenchymal transition， EMT)[28]。因此，在将来的临床试验中，有望通过下调PDGF-D的表达使Notch-1失活来抑制PCa细胞的侵袭和血管的生成。②EMT通路：EMT是一种重要的生物学过程，其中上皮来源的恶性肿瘤细胞获得迁移和侵袭并转化为间质细胞。Devarajan等[32]的研究发现，组织自身的干细胞通过 PDGF-D与肿瘤微环境相互作用，以旁分泌方式诱导肿瘤细胞中的EMT，最终增加肿瘤干细胞的数量并促进肿瘤生长。Chen等通过研究证实，PDGF-D可促进肿瘤的生长和侵袭，并且PDGF-D的下调使Notch1/Twist1轴失活，从而逆转EMT，进一步发挥预防肿瘤进展的作用。这些研究结果均证实了PDGF-D通过参与EMT的过程来调控肿瘤的发生、发展，在对于肿瘤后续治疗方面给临床医生提供了一种新的思路。③matriptase/PDGF-D信号轴：matriptase作为一种Ⅱ型跨膜丝氨酸蛋白酶，在包括PCa在内的许多癌症中表达上调，常与肝细胞生长因子激活物抑制因子复合存在。Ustach等[33]发现，matriptase及PDGF-D在PCa中高表达，并通过共聚焦显微镜分析揭示了PDGF-D和matriptase在PCa组织中的共定位，导致β-PDGFR信号的激活，证实matriptase/PDGF-D/β-PDGFR信号轴对于判断PCa的预后起着重要的作用。

四、PDGF-D在PCa中的作用机制

PDGF-D作为一种促强力有丝分裂剂，可以促进血管内皮细胞和平滑肌细胞的增殖、分裂和迁移，促进前列腺肿瘤新生血管的形成[34]。此外，PDGF-D作为转化因子，也可通过上调VEGF的表达促进新生血管的形成[35]，这表明PDGF-D可以通过自分泌和旁分泌信号途径来加速前列腺肿瘤细胞的增殖。另外，PDGF-D与其受体PDGFR-ββ特异性的结合，使受体二聚化，导致受体的自身磷酸化和酪氨酸激酶活化，从而激活下游的信号转导通路，参与PCa的发生、发展和侵袭、转移。

五、HIF-1α和PDGF-D在PCa发病机制中的相关性

目前的研究发现，PDGF-D/β-PDGFR信号通路上调转录因子HIF-1α的经典酸中毒调节因子碳酸酐酶IX(carbonic anhydrase， CA-IX)的表达，进而介导细胞外酸中毒，CA-IX催化H2O+CO2→H++HCO3-反应，它可以控制前列腺肿瘤细胞外pH下降，细胞内的pH保持稳定，使肿瘤细胞更加耐受缺氧，驱动前列腺肿瘤细胞的持续侵入[36]。另外，HIF-1α与PDGF-D都可以使VEGF的表达上调，从而来促成前列腺肿瘤内新生血管的生长，这也为PCa的发生、发展及侵袭、转移提供了必备因素。由此可见，HIF-1α和PDGF-D在前列腺癌的发生、发展中既相互作用，又相互影响。

综上所述，HIF-1α和PDGF-D是导致PCa产生的重要因素，两者功能涉及PCa形成过程中的调控，并且通过PI3K/AKT、MAPK等多种途径和多种方式参与PCa的发病过程。随着研究的不断深入，HIF-1α与PDGF-D有望成为未来PCa临床治疗的新分子靶标。