内质网应激与mTOR信号通路在消化系统肿瘤中的研究进展

吴晓曼，李明综述 谭诗云审校

根据国际癌症研究机构(International Agency for Research on Cancer, IARC)的数据显示，东亚地区胃癌、肝癌等消化系统肿瘤的发病率呈现较高的水平[1]。肿瘤的发生是一系列缓慢、复杂的代谢改变过程，在细胞生长、繁殖等过程中，每一个阶段的发生都有各种代谢信号通路相互交叉影响。改变肿瘤细胞代谢过程，影响疾病进展一直是抗肿瘤治疗的主要策略之一。内质网作为细胞内参与大部分分泌及跨膜蛋白生成修饰等过程的重要细胞器，其稳态对细胞代谢至关重要。当细胞内稳态受到外界刺激时，可引发内质网应激(endoplasmic reticulum stress, ERS)激活非折叠蛋白应答(unfolded protein response, UPR)维持内质网功能稳定。近期有研究发现[2]，ERS与哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)信号通路存在关联，ERS可通过mTOR信号通路诱导代谢改变，从而对细胞起到相应的保护作用，但其具体机制还尚未明确，文章对此进行综述。

1 ERS及mTOR信号通路

1.1 ERS ERS是指未折叠或错误折叠的蛋白质累积在内质网内，引发UPR消减未折叠蛋白质的毒性作用，从而维持细胞稳态。人类癌细胞通常具有维持UPR长时间激活的能力，并支持其生存。UPR由3种重要的内质网跨膜蛋白介导：RNA依赖的蛋白激酶样ER激酶 (RNA-dependent protein kinase-like ER eukaryotic initiation factor-2α kinase, PERK)、肌醇需求激酶(inositol requiring enzyme, IRE)1α和激活作用转录因子(activating transcription factor, ATF)6。当未处于ERS状态时，这3种蛋白均处于无活性状态，与葡萄糖调节蛋白78/B细胞免疫球蛋白结合蛋白(glucose-regulated protein 78/B-cell immunoglobulin binding protein, GRP78/BIP)结合。当ERS被激活后，这3种跨膜蛋白与结合蛋白分离后，自身活化并激活下游蛋白进行信号传导[3]。这3种蛋白分别参与不同的信号调节通路，进而调控细胞代谢。PERK被激活后可进一步诱导C/EBP同源蛋白(C/EBP-homologous protein, CHOP/GADD153)的转录，促进肿瘤细胞凋亡[4]。IRE1磷酸化后引起X-盒结合蛋白(X-box protein，XBP)1的mRNA被剪切得到sXBP1，进而上调伴侣蛋白与内质网相关降解途径(endoplasmic reticulum-associated degradation,ERAD)机制的组分清除错误折叠蛋白[5]。ATF6被裂解后可诱导伴侣和UPR介质的表达，包括BIP和XBP1，而且高表达的ATF6与癌症转移、复发相关[6]。

1.2 mTOR信号通路 mTOR属于磷脂酰肌醇3-激酶 (phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K) 家族中的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，可形成2种不同形式的复合物：mTOR复合物(mTOR complex,mTORC)1和mTORC2。mTORC2可通过磷酸化蛋白激酶B(protein kinase B，AKT)和蛋白激酶C控制细胞存活和细胞骨架重塑，但mTOR的大部分代谢功能归因于mTORC1[7]。在人体糖代谢中，血糖水平升高可刺激胰岛素信号传导，导致特定激酶包括PI3K和下游激酶被激活，如AKT、非典型蛋白激酶C和mTOR复合物活化蛋白磷酸酶(如蛋白磷酸酶1和蛋白磷酸酶2)来调节体内代谢[8]。除了参与代谢，mTOR还是自噬诱导的重要调控因子，激活mTOR可抑制自噬，而抑制mTOR活性则可促进自噬，这在抗肿瘤治疗领域是较热门的研究方向[9]

2 ERS与mTOR信号通路在消化系统肿瘤中的研究

mTOR信号通路是调节多种细胞过程中最重要的信号传导途径之一，随着研究不断深入，越来越多的证据表明，ERS影响mTOR信号通路的调控机制。Choi等[10]研究发现，用衣霉素诱导ERS后，出现mTOR信号通路下游信号分子磷酸化核糖体蛋白S6激酶(ribosomal protein S6 kinase，S6K)下降，表明影响细胞内ERS水平能够进一步调节mTOR信号通路的表达水平。在大鼠嗜铬细胞瘤细胞系PC12中利用ERS抑制剂4-苯基丁酸(4-phenylbutyric acid，4-PBA)抑制ERS，mTOR磷酸化水平降低，并且证实是通过PI3K/AKT/mTOR信号通路调节自噬，更说明ERS能一定程度地影响mTOR信号通路进而调控代谢进程。mTOR信号通路也可影响ERS水平，用雷帕霉素抑制mTOR信号通路后可引起ERS标志蛋白BIP急剧下降[11]。但在不同的消化系统肿瘤疾病中，ERS与mTOR信号通路之间的相互影响有所不同。

2.1 ERS与mTOR信号通路在肝癌中的研究 肝细胞癌是全世界最常见的肝癌类型，也是第二大最常见的癌症相关死亡原因。美洛昔康是一种选择性的环氧合酶-2(cyclooxygenase-2，COX-2)抑制剂，常作为非甾体类抗炎药(non-steroidal anti-inflammatory drug, NSAID)使用，除抗炎效果外，Zhong等[12]研究发现其在人肝癌细胞系HepG2和Bel-7402中可通过ERS下的GRP78诱导细胞凋亡，在此过程中利用腺苷酸蛋白活化激酶(AMP-activated protein kinases，AMPK)-mTOR信号传导途径诱导自噬激活。与美洛昔康组比较，美洛昔康+GRP78siRNA组Western-blot检测结果显示，p-AMPK蛋白表达量显著降低,而p-mTOR表达量增加，自噬水平降低。上述研究结果表明，ERS可通过GRP78信号分子调控mTOR信号通路。该研究认为自噬是对ERS诱导凋亡的一种保护机制，ERS通过激活AMPK磷酸化，抑制mTOR激活，从而诱导自噬。Hispidulin(4'，5,7-trihydroxy-6-methoxyflavone)同样可以导致人肝癌细胞系SMMC7721和Huh7中ERS水平增高并诱导癌细胞凋亡，同样证实mTOR信号通路参与ERS调控凋亡的机制[13]。

2.2 ERS与mTOR信号通路在结直肠癌中的研究 结直肠癌是世界上第三常见的恶性肿瘤，是癌症死亡的第四大原因，在结直肠癌的抗癌治疗研究中，发现丁香活性组分(active fraction of clove, AFC)，可以明显地抑制人结直肠癌细胞系HCT-116的细胞活力，并诱导自噬和细胞凋亡[14]。以往研究表示，mTOR信号通路可调控自噬，经蛋白表达检测，在AFC的影响下，与对照组相比，试验组以剂量依赖性方式抑制mTOR磷酸化，从而激活自噬。在抗结直肠癌治疗中，药物可以通过mTOR信号通路的调控影响癌细胞的增殖与生存[15-16]。You等[17]研究进一步说明ERS参与其中，发现使用衣霉素处理人结肠癌细胞系SW620能抑制mTOR表达，且可抑制结肠癌细胞生长并促进其凋亡。再次为ERS与mTOR信号通路的互连提供了确切的证据，为进一步寻找抗癌治疗靶点提供了新的方向。在另外的抗结直肠癌药物研究中，Tsai等[18]发现，肉桂曲霉有一定的抗癌作用，能有效引发细胞内ERS标志蛋白CHOP及降低AKT和mTOR的磷酸化水平，在抑制CHOP表达后mTOR磷酸化水平上升，并减少了由肉桂曲霉导致的细胞死亡，该研究认为，mTOR信号调控癌细胞增殖生长依赖于ERS的介导，其中CHOP发生了很大的作用。这提示结直肠癌中ERS与mTOR信号通路之间的调控机制可成为抗癌治疗的新兴研究方向，ERS调控mTOR信号通路并进一步诱导自噬，影响细胞凋亡水平。

2.3 ERS与mTOR信号通路在胰腺肿瘤中的研究 据美国癌症协会统计，2019年美国新诊断胰腺癌病例约5.6万例，预计有4.5万例死于胰腺癌，仅次于肺癌和结肠癌[19]，阐述胰腺肿瘤的发生发展机制及寻找潜在治疗靶点一直是胰腺肿瘤的热点研究方向。在小鼠胰岛β细胞系MIN6中，Chu等[20]研究发现，棕榈酸可以诱导细胞发生ERS及自噬通量增加，在用自噬抑制剂CQ提前干预2 h的情况下，加用ERS抑制剂PBA可以减少自噬标志蛋白LC3Ⅱ，表示降低ERS可以降低自噬通量。由于mTOR信号通路参与调控自噬通量，因此在胰腺中ERS可能通过mTOR参与调控自噬。在大鼠胰岛β细胞系RIN-5F中，Varshney等[21]研究进一步发现，mTOR的上游信号AMPK参与ERS调节，在运用siRNA干扰AMPK表达后，棕榈酸诱导的ERS水平增高，自噬信号的传导阻断会使ERS标志蛋白CHOP表达量增高，表明AMPK调控的自噬可以消除部分ERS。Jia等[22]研究显示，抑制AMPK/mTOR信号并不能显著减轻非瑟酮(Fisetin)诱导的人胰腺癌细胞系PANC-1的自噬水平，也不能降低ERS下游信号通路PERK、ATF4或ATF6的表达，并且ATF4表达增加。Su等[23]研究同样发现，AMPK敲低并不能降低粗糠柴毒素(rottlerin)在胰腺细胞内对真核起始因子(eukaryotic initiation factor，eIF)2α磷酸化或CHOP表达的影响，说明在此条件下mTOR信号通路上游信号分子AMPK不参与ERS的正向调节。但Kim等[24]研究显示，mTOR抑制剂雷帕霉素，诱导自噬可以增加GRP78/BIP蛋白的表达，增强了大鼠胰岛素瘤细胞系INS-1E内的ERS，此时自噬不再起细胞保护作用，无法消解细胞的ERS水平。在胰腺肿瘤中，ERS与mTOR信号通路之间存在相互作用，但并非单纯的单向调节，具体调节机制还需要进一步研究。

2.4 ERS与mTOR信号通路在其他消化系统肿瘤中的研究 胃癌是世界排名第五大最常见的恶性肿瘤，每年估计有超过100万的新病例[25]。而mTOR抑制剂也已被证明是有效的抗肿瘤药物，可激活UNC-51样激酶(unc-51-like kinase, ULK)复合物以诱导自噬并抑制血管生成[26]。张丽敏等[27]研究显示，在大鼠胃窦Cajal间质细胞(interstitial cells of Cajal, ICCs)中应用mTOR抑制剂雷帕霉素后，可以明显增加GRP78 mRNA含量，表明胃细胞内mTOR信号通路参与调控ERS。Chen等[28]在人胃癌细胞系SGC-7901和BGC-823中进一步发现，雷帕霉素通过抑制mTOR磷酸化引起eIF2α磷酸化明显升高。在ERS中，磷酸化的PERK被激活使eIF2α磷酸化，促使一般蛋白质翻译工作减弱来降低内质网负荷，eIF2α的磷酸化程度降低说明mTOR参与负向调节细胞内的ERS水平。食管癌是一种常见的上消化道肿瘤，多为鳞状细胞癌，Zhou等[29]研究发现，衣霉素能引起ERS水平上升，并且可显著下调磷酸化AKT，mTOR蛋白的表达。在Ansari等[30]研究中也显示了同样的结果，并且进一步诱导了食管癌细胞自噬的发生。在同样多为鳞状细胞癌的口腔癌中，PERK基因敲低能使自噬略有减少，但暴露于烷基磷酸胆碱类药物Erufosine会使细胞自噬增加，并且促进肿瘤细胞凋亡。

ERS与mTOR信号通路的关联出现在很多消化系统肿瘤中，可见其在消化系统肿瘤发生、发展和治疗过程中起着重要作用。目前ERS与mTOR信号通路之间并非单方向的影响，还有很多其他因素参与相互作用，其内在联系更为复杂，需要科研人员更多的研究与探索。

3 小 结

综上所述，ERS与mTOR信号通路之间的相互作用可表现为mTOR信号通路调节ERS水平，但在消化系统肿瘤发展过程中，目前研究更多的是ERS下游信号分子PERK、IRE1α等表现出参与调控mTOR信号通路，由此调节细胞内自噬、凋亡水平。但ERS并非所有信号分子均可与mTOR发生相互作用，具体调控机制可因部位或疾病的不同有所差异。针对这一调控机制进行干预，成为抗肿瘤治疗的药物靶标，可为消化系统肿瘤的治疗方案提供新的方向。