热休克蛋白90在非小细胞肺癌中的研究进展

曾攀科 王湘 王立升

广西大学医学院,南宁530004

恶性肿瘤已经成为严重威胁全人类生命健康的高病死率并且治愈率低下的严重疾病。据调查显示,2018年肺癌发病率占总癌症发病率11.6%,其致死率高达84.1%[1]。在诸多的癌症中全球的肺癌发病率持续增加,以非小细胞肺癌 (non-small cell lung cancer,NSCLC)最为常见。由于肺癌在发生的早期阶段没有明显的临床症状,因此在确诊之后都处于晚期,从而导致病死率高并且难以治愈。

在1962年,由意大利科学家Ferruccio在研究果蝇幼虫的唾液腺染色体时,发现染色体中出现特征性的膨胀随后发现热休克蛋白 (heat shock protein,HSP)[2]。该蛋白又称应激蛋白,是当机体受到外界环境 (缺氧、寒冷、创伤等)刺激时,会迅速合成表达分泌的一类蛋白。HSP 家族成员有6 种,根据其相对分子质量的不同分为:HSP110、HSP90、HSP70、HSP60、HSP40 以及各类小分子量热休克蛋白[3]。在人体各细胞中,HSP主要以一种“分子伴侣”的形式发挥其生物学功能。其参与新蛋白质合成,使蛋白能够正确地折叠再折叠,帮助空间结构改变的蛋白重新复性,并且参与维持蛋白质的构象和生物活性稳定性[4]。目前,研究发现HSP90已经成为最为重要的癌症治疗靶点,它与癌细胞的增殖、凋亡、转移甚至产生耐药性密切相关。

随着对肿瘤发病机制的深入研究,人们发现HSP90对于肿瘤细胞生长、凋亡以及周期通路中的调节蛋白发挥着至关重要的作用[5]。因此,对于HSP90的研究已经成为抗肿瘤研究的热点蛋白。近年来研究发现HSP90 在NSCLC的发生发展中具有重要的调控作用。本文将围绕HSP90在NSCLC的作用作一综述。

1 HSP90结构和功能

1.1 HSP90结构 HSP90蛋白家族是一种相对分子质量为90 000并且高度保守的ATP依赖性分子伴侣,HSP90主要是真核细胞中最为丰富的一种蛋白,在正常生理状态下HSP90的表达量较低,为细胞总蛋白的1%～2%,而在应激状态下,HSP90会过表达,为总蛋白的4%～6%[6-7]。

HSP90的结构包括三部分:N-末端结构域、C-末端结构域、中间结构域,HSP90每个区域的功能各不相同,在HSP90没有与腺嘌呤三磷酸腺苷结合时,其主要以 “V”字无活性开放形式存在[8]。其N-末端结构域可与ATP 结合,从而发挥生物学功能。C-末端结构域含有特殊MEEVD 保守序列,负责HSP90 的二聚化[9]。连接N-末端结构域和中间结构域的是一段构象易变且带电的连接体,由于其结构不稳定,因此很难解析HSP90的全长结构。中间结构域可以与共伴侣分子结合作用于客户蛋白充分发挥分子伴侣的作用。当蛋白结合到中间区域后HSP90通过与辅助分子伴侣相互作用和ATP 的水解放能共同调节HSP90的N 端构象转变为 “关闭”状态,此时HSP90 才能行使其生物学功能[10-11]。

1.2 HSP90细胞质亚型 人体的HSP90的细胞质亚型可分为两类:可诱导型HSP90α、组成型HSP90β,这2种亚型的蛋白氨基酸序列具有高度同源性[12]。研究表明,这2种亚型通常以同源二聚体 (αα、ββ)的形式存在于胞质中,HSP90α往往更容易形成同源二聚体[13]。HSP90α型通常在正常细胞中表达量较低,而在肿瘤细胞中HSP90α的表达量异常增加。研究发现,HSP90βm RNA 在早期胚胎发育的生理温度下正常表达,而HSP90α m RNA 几乎不存在,在热休克温度下HSP90β m RNA 则不改变,HSP90α m RNA 的含量显著增加,说明HSP90β型在胚胎的发育早期和细胞的生理功能发挥重要作用[14]。HSP90α 与HSP90β结构相似度高,生理作用近似,但也有差异。例如,HSP90α在恶性肿瘤中表达量明显增高,肿瘤的恶性程度越高,HSP90α的表达量越高,而HSP90β的表达量则较低[15]。

1.3 HSP90功能 HSP 的主要生理作用是作为一种分子伴侣蛋白来协助客户蛋白完成正确的空间折叠。作为分子伴侣,HSP90拥有广泛的客户蛋白并且参与多种细胞信号通路。例如,丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶 (AKT serine/threonine kinase 2,Akt2)、细胞周期蛋白质依赖激酶类(syclin-dependent kinases,CDKs)、蛋白激酶C (protein kinase C,PKC) 以及多种转录因子 BCL-6 (B-cell lymphoma 6)、p53、八聚体结合转录因子4(octamerbinding transcription factor 4,Oct4)[16-19]。其中被报道的第一个和HSP90形成非共价结合复合物的蛋白激酶是病毒酪氨酸激酶 (viral srckinase,v-Src)[20]。HSP90可以辅助许多细胞周期调节蛋白的生成,其中包括细胞周期蛋白质依赖激酶4 (cyclin-dependent kinase 4,CDK4),CDK4是控制细胞周期的关键性蛋白,它与细胞周期蛋白D1结合导致底物磷酸化,调控细胞处于G1期[21]。因此,在肿瘤细胞中HSP90对于癌细胞的增殖、凋亡以及周期都有着直接调控作用。

2 HSP90在NSCLC的作用

2.1 HSP90调控受体方式 通过调节表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor,EGFR)影响NSCLC发生,EGFR 是分布于上皮细胞表面的一种跨膜蛋白。由三部分组成,分别为:胞内酪氨酸激酶结合区域、跨膜以及胞外受体结合区域[22]。

据调查显示,在晚期NSCLC 患者中EGFR 基因序列突变的发生率为10%～20%[23]。HSP90在NSCLC 的患者中呈现高表达,该蛋白的升高与年龄、既往吸烟史有关[24]。HSP90的分型α型在NSCLC 发生发展的过程中维持了EGFR 的功能稳定[25]。许露等[26]研究发现,在HSP90α表达水平升高的情况下,患者EGFR 突变的风险高于正常值。说明HSP90α的升高与EGFR 突变呈正相关。也有研究表明,当HSP90抑制剂与EGFR 阻断剂联用时,可更加有效地抑制NSCLC 细胞的增殖活性以及促进该细胞的凋亡作用[27]。因此,更加可以确证HSP90 通过调节EGFR 蛋白的活性来影响NSCLC的发生和发展。

2.2 HSP90调控蛋白改变 通过影响Bax、Bcl-2的表达影响NSCLC的发生,在研究NSCLC 的过程中,发现许多癌症相关调控蛋白发生改变,该过程则可以调节癌细胞的增殖、凋亡以及分化能力,最终加重癌症的症状。

通过分子机制研究发现,HSP90α的表达上升,能够抑制肿瘤细胞相应的基因转录,从而提高肿瘤细胞的浸润和黏附能力[28]。HSP90α能够通过对其客户糖蛋白末端进行磷酸化修饰,进而导致癌细胞G1/S期比例异常,使癌细胞快速跨越G0期,最终导致癌细胞快速增殖[29]。凋亡促进因子Bax和凋亡抑制因子Bcl-2 能够通过激活癌基因相关信号通路,进而导致肿瘤细胞产生程序性死亡,最终导致肿瘤病灶组织的萎缩以及肿瘤细胞的死亡[30]。有研究指出Bax、Bcl-2的表达与NSCLC 的病程进展有着密切的关系,当二者的表达上升时能够促进肺癌患者临床分期的进展,从而影响肺癌患者临床预后疗效[31]。有研究显示,在NSCLC患者中,HSP90α和Bcl-2蛋白表达成正比,而与Bax蛋白成反比[32]。提示了HSP90α、Bcl-2和Bax 3种蛋白在影响到肺癌的病情进展过程中可能发挥了一定的协同作用。

2.3 HSP90调控新生血管生成 肿瘤组织中新生血管的生成受血管生成素-2 (angiopoietin,Ang-2)和血管内皮生长因子 (vascular endothelial growth factor,VEGF)的调控[33]。研究表明,当肿瘤组织血管生成异常时HSP90 表达升高,缺氧诱导因子α (hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)作为HSP90 的客户蛋白参与Ang-2 和VEGF 基因的转录和表达,从而促进癌症周围血管的生成来适应缺氧效应[34]。在缺氧状态下,HIF-1α在许多情况下发挥作用,同时会影响VEGF的基因转录,在肺部血管重塑和肿瘤血管生成中发挥重要作用[35]。

研究证实,HSP90具有促血管生成的作用,在癌症组织中HSP90与VEGF 具有相似的氨基酸序列和结构,它与VEGFR-1结合,从而导致VEGFR-2 激活并磷酸化使VEGF扩增,最终导致癌症周围血管的生成[36]。研究显示,给予HSP90抑制剂Ganetespib在体内外均可抑制肿瘤血管的生成,其作用机制是通过抑制各种促血管生成因子,包括Ang-1、Ang-2以及VEGF等[37]。

2.4 HSP90通过影响免疫反应干预NSCLC 的发生 免疫平衡的失调是恶性肿瘤发生的重要标志,在NSCLC、宫颈癌等诸多恶性肿瘤中均发现相关免疫标志物异常的改变[38]。现代免疫学发现在NSCLC 发生过程中T、B 细胞分泌的细胞因子均有参与机体免疫反应的调节,T 细胞主要介导的细胞免疫,其分泌的细胞因子可抑制肿瘤细胞的增殖;而B细胞则相反,分泌的细胞因子可促进肿瘤细胞的增殖[39-40]。因此,在生理状态下,2 种细胞介导的免疫反应处于动态平衡,当肿瘤细胞异常增长时,则T 细胞功能相对低下,B细胞功能相对亢进。此外,初始T 细胞还可以介导Th17 细胞以及Treg细胞的产生,Th17 细胞主要分泌IL等促炎症因子,其大量的分泌可以加重癌症的恶化程度[41];Treg细胞在生理状态下可以维持机体内环境的稳态,但随着癌细胞的恶化,进一步造成肿瘤细胞的免疫耐受,加快了病程的进展[42]。

研究发现,HSP90可能通过调节T 细胞的分化以及激活,从而产生IL-6 等炎症介质[43]。有学者表明,HSP90能与TLR-7/9相互作用,从而介导浆细胞样树突状细胞分泌INF-α,当使用HSP90抑制剂时,可降低小鼠血清自身抗体的水平[44]。Kelly等[45]发现,抑制HSP90 基因的表达,可使转座子因子基因表达显著增加,进而导致干扰素合成增加。因此HSP90可通过影响细胞免疫以及体液免疫来发挥抗肿瘤的作用。

2.5 针对HSP90蛋白的靶向药物 随着对HSP90蛋白的深入研究,发现抑制HSP90蛋白的表达可以发挥重要的抗癌作用,HSP90 的靶向抑制剂,包括格尔德酶素(geldanamycin,GA)、根赤壳菌素 (radicicol)、替拉替尼(17-AGG,tanespimycin)等N-末端抑制剂,小部分C-末端抑制剂以及直接和HSP90 结合的抑制剂,如紫杉醇(taxol)、Silybin、SNX-2112 等[46]。有研究显示,新生霉素类似物KU758作为HSP90蛋白的抑制剂,该类似物为C-端抑制剂,体外机制研究显示KU758可使哺乳动物类雷帕霉素靶蛋白 (mammalian target of rapamycin,m TOR),p-m TOR,蛋白激酶B (Akt)和p-Akt均呈剂量依赖性减小,CDK4、CDK6也均呈剂量依赖性降低,该2个蛋白是调控细胞处于G1、S 期的关键蛋白,其直接作用的靶点HSP90蛋白亦呈剂量依赖性减小,体内抗肿瘤活性显示在60 d内肿瘤组织块的直径与对照组相比明显减小,且小鼠的存活率几乎不受影响[47]。Fu 等[48]研究显示,直接与HSP90蛋白结合的抑制剂SNX-2112 通过降低蛋白激酶、m TOR、S6和真核翻译起始因子E4结合蛋白1的磷酸化,使Akt/m TOR 通路失活,有效地抑制癌细胞的增殖、迁移和侵袭,此外,SNX-2112通过灭活局部黏着斑激酶和抑制基质金属蛋白酶-9 和2、锌指转录因子、波形蛋白和βcatenin的表达来抑制细胞的迁移,SNX-2112 还可以下调癌细胞的内质网应激,使未折叠蛋白反应失活,最终发挥抗癌作用。

3 小结与展望

NSCLC发病率在肺癌中位居首位且致死率高,临床治疗效果不理想。HSP90 作为分子伴侣蛋白可以通过改变EGFR 蛋白的稳定性,凋亡促进因子Bax和凋亡抑制因子Bcl-2基因的活性,最终来调控癌细胞的扩散与消除。在肺部实体瘤组织中HSP90通过调节促血管生成因子的活性来影响肺癌组织周围血管的生成。在免疫反应过程中,HSP90也可通过调节T 细胞的分化和激活以及介导浆细胞样树突状细胞分泌炎症因子来影响NSCLC 细胞的增殖。近年来,HSP90靶向抑制剂大部分为N-末端抑制剂,但大都具有活性低、毒性大的缺点。因此,需要继续深入研究HSP90的结构和功能,从而开发出有效的HSP90抑制剂,为癌症的治疗提供全新的方案。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突