VPRBP 蛋白与Abl 激酶诱发、抑制前列腺癌的一种物理机制

赵新军, 李 循, 王书恒, 李九智

(1.伊犁师范大学 物理科学与技术学院 新疆凝聚态相变与微结构实验室， 伊宁 835000; 2. 伊犁师范大学微纳电传感器技术与仿生器械实验室， 伊宁 835000; 3. 新疆维吾尔自治区人民医院 泌尿外科， 乌鲁木齐 830000)

1 引 言

前列腺癌(PCa)是男性最常见的肿瘤之一，占男性癌症死亡率的 6.6%[1-5]. 在许多患者中，PCa 是惰性的且生长缓慢. PCa 的诊断治疗面临的挑战是确定那些不太可能出现显著进展的患者，同时为有风险的患者提供根本性治疗. 广泛的基因组分析为原发性和转移性 PCa 发病过程中常见的基因组改变提供了重要的借鉴[4-9]. 研究发现，PCa 基因组显示出高频率的复发性大规模染色体重排，例如 TMPRSS2-ERG[10]. 另外，广泛的拷贝数改变(CNA) 在 PCa 中也很常见，但与其他癌症相比，原发性 PCa 中的点突变相对较少[6,11]. 其中一个重要而复杂因素是，大约 80% 的 PCa 是多病灶性的，并且具有多个空间和通常形态上不同的肿瘤病灶[12,13]. 最近研究表明，大多数在形貌上不同的肿瘤病灶似乎是独立出现的，并且驱动基因改变很少或没有重叠[14-16]. 因此，为了对 PCa 的生化状态进行更多的功能评估，有必要全面编目癌症特异性基因组、转录组和蛋白质组改变[17-19]. 虽然迄今为止已经分析了数百个 PCa 基因组和转录组[20]，但仍然对 PCa 蛋白质组知之甚少，缺乏对 PCa 发生发展过程中基因组变化和蛋白质水平的了解，尤其是肿瘤分级、肿瘤进展和多层分子网络变化之间的复杂关系在很大程度上仍然难以分辨[17-19].

雄激素受体(AR)是 PCa 起始和进展的主要驱动因素，目前，应用抗雄激素疗法治疗 PCa 是一种有较为效的治疗方案，在使用该疗法治疗期间，PCa 通常会从雄激素依赖阶段发展到去势抵抗阶段，但在大多数情况下，AR 介导的转录激活始终保持活跃[20-22]. 因此，全面了解前列腺癌发生过程中的 AR 信号传导机制有助于开发对抗该疾病的新策略. Poulose 等人[23]的最新研究发现，AR 的调节因子 VPRBP(Vpr 结合蛋白)的转录水平受 AR 调节，在人体组织样本中，VPRBP 蛋白表达与 AR 扩增和不良预后相关. VPRBP，也称为 DCAF1(DDB1 和 CUL4 相关因子1)，它被认为是细胞周期和细胞增殖过程中一重要的调节因子. Poulose 等人[23]的研究还发现，PCa 细胞中的 VPRBP 通过在 AR 和 OGT 的影响下抑制 p53 活性来促进前列腺癌细胞增殖.

Abl激酶(Abelson激酶)家族在各种白血病中作为原癌基因发挥作用，并具有促肿瘤功能[24]，尽管如此，但越来越多的证据表明 Abl 激酶可以在多种癌症中发挥抑制恶性行为的作用[25-27]. Marchal 等人[28]的研究发现，Abl 激酶缺失显著增强了去势抵抗性前列腺癌(CRPC)的进展和转移，这对应于 AKT 蛋白信号传导和 3D 基质上肿瘤细胞生长的上调，以及肿瘤细胞运动性的增加. Marchal 等人[28]的研究结果揭示了 Abl 抑制肿瘤进展的新机制，并支持在 PTEN蛋白缺陷、AR 无关的 mCRPC(转移性去势抵抗性前列腺癌)中靶向 AKT 蛋白信号传导的基本原理. 由于 PTEN 缺陷导致 PI3K/AKT 信号过度激活可以促进 mCRPC 的发展[29,30]，这在机制上与 AR 和 PI3K/AKT 信号通路之间的相互抑制有关[31-33]. 新的研究普遍认为：PI3K/AKT 和 AR 信号通路相互抑制，单独对任一通路的治疗抑制导致另一通路的代偿性激活[34,35].

Poulose 与 Marchal 等人[23,28]实验结果，虽然分别确认了VPRBP 与 Abl 通过各自信号通路诱发、抑制前列腺癌的作用，但是，在 PCa 发生发展过程中，VPRBP 与 Abl 如何通过怎样互联的通路信号网络，诱发和抑制 PCa，仍然是不清楚的，需要进一步研究探索. 鉴于文献[23,28]中新颖而重要的实验结果，在本文中，将建立互联的通路信号网络动力学理论模型，研究在 PCa 进展过程中， VPRBP 与 Abl 诱发、抑制前列腺癌的调控作用. 进一步深刻揭示 VPRBP 蛋白与Abl 激酶诱发、抑制 PCa 的物理机制特性，为设计阻断 PCa 通路的治疗方案提供理论依据.

2 理论模型

VPRBP 与Abl诱发、抑制前列腺癌细胞周期过程中，ATM(共济失调毛细血管扩张症突变)和 ATR(ATM 和 Rad3 相关)激酶是最上游的 DNA 损伤反应信号成分，激活肿瘤抑制蛋白 p53，并抑制 Plk1 活性[36,37]. 在抑制癌细胞增殖过程中，MDM2 蛋白通过抑制 p53 的反式激活抑制 p53 表达，而 PTEN 则抑制 AKT 激活[38]. AKT 通过 MDM2 调节 p53 的表达水平诱导细胞凋亡，即形成 AKT-MDM2-p53-PTEN 信号回路，在此通路中，VPRBP 诱导 MDM2 表达上调，Abl 抑制 AKT 表达. 因此，在 PCa 进展过程中，VPRBP 与 Abl 诱发、抑制前列腺癌的物理模型如图 1 所示为

在理论模型中，ATM 和 ATR 统一标记为 [ATM(t)]，基于 Hill 动力学与 Michaelis-Menten 方程[39, 40]，可以获得各组分相对浓度随时间演化的动力学方程组为：

-kDm[DNADam(t)][Plk1(t)]

(1)

(2)

(3)

(4)

dMDM2R[MDM2R(t)]

(5)

(6)

(7)

(8)

以上方程组中，我们可以通过考察模型对参数(如表1所示)变化的敏感性，检测参数设置的合理性.

3 结果与讨论

在细胞周期过程中，DNA 损伤诱发致癌、抑癌信号通路激活，致使各种致癌、抑癌因子做出应激反应，不同的 DNA 损伤程度，会在不同程度上激活应激反应信号. 为了考察 DNA 损伤诱发的应激信号激活，可以首先考察不同 DNA 损伤(不同[DNADam(0)])条件下，[ATM] 与 [AKT] 随时间演化的动力学关系.

图2 不同[DNADam(0)]条件下， [ATM]、[AKT]随时间演化的动力学关系.Fig.2 Temporal evolutions of the levels of [ATM] and[p53] at different [DNADam(0)].

图2 呈现了在不同 DNA 损伤(不同 [DNADam(0)])程度条件下，[ATM]与[p53] 随时间演化的动力学关系. 作为 DNA 损伤信号响应，图 2 左图中 ATM 呈现了脉冲式激活信号，瞬间的 DNA 损伤使得 ATM 很快激活，之后表达幅度迅速下调，而后趋于稳定值不变. 由此表明，在细胞周期过程中出现的 DNA 损伤会立即被 ATM 发觉，并启动应激处理. 通过激活上调 p53， DNA 损伤的后续破坏会在很大程度上通过 p53 表达上调而被抑制. 作为 ATM 信号的快速响应，图 2 右图中 p53 一开始呈现了较大幅度的应激上调，以便很快抑制 DNA 损伤，之后稳定的周期性表达表明了 DNA 损伤已被抑制修复，细胞周期恢复到正常. 由此可见，针对在细胞周期过程中出现的 DNA 损伤，通过 ATM 信号，p53 在抑制 DNA 损伤变异进而抑制肿瘤的发生发展过程中起着极其重要的作用，因此 p53 表达异常很可能诱发肿瘤的发生发展.

表1 模型中的参数取值

Poulose 等人[23]发现，在 VPRBP 蛋白通过调节 MDM2 促进前列腺癌的发生发展，MDM2 则会在一定程度上抑制 p53 表达水平，从而致使前列腺癌的发生发展.

图3 不同 [VPRBP] 条件下，[p53] 随时间演化的动力学关系.Fig.3 Temporal evolutions of the levels of [p53] at different [VPRBP].

图3 显示了不同 [VPRBP] 条件下，[p53] 随时间演化的动力学关系. 从图 3 可以看出，较大的 [VPRBP] 使得 p53 周期表达变为阻尼振荡模式，应激反应幅度减弱，之后趋于较低表达值. 由此表明了 VPRBP 通过上调 MDM2，使得 p53 表达水平异常，进而无法正常抑制 DNA 损伤诱发的肿瘤进展，因此可以得出，VPRBP 蛋白的高表达会使得 p53 功能受阻，从而诱发前列腺癌的发生发展.

VPRBP 影响 p53 表达从而诱发前列腺癌，这是前列腺癌致癌的一种可能的因素. 另外，代谢的紊乱也是肿瘤的标志之一，肿瘤患者往往表现出疲倦困乏，Marchal 等人[28]的研究发现，Abl 可抑制 AKT 表达水平，由此可以推断，Abl 可通过影响 AKT 信号通路使得代谢出现紊乱 (例如，细胞中的糖原代谢)，进而促进前列腺癌的发生发展，AKT 信号通路(例如，PI3K-AKT-mTOR-S6K 信号通路)[38]，一直被认为是代谢过程中重要而又复杂的代谢途径，除了影响代谢，AKT 信号通路也会对 p53 信号产生重要影响，进而诱发肿瘤的发生发展.

图4 不同 [Abl] 条件下，[AKT]、[p53] 随时间演化的动力学关系.Fig. 4 Temporal evolutions of the levels of [AKT] and [p53] at different [Abl].

图4 呈现了不同 [Abl] 条件下，[AKT]、[p53] 随时间演化的动力学关系. 从图 4 左图可以看出，AKT 被 Abl 抑制，较大浓度的 Abl 使得 AKT 的表达水平下调，由于 Abl 对 AKT 的抑制作用，致使在 AKT 信号通路(AKT-MDM2-p53-PTEN回路)中抑制 MDM2 表达水平，进而下调 p53 表达. 图 4 左图中呈现了 Abl 相对浓度的减少使得 p53 周期表达幅度随时间演化逐渐减弱. 由此表明，Abl 通过调控 AKT-MDM2-p53-PTEN 信号通路中 AKT 的表达，会促使 p53 处于合理的表达水平，过少的 Abl 对 AKT 的抑制程度减弱，不仅使得细胞代谢出现紊乱[38]，而且还会促使 p53 正常的周期表达水平异常，对 DNA 损伤诱发的肿瘤抑制性减弱，进而促进前列腺癌的发生发展.

图 5 敏感参数(Parameter Sensitivity)分布.Fig.5 Parameter sensitivity analysis.

图 5 显示了对模型中部分参数敏感性分布，从图中可以看出，kp53、kMp、kMDM2导致 p53、Plk1 信号发生显著变化，kp53直接控制着 p53 的合成速率，kMp、kMDM2相应地通过控制着 MDM2 的合成，进一步影响 p53、Plk1 的合成与表达水平. 其他调节器要么对参数变化不太敏感(例如 MDM2)，要么表现相似分布特性(例如 PTEN). 此外，p53 对kVP和kAA也表现出相当的扰动敏感(图 5 左图). 因此，可以预期 VPRBP 与 Abl 作为诱发、抑制前列腺癌的调节剂对现有和潜在的抗癌治疗较为敏感，这表明 VPRBP 与 Abl 作为诱发、抑制前列腺癌过程中的重要因素，在一定程度上通过影响 p53 蛋白功能，改变对 DNA 损伤诱发的肿瘤的抑制性，这一分析结果可用于预测旨在阻断前列腺癌细胞周期进程的潜在治疗效果.

VPRBP 与 Abl 作为诱发、抑制前列腺癌的机制，是一个多步骤的过程，具有许多中间物种，例如，中间存在 p53 与 Plk1 的复合物以及磷酸化等[43]，这种多步机制在 VPRBP 蛋白与 Abl 激酶作为诱发、抑制前列腺癌的信号通路会产生时滞性.

图6 不同时间延迟条件下，[p53]、[Plk1]、[AKT]与 [PTEN] 随时间的演化.Fig. 6 Temporal evolutions of the levels of [p53],[Plk1],[AKT] and [PTEN] at different time delays.

图6 呈现了在不同时滞条件下，[p53]、[Plk1] 、[AKT] 与 [PTEN] 随时间演化的周期特性. 从图 6 可以看出，[p53] 与 [Plk1] 随时间的演化一开始呈现了较强的波动演化，随着时间的进一步演化，显示了较为稳定的周期演化振荡特性，[AKT] 与 [PTEN] 呈现出了较大的增长幅度后趋于稳定不变. 比较图中不同时滞τ，可以发现，随着τ的增大，[p53] 与 [PTEN] 随时间演化一开始都呈现了较大的幅值，[AKT] 呈现了较小的幅值，之后趋于正常. [Plk1] 则由于时间延迟，改变了周期振荡相位，振幅略微增加. 这是由于，VPRBP与 Abl 作为诱发、抑制前列腺癌的信号通路中，由于各种基因、蛋白激活合成的时滞性，导致信号通路中 [p53] 与 [PTEN] 蓄积量增多，减弱了 [AKT] 表达幅. [Plk1] 随时间演化的相位推移，表明了在 VPRBP 与 Abl 诱发、抑制前列腺癌的过程中，[Plk1] 自身生化反应在时间上的长期关联性，这种关联性受到其过去中间物(p53 与 Plk1 的复合物以及磷酸化等)的影响，出现了时滞效应，产生额外的周期振荡相位修正. 由此表明，时间延迟可以在一定程度上影响VPRBP 与 Abl 诱发、抑制前列腺癌系统的动力学，并且还可能调控动力学系统的稳定性. 在VPRBP 与 Abl 诱发、抑制前列腺癌的进程中，系统中的转录、翻译与翻译后步骤导致的时滞性，会导致功能调节蛋白的表达上调，在一定程度上抑制前列腺癌的发生发展[27,28].

4 结 语

在本文中，基于Hill 动力学与 Michaelis-Menten 方程，建立理论模型研究 VPRBP 与 Abl 诱发、抑制前列腺癌的一种物理机制. 研究发现，瞬间的 DNA 损伤使得 ATM 很快激活，并启动激活上调 p53，DNA 损伤的后续破坏会在很大程度上通过 p53 表达上调而被抑制. VPRBP 通过上调 MDM2，使得 p53 表达水平异常，进而无法正常抑制 DNA 损伤诱发的肿瘤进展，因此可以得出，VPRBP 蛋白的高表达会使得 p53 蛋白功能受阻，从而诱发前列腺癌的发生发展. AKT 信号通路(例如，PI3K-AKT-mTOR-S6K信号通路)，作为一种重要而又复杂的代谢途径，除了调控糖类代谢外，也会对 p53 表达产生重要影响，进而诱发各种肿瘤的发生发展[38]. 通过考察 Abl 在前列腺癌进程中的作用发现，Abl 使得 AKT 的表达水平下调，由于 Abl 对 AKT 的抑制作用，致使在 AKT 信号通路中抑制 MDM2 表达水平，进而稳定 p53 表达. 由此表明，Abl 通过抑制 AKT 的表达，促使 p53 处于合理的表达水平，过少的 Abl 对 AKT 的抑制程度减弱，不仅使得细胞代谢出现紊乱，而且还会促使 p53 正常的周期表达水平异常，对 DNA 损伤诱发的肿瘤抑制性减弱，进而促进前列腺癌的发生发展. 我们的理论模型结果符合实验观测[23,28]，揭示了 VPRBP 与Abl 诱发、抑制前列腺癌的一种物理机制. 通过分析参数敏感性，确定了模型解释 VPRBP 与 Abl 诱发、抑制前列腺癌的参数范围，预测了 VPRBP 蛋白与 Abl 激酶作为诱发、抑制前列腺癌的调节剂对现有和潜在的抗癌治疗较为敏感. VPRBP与 Abl 作为诱发、抑制前列腺癌的过程中，由于各种基因、蛋白激活合成的时滞，导致信号通路中 [p53]、[Plk1] 与 [PTEN] 蓄积量增多抑制 [AKT] 表达，以及 [PTEN] 周期振荡相位转移，可用于预测旨在阻断前列腺癌细胞周期进程的潜在治疗的效果.

本文只考虑 VPRBP 与Abl 诱发、抑制前列腺癌的作用机制，事实上，另外，OGT (O-GlcNAc 转移酶)，在 PCa 发生发展过程中，催化 UDP-N-乙酰氨基葡萄糖(UDP-GlcNAc) 共价添加到丝氨酸和苏氨酸残基蛋白质，其表达通常在 PCa 中上调[43,44]，已知的研究[45,46]表明，VPRBP 对这些过程至关重要，至于 VPRBP 对 T 细胞生长和细胞周期进入的基本过程是如何调节的知之甚少. 因此，诱发、抑制前列腺癌的多样化的致癌、抑癌因素仍需要进一步探索研究. 本文结果进一步揭示了VPRBP 与 Abl 诱发、抑制前列腺癌的进程中的一种调控作用机制，可为设计阻断前列腺癌的通路治疗方案提供理论依据.