蛋白质糖基化在肺癌发生发展中的作用

徐圣善，王志刚，卢珠明

根据2020年世界癌症报告，肺癌发病率居恶性肿瘤第二位（占总病例的11.7%），病死率居恶性肿瘤首位（占癌症死亡总数的18%）［1，2］，已成为一个迫切需要解决的全球性的公共卫生问题［3］。据统计，只有15%的肺癌病例在可在早期发现，大多数患者在被诊断为肺癌时已经发生了转移［4］。针对于肺癌的临床诊断，计算机断层扫描有较高的敏感度，但对早期肺癌诊断的特异性低；血清肿瘤标志物：癌胚抗原（CEA），神经元特异性烯醇化酶（NSE），糖类抗原125（CA125）及鳞状上皮细胞癌抗原（SCC）的敏感度较低，常不能作为肺癌早期诊断的有效工具［5］。因此，开发高敏感度和特异性的生物标志物，对于肺癌的早期诊断、预后评估及靶向治疗至关重要。

糖基化是发生在内质网和高尔基体中的一系列酶促反应，在身体中约50%～70%的蛋白质是糖基化的，在各种细胞活动中起着生长、转化及粘附的重要作用［6］。糖基化是蛋白质最常见和最复杂的翻译后修饰，糖链中寡糖残基的种类、数目以及糖苷键的位点差异等均可导致糖链的多样性［7］，糖基化修饰的改变也存在着多种机制，包括糖基转移酶和糖苷酶的表达水平变化及在分泌途径的定位变化、分子伴侣活性的提高以及代谢的变化［8］。有诸多研究中表明了异常的糖基化修饰与癌症的发生、进展及转移密切相关［9-12］。糖基化修饰可通过以下方式调控肿瘤微环境的基质成分：①通过促进生长因子受体的激活、调控细胞内激酶途径来触发持续的增殖信号［13，14］；②调节细胞信号转导途径，避免细胞程序性死亡［15］；③负向调节p53 和RB 基因，规避生长抑制［16-18］；④损害血管系统及基质屏障的完整性，促进上皮细胞向间质转化，导致肿瘤的侵袭及远处转移［19］；⑤招募循环淋巴细胞到外周淋巴结，调节多种炎症介质的活性，导致肿瘤的炎症［20］。糖基化已成为了研究人员探索肿瘤诊断的生物标志物的热点。本文就异常糖基化在肺癌中的发生进展的作用进行概述。

1 糖基化的类型及异常糖基化在肺癌的发生、发展和转移的重要作用

蛋白质糖基化被认为是恶性肿瘤和其他疾病的重要标志，已经发现糖基化通过多种复杂的糖基化信号通路确定肿瘤性质，不同的肿瘤表型与糖基化有关如凋亡、细胞迁移、酪氨酸激酶受体（RTK）信号、血管生成、基质酶活性、肿瘤细胞外基质的粘附等。

1.1 N-糖基化

N-糖基化是指糖链与蛋白质天冬氨酸上的氨基基团通过共价连接而形成的糖蛋白，参与了多个重要的生物过程，包括折叠蛋白质、将蛋白质定位于细胞内或外、参与细胞与细胞之间的相互作用。在癌症中，高度支化的N-聚糖是N-糖基化一种常见的结构改变。参与分支N-连接糖的合成并与癌症有关的糖基转移酶有β1，6-N-乙酰葡糖胺转移酶和β1，4-N-乙酰葡糖胺转移酶。β1，6-N-乙酰葡糖胺转移酶是一种由MGAT5 基因编码，可以催化天冬酰胺连接的寡糖分支结构形成的关键酶。一项对于肺癌的研究表明，β1，6-N-乙酰葡糖胺转移酶的表达水平下调与Ⅰ期非小细胞肺癌的预后不良有关，还发现了在转移酶高表达的非小细胞肺癌样本中增殖标志（Ki-67）的表达明显低于转移酶低表达的肿瘤，也间接印证了转移酶低表达水平组预后差的原因［21］。β1，4-N-乙酰葡糖胺转移酶可以减弱EGF 受体的信号传导，促进受体的内吞作用，并能在不同的细胞系中增加MAPK 信号的传递。MAPK 通路与细胞的增殖和凋亡密切相关，对肿瘤的进展起着至关重要的作用。

1.2 O-糖基化

O-GalNAc 修饰是发生在丝氨酸、苏氨酸羟基末端连接的乙酰氨基葡萄糖上的单糖基修饰，是细胞质和细胞核中最丰富的翻译后修饰之一［22］。它调节着重要的生物过程，包括细胞信号传导、蛋白质的磷酸化、降解与定位、基因转录、细胞增殖、代谢等，被科研工作者称为“营养传感器”［23-26］。有诸多研究证明了O-GalNAc 修饰与癌症的发生、进展有关，包括参与肿瘤细胞的增殖［13］、上调血管内皮生长因子A、影响基质的金属蛋白酶［27，28］，促进细胞的侵袭和转移［29］。

在快速生长的癌症中，为了满足肿瘤对能量需求和生物合成增加的需求，细胞的新陈代谢会发生明显改变，与正常组织相比，癌细胞热衷于消耗葡萄糖，并产生较高的乳酸水平。这种现象在许多恶性肿瘤中可被观察到，被称为“沃伯格效应”［30］。并且大量的葡萄糖不仅流入了有氧糖酵解，还增加了进入己糖胺生物合成途径的流量，最终产物是一种关键的代谢物-尿苷二磷酸，可增强O-GlcNAc 转移酶（OGT）的活性并增加O-GlcNAc修饰。OGT 调节了许多致癌基因和肿瘤抑制基因起着添加O-GlcNAc 修饰片段的作用［23，31］。研究表明在肺鳞癌组织中的O-GalNAc 修饰水平与OGT表达水平与邻近的正常组织相比明显升高［32］。进一步的研究说明了O-GlcNAc 修饰水平的变化通过缺氧诱导因子1/葡萄糖转运蛋白机制介导，在非小细胞肺癌细胞系中抑制OGT 会导致O-GalNAc修饰水平的下降，从而导致癌细胞的锚定依赖性生长和体外细胞侵袭能力的显著下降。这些结果表明了O-GalNA 修饰可能促进肺癌的发生。

糖酵解酶的O-GalNAc 修饰不仅能调节糖酵解，还可以使肺癌细胞的代谢状态发生改变。在人类非小细胞肺癌细胞系中，O-GlcNAc 糖基化通过阻断果糖-2，6-二磷酸与酶变构位点的结合以及干扰磷酸果糖激酶1（PFK1）亚基的低聚体化来抑制PFK1的活性，从而影响糖酵解途径通量［33，34］。在缺氧条件下，非小细胞肺癌细胞系中的PFK1 的糖基化以时间依赖的方式被触发，而在氧化应激条件下，PFK1 的O-GlcNAc 糖基化可将葡萄糖从糖酵解重新流向磷酸戊糖途径，产生大量的NADPH为细胞的各种合成反应提供还原力及在红细胞中保证谷胱甘肽的还原状态，防止活性氧的损害［35，36］。因此，PFK1 糖基化为癌细胞提供了一种选择性的生长优势，使其有能力迅速适应变化的需求。这项研究还表明，PFK1 糖基化发生在该酶的丝氨酸529 位点，阻断PFK1 在此处的糖基化，可以减少肺癌细胞在体内及体外的增殖。这种通过O-GlcNAc 糖基化调控代谢酶的机制成为了一种潜在的治疗癌症的方法。

1.3 粘蛋白

粘蛋白是在管腔上皮表面表达的大型糖蛋白，具有保护粘膜上皮的生物屏障功能。粘液蛋白家族由含有高比例脯氨酸、苏氨酸和丝氨酸的串联重复结构的蛋白质组成（构成PTS 结构域），分为分泌型或跨膜粘蛋白。跨膜粘蛋白可通过传递生长及生存信号维持上皮层的完整性，并且其作为上皮细胞压力反应的一个组成部分，有助于破坏极性和细胞与细胞之间的相互作用，从而使上皮细胞向间质转化［37］。

粘液蛋白1（MUC）1 是粘蛋白家族成员之一，它在非小细胞肺癌中高度表达［38］，也是STAT3 的一个下游靶点，可激活PI3K/AKT 通路［39］，调节肺癌细胞的生长和侵袭［40］。MUC1 已经成为一个用于开发肺癌疫苗的研究热点。TG4010 是一种靶向MUC1 抗原的治疗性疫苗，通过病毒载体修饰表达MUC1 和白细胞介素-2，诱导及增强细胞的免疫应答反应。在一项针对于进展期的非小细胞肺癌患者的随机、双盲、安慰剂对照的IIb 期试验中，发现在一线化疗的基础上加入TG4010 相比于一线化疗加安慰剂，显著改善了患者的无进展生存期［41］。

据估计85%～90%的肺癌是由吸烟引起的，并且罹患癌症的风险与吸烟程度有关。最近的一项研究表明将正常人类支气管上皮细胞暴露在香烟烟雾提取物中，会导致MUC1 的N 端产生变异的糖链［42］。随后，CSE诱导MUC1-N端脱落与MUC1-C端相互作用。研究得出，在香烟烟雾提取物的暴露下会导致上皮钙粘蛋白、细胞极性丧失和细胞连接的中断，这些都是上皮-间质转化的主要标志，也是癌变的重要特征。这些研究结果表明MUC1 的糖基化在肺癌发生中的潜在作用。

1.4 岩藻糖基化

岩藻糖基化是糖蛋白、糖脂寡糖修饰中最常见的修饰方式，包括N 聚糖、粘蛋白型O 糖以及直接与蛋白质丝/苏氨酸残基羟基上相连的岩藻糖，参与许多生物过程：淋巴细胞归巢、免疫反应、信号转导通路的修饰［43］。岩藻糖基化是由岩藻糖基转移酶（FUTs）家族催化的，由13 个成员组成，包括FUT1 至FUT11。

FUT8 是唯一负责α1，6-连接核心岩藻糖化的酶，是调节许多蛋白质功能的核心。在肺癌中异常的EGFR 通路活性是重要的致癌驱动因素，当EGF 受体缺少核心岩藻糖化，会使其配体的结合亲和力显著下降，并抑制相应的下游信号传导途径［44］。此外，FUT 8 的上调与非小细胞肺癌的转移密切相关。在肺癌细胞系中的沉默FUT8 的表达可显著抑制肿瘤在体外侵袭、增殖及体内的转移和生长［45］。一项研究表明，肺腺癌细胞系CL1-5相比于CL1-0 具有更高的侵袭能力，且CL1-5 具有更高的岩藻糖基化，它的Fut8 表达水平显著高于CL1-0，说明岩藻糖基化与肿瘤的侵袭力相关［46］。两项非小细胞肺癌患者的队列研究发现Fut8 表达水平与较短的无病生存期与总生存期有关［45，47］。这些结果表明，核心岩藻糖基化与肺癌增殖、侵袭、转移以及疾病预后密切相关。靶向肿瘤中Fut8 可能成为治疗肺癌的新策略。

2 糖基化在肺癌的临床应用

2.1 糖基化蛋白作为肺癌早期诊断的生物标志物

目前，检测血液中的糖蛋白已用于早期诊断癌症的生物标记物。众所周知的肝癌标志物甲胎蛋白、前列腺癌的前列腺特异性抗原和甲状腺癌的甲状腺球蛋白都是硅藻酸化的糖蛋白。此外，CEA 用于跟踪结直肠癌的治疗效果，CA125 广泛用于卵巢癌的筛查，NSE、IDH1 和CA125 被用于诊断肺癌。然而，它们在早期检测肺癌中灵敏度和特异度较差。有研究表明，与正常组织相比，肿瘤组织中糖基转移酶（GnTs）的高表达可激活细胞外膜上的受体酪氨酸激酶，促进ERK 细胞内信号转导途径，从而促进肿瘤细胞的生长和转移。可以通过固相化学酶法及质谱破碎技术可以提高糖蛋白的鉴定通量、覆盖深度和鉴定部位的准确性，从而将这些糖蛋白作为肺癌诊断的生物标志物［49］。

2.2 糖基化在肺癌的治疗应用

糖类结合物是新一代的治疗性生物标志物，蛋白质的糖类形式可以提供更多的预测性信息。目前基于聚糖的治疗方法包括免疫治疗、基于抗体的治疗、聚糖模拟物和纳米载体［49］。最新的研究进展阐述了一种针对于癌症的新型的靶向治疗方式：糖基化机制的小分子抑制剂，有着较容易被各种类型的细胞吸收的优点，它的作用机制是干扰前体的代谢或干扰细胞内的活动。几项基于糖基化抑制剂的临床试验也正在进行：①半乳糖凝集素抑制剂GR-MD-02 与帕博利珠单抗联合使用应用于非小细胞肺癌的治疗。②岩藻糖基化抑制剂SGN-2FF 应用于肺鳞状细胞癌的治疗［50］。糖基特异性靶向蛋白纳米颗粒可以限制脱靶效应，增强抗肿瘤的特异性。

3 小 结

开发有效的早期诊断、探索更多的靶向治疗方案是克服癌症的关键。糖基化的任何微小修改都可能影响细胞表面受体的定位和稳定性及其对信号分子的敏感性，影响细胞功能，这可能支持肿瘤的生长和转移，影响免疫反应，此外有多项研究表明异常糖基化是肿瘤发生发展的关键驱动因素，参与肿瘤增殖、侵袭及转移。特定的糖结构在肿瘤细胞中特异性表达，例如Tn 和T 抗原、超岩藻糖化。深入的研究使得探寻糖的模式及结构变化去挖掘有价值的癌症生物标志物成为了可能［51］。然而，目前针对于糖基化的研究处于基础阶段，仍然存在着一些挑战：如何确定糖基转移酶的表达模式和水平、识别特定部位的糖结构及检测其在蛋白质中的丰度等；此外，由于多个糖基转移酶的异构体可以编码一个糖基位点，确定它对生物分子机构和功能的影响也十分困难。总之，糖基化为个体化的综合治疗提供了新的策略，希望在抗癌斗争中通过对异常糖基化的进一步研究，开发行之有效的诊断、预后和治疗靶点，为肿瘤患者带来曙光。