吡咯啉-5-羧酸还原酶-1在肿瘤中的作用及机制研究进展

周波蓉 宋雅楠 综述 夏伟 审校

脯氨酸是人体的非必需氨基酸,但在肿瘤生长中起到重要作用。吡咯啉-5-羧酸还原酶-1(Pyrroline-5-Carboxylate Reductase-1,PYCR1)是谷氨酸合成脯氨酸途径的关键酶[1],与至少22种不同的癌症类型有关,是所有脯氨酸代谢酶中与癌症关系最密切的蛋白质[2]。近年来越来越多的研究发现PYCR1在肿瘤中高表达,与多种信号通路有关,参与肿瘤细胞能量代谢和信号传递[3],促进肿瘤细胞的增殖、迁移和侵袭[4],抑制细胞凋亡,改变肿瘤微环境等,涉及的分子机制复杂。本文将从PYCR1在肿瘤能量代谢、信号转导和遗传修饰等方面的具体机制,以及PYCR1在临床预后及化疗耐药方面的意义阐述PYCR1在肿瘤中的作用,为PYCR1成为肿瘤分子标志物提供更多的理论和实验依据。

1 PYCR1在肿瘤中的作用机制

1.1 PYCR1与能量代谢

PYCR1在线粒体内参与脯氨酸循环,通过影响胞质氨基腺嘌呤二核苷酸磷酸盐(Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADP+)水平,将脯氨酸代谢与磷酸戊糖途径和核苷酸生物合成联系起来[5]。Bonnay等[6]发现PYCR1通过线粒体膜融合介导的氧化磷酸化,增加NADH/NAD+代谢以促使肿瘤永生化。Liu等[7]发现脯氨酸生物合成可上调糖酵解,促进肿瘤细胞生长,敲低PYCR1可下调NAD+和NADH水平。Westbrook等[8]研究表明肿瘤细胞能够通过PYCR1表达内源性脯氨酸,并通过生成NAD+促进三羧酸循环(Tricarboxylic acid cycle,TCA),减少乳酸盐的产生,从而维持肿瘤细胞活性;而PYCR1敲除会导致细胞死亡和肿瘤生长抑制。同样,骨髓瘤细胞在低氧环境下也能刺激谷氨酰胺转化为脯氨酸,而PYCR1小分子抑制剂pargyline处理可以减少脯氨酸的产生[9]。另外,PYCR1催化脯氨酸生物合成增加能够缓解TCA循环中碳氧化升高导致的代谢还原电位的过度积累和活性氧(Reactive oxygen species,ROS)的产生[10],从而维持氧化还原信号以促进癌细胞存活和增殖。以上研究表明,PYCR1对肿瘤细胞能量代谢的作用多是通过NADH/NAD+代谢发挥作用。

1.2 PYCR1与信号转导

PYCR1在肿瘤细胞中的高表达,不仅通过能量代谢维持细胞增殖,还通过调控信号通路促进肿瘤细胞增殖、侵袭和迁移,抑制肿瘤细胞凋亡。PYCR1参与的信号通路主要有Akt通路、JAK通路和STAT通路等。Zhang等[11]研究发现PYCR1敲减组凋亡相关标记物在肝癌细胞中持续上调,且PI3K、Akt和mTOR蛋白的磷酸化水平显著低于对照组,结果提示紫草素通过下调PYCR1的表达,抑制PI3K/Akt/mTor途径,从而诱导肝癌细胞凋亡和自噬。Guo等[12]也发现敲除PYCR1基因可以抑制Akt通路的激活进而诱导肝癌细胞凋亡和自噬。同样,Xiao等[13]通过GEPIA数据库发现胃癌中PYCR1 mRNA表达与PIK3CB和AKT1 mRNA表达呈正相关。Du等[14]发现膀胱癌细胞PYCR1基因敲除降低了Akt的磷酸化水平,增强了Wnt/β-catenin信号的激活。另外,Cheng等[15]研究表明RAC3能够激活PYCR1/JAK/STAT信号通路,也能促进膀胱癌细胞增殖、侵袭和迁移。敲低PYCR1后Bcl-2和c-Myc的表达以及JAK2和STAT3的磷酸化水平显著升高,说明PYCR1可能通过JAK/STAT信号通路促进肺腺癌细胞生长[4]。Yan等[16]研究表明,敲除PYCR1能够通过STAT3抑制p38-MAPK和NF-κB信号的激活,抑制结直肠癌细胞增殖。另外,Wei等[17]通过GSEA分析揭示了与PYCR1高表达相关的通路,包括IL-6-JAK-STAT3信号通路、mTORC1信号通路、myc-靶向-v2通路和p53通路,这些通路主要与肿瘤细胞的增殖、侵袭和免疫微环境相关。PYCR1影响的信号通路多与磷酸化有关,能够促使肿瘤细胞内某些蛋白质的磷酸化水平降低,这可能与PYCR1参与氧化还原平衡有关,但具体的作用机制以及与各通路之间的联系有待进一步研究。

1.3 PYCR1与遗传修饰

表观遗传学修饰与肿瘤的发生密切相关。DNA超甲基化可通过限制生物合成途径的成分来调节代谢物水平,而脯氨酸水平的降低与PYCR1的甲基化有关[18]。研究表明,PYCR1在肠型胃癌中高表达的表观遗传学机制可能是PYCR1基因启动子内CpG位点低甲基化和p300诱导H3K27ac修饰的协同作用[19]。Song等[20]研究发现USP18/FTO/PYCR1轴可促进膀胱癌的发生发展,其原理是泛素特异肽酶18(Ubiquitin specific peptidase 18,USP18)在蛋白水平上促进脂肪质量与肥胖相关蛋白(Fat-mass and obesity associated protein,FTO)的稳定性,而FTO又能通过其去甲基酶活性降低PYCR1中N6-甲基腺苷甲基化水平,从而最终稳定了PYCR1转录,促进了膀胱癌的发生发展。另外,Chen等[21]研究发现SIRT3和CBP通过调节PYCR1的乙酰化/去乙酰化参与了脯氨酸代谢的调节,并通过靶向PYCR1的K228位点影响肿瘤细胞的生长。癌细胞通过基因调控影响PYCR1遗传修饰,特别是降低PYCR1甲基化,这也是导致肿瘤细胞中PYCR1表达增高的原因之一。

1.4 PYCR1与细胞外基质

脯氨酸的生物合成对细胞外力学环境有很大的影响,因为脯氨酸是胶原蛋白的主要组成成分之一[22],在营养丰富的时候,脯氨酸储存在胶原蛋白中,参与构成细胞外基质[23]。胶原蛋白沉积增加,导致细胞外基质硬化,促进肿瘤迁移,而胶原蛋白在肿瘤微环境中又可通过金属蛋白酶和胶原酶的活性降解生成游离脯氨酸反过来被细胞吸收,用于蛋白质合成/胶原蛋白生物合成,导致表观遗传重塑[2]。Kindlin-2是一种广泛表达和进化保守的蛋白,对整合素介导的细胞外基质黏附和信号转导至关重要。细胞外基质硬化通过整合素信号途径促进Pinch-1的表达,从而抑制动力蛋白相关蛋白1(Dynamin-related protein 1,DRP1)的表达和线粒体的分裂[22],导致Kindlin-2移位到线粒体并与PYCR1相互作用,形成Kindlin-2-PYCR1复合体,从而促进脯氨酸合成和细胞增殖[9]。此外,PYCR1可与Lon蛋白酶相互作用产生ROS,通过p38-NF-κB通路诱导炎性因子产生,从而改变细胞外基质,诱导细胞侵袭以及上皮间充质转化(Epithelial-mesenchymal transition,EMT)[24]。所以癌细胞不仅能通过直接调控PYCR1促进自身增殖,还能够通过控制蛋白质合成效率,改变肿瘤微环境促进转移。

2 PYCR1的潜在临床意义

2.1 PYCR1与临床预后

PYCR1作为促癌基因,能够促进肿瘤细胞的生长和侵袭,在多种肿瘤中高度表达,与临床肿瘤患者预后不良密切相关。肝细胞癌组织中PYCR1的表达显著高于癌旁组织,且与较高的临床分期(Ⅲ和Ⅳ期)有关[25]。PYCR1在胰腺导管腺癌中也高表达,PYCR1高表达患者总体生存率低[26]。Xiao等[19]研究发现,从非萎缩性胃炎到胃上皮内瘤变再到胃癌,组织中PYCR1的含量逐步增高,表明PYCR1表达增加可能导致肠型胃癌多步进展。Wei等[17]研究发现在肾细胞癌谷氨酰胺代谢基因中,PYCR1是免疫肿瘤微环境最强的调节因子,且ROC曲线发现PYCR1作为预测因子的曲线下面积为0.742,说明PYCR1有作为独立预后因素的潜力。Liu等[27]从12个途径的606个糖代谢相关基因中筛选出18个靶基因,这些基因的表达与启动子甲基化强度与膀胱患者的生存显著相关,其中包括PYCR1,且PYCR1的表达与膀胱癌患者的肿瘤分期密切相关。上述研究证明PYCR1与肿瘤进展及转移有关,有望成为肿瘤诊断及预后评估的新的生物标志物。

2.2 PYCR1与化疗耐药

研究发现,PYCR1能够增强肺腺癌、胃癌和乳腺癌等肿瘤的抗药性。She等[28]研究发现PYCR1沉默增加了肺腺癌细胞对顺铂的敏感性。Shenoy等[29]在研究乳腺癌新辅助化疗蛋白组学时发现,与预后不良有关的模式中的主要相关基因是参与脯氨酸代谢的PYCR1和ALDH18A1,且高表达PYCR1的患者呈现更短的无复发生存期,而PYCR1敲除能够增强紫衫醇和阿霉素对激素阳性乳腺癌细胞的药物毒性,表明高水平PYCR1与治疗抵抗和预后不良有关。Liu等[30]在胃癌曲妥珠单抗耐药的蛋白组学分析中发现,脯氨酸合成相关蛋白PYCR1/2显著上调。PYCR1高表达促进了肾癌细胞对环丙胺、IC-87114和MK-2206等药物的耐药性[31],降低结直肠癌对5-FU的敏感性[32]。PYCR1 mRNA的表达在骨髓瘤进展过程中增加,复发/难治性样本表达的PYCR1水平高于首次诊断时从相同患者分离的样本,且与总生存期缩短显著相关(P=0.017),其可能与PYCR1通过抑制PRAS40介导的蛋白质合成降低多发性骨髓瘤细胞对硼替佐米敏感性有关[9]。细胞及组学分析发现PYCR1与化疗耐药密切相关,有可能改善临床化疗耐药的现象,之后需要通过一系列体内外实验验证这一作用,以更好地应用于临床。

3 PYCR1抑制剂对肿瘤的影响

由于脯氨酸循环及PYCR1在肿瘤中起重要作用,靶向PYCR1抑制剂的开发越来越受到关注。Milne等[33]发现降压药帕吉林是一种PYCR1的小分子抑制剂。Westbrook等[8]以帕吉林作为PYCR1抑制剂进行研究,发现帕吉林可降低骨髓瘤细胞的活力和增殖,并增加细胞凋亡。Christensen等[34]发现N-甲酰l-脯氨酸(N-formyl l-proline,NFLP)与P5C竞争性结合PYCR1,改变PYCR1构象,是第一个经过验证的PYCR1化学探针。Forlani等[35]发现苯基取代的氨基亚甲基-双膦酸盐也能抑制P5C还原酶,并对脯氨酸高产肿瘤细胞具有抗增殖活性。越来越多的研究发现PYCR1抑制剂能有效抑制肿瘤生长,但都局限于细胞水平,未来需要更多的实验探索其在体内的抑瘤作用,为临床治疗癌症提供更多的研究基础。

4 小结与展望

越来越多的研究证明PYCR1是促癌基因,在多种肿瘤中高表达,通过调控多种信号通路,促进肿瘤细胞增殖、侵袭及迁移,参与影响肿瘤能量代谢及肿瘤微环境的改变。其作用的分子机制主要是通过NADH/NAD+代谢参与线粒体介导的氧化磷酸化和ROS生成,以及胶原蛋白相关的细胞外基质改变。临床研究中,高表达PYCR1的肿瘤患者表现出高转移率、低生存率和化疗耐药等预后不良。多种研究表明PYCR1在肿瘤中有着重要作用,证明了PYCR1可以作为肿瘤诊断、预后和治疗的潜在的生物标志物,为临床诊断和治疗肿瘤提供重要理论支持和新方法。