PDZ结合激酶/T淋巴细胞因子激活的杀伤细胞源性蛋白激酶的作用机制及其在肿瘤治疗中的潜在价值

武锐锋,刘宇宏

(延安大学附属医院 风湿免疫科,陕西 延安 716000)

PDZ结合激酶/T淋巴细胞因子激活的杀伤细胞源性蛋白激酶被认为是丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)中的一种有丝分裂激酶,参与调节细胞存活、增殖、生长、凋亡,炎症[1-4]。由细胞周期蛋白依赖性激酶1(cyclin-dependent kinases 1,cdk1)/细胞周期蛋白B(cyclinB)复合物激活,通过胞质分裂调控蛋白(Protein regulation cytokiness 1,PRC1)的磷酸化促进胞质分裂[5]。PBK/TOPK是一种致癌基因,在许多肿瘤中高表达,通过不同作用机制参与肿瘤的发生和发展。PBK/TOPK不仅在各种活跃的恶性增殖的组织中表达,也在少许正常组织中表达,包括睾丸、胎盘、成人室管膜下区及胎儿出生后小脑外颗粒细胞层的GFAP阳性神经祖细胞[6]。此前,Han等[7]结果显示,PBK/TOPK也在心肌、肾脏及脑等缺血组织中发挥重要作用,参与缺血和缺血后适应的保护。本综述旨在通过阐明PBK/TOPK在各种恶性肿瘤中发挥的作用,为开发新型抗肿瘤药物提供作用靶点。

1 PBK/TOPK参与有丝分裂

PBK/TOPK在有丝分裂中起关键作用。PBK/TOPK的表达在有丝分裂期间上调,其在Thr9位点被结合并磷酸化,并被cdk1/cyclin B复合物激活[8]。在精子发生过程中,有丝分裂和减数分裂期间PBK/TOPK在Thr 9处均被磷酸化[9]。在细胞周期中,PBK/TOPK的表达与cdk1密切相关,活化的cdk1/cyclinB1复合物使PP1a发生磷酸化而失活,失活的PP1a使有丝分裂早期的PBK/TOPK自身磷酸化增强,从而促进胞质分裂[10]。PBK/TOPK可通过其C端谷氨酸-天冬氨酸重复序列与PRC1结合,促进T481位点PRC1的磷酸化,从而增加cdk1/cyclinB对PRC1的磷酸化水平,最终促进细胞分裂[5]。在有丝分裂早期,PBK/TOPK的活性达到峰值,此时,其通过PDZ结合域与有丝分裂的C2H2锌指蛋白结合并磷酸化,促进Ser10处的组蛋白H3的磷酸化使染色质凝聚[11],具有FHA和RING结构域的检查点蛋白(Check point protein with FHA and RING domains,CHFR)泛素化并调节的PBK/TOPK导致PTEN磷酸化和失活,从而诱导AKT的激活,对G2到M期的过程发挥重要作用[12]。以上研究发现,PBK/TOPK是促进有丝分裂进展的重要物质,有望成为肿瘤治疗的关键靶点。

2 PBK/TOPK参与DNA损伤、炎症、自噬

PBK/TOPK参与DNA损伤,在DNA损伤感知和修复中发挥作用。PBK/TOPK作为p38生长因子激活的介质,在DNA损伤感应机制中发挥作用,促进γ-H2AX的生成,γ-H2AX负责招募DNA损伤反应蛋白到损伤部位,促进修复[13]。然而,PBK/TOPK激活DNA损伤修复机制的功能可能为肿瘤细胞提供更有效的修复反应,从而促进肿瘤的生长。据报道[1],PBK/TOPK也参与炎症,PBK/TOPK可通过磷酸化磷酸酶MKP1来保护机体免受紫外线诱导的炎症反应。此外,与对照细胞相比,在PBK/TOPK缺失细胞中,脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)诱导的诱导型一氧化氮合酶(Inducible nitric oxide synthase,iNOS)表达减少,而iNOS是通过LPS/Toll样受体4(Toll-like receptor4,TLR4)诱导的信号级联通路激活PBK/TOPK,这表明PBK/TOPK可能是LPS/TLR4介导的炎症信号通路的关键介质,PBK/TOPK参与了LPS介导的炎症反应[14]。PBK/TOPK参与自噬。UNC-51样激酶1(UNC-51-like kinase 1,ULK1)是自噬诱导中的关键节点,PBK/TOPK是一种磷酸化ULK1 的新型上游激酶,PBK/TOPK可在Ser469、Ser495和Ser533位点处直接结合并磷酸化ULK1,降低了其活性和稳定性,PBK/TOPK抑制增强了胶质瘤细胞对替莫唑胺的敏感性[15]。2019年,Ma等[16]发现,PBK/TOPK在高级别浆液性卵巢癌高表达,高表达的PBK/TOPK通过ERK/mTOR信号通路促进自噬并增强顺铂耐药性。此外,研究还发现,嗜生态病毒整合位点1(ecotropic vira integration site-1,EVI1)可通过直接靶向PBK/TOPK的启动子区域诱导高级别浆液性卵巢癌的自噬促进转移并赋予顺铂耐药性。以上研究表明,PBK/TOPK是一种新型的自噬调节剂,PBK/TOPK的过表达诱导肿瘤细胞自噬来减弱其对抗化疗药物的敏感性。靶向PBK/TOPK可能是一个有前景的克服化疗药物耐药的策略。

3 PBK/TOPK与肿瘤

3.1PBK/TOPK与呼吸系统恶性肿瘤 在肺癌中,PBK/TOPK通过激活p38MAPK信号通路来促进肿瘤增殖,见表1。microRNA-216是一种肿瘤抑制因子,在许多肿瘤类型中被下调,当miR-216b-3p在肺腺癌中的表达恢复时,靶向PBK/TOPK负调控其表达,上调肿瘤抑制物p53的表达,下调细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂p21的表达,阻止p38MAPK的激活,抑制细胞增殖和诱导细胞凋亡,阻止肿瘤的发生和发展[17]。此外,PBK/TOPK通过调节PI3K/PTEN/AKT依赖性信号通路促进肺癌细胞的迁移,高PBK/TOPK和低PTEN表达与肺癌患者的总体和无病生存率呈负相关[18]。在难治性肺癌细胞中PBK/TOPK直接磷酸化和激活c-Jun,导致AP-1靶基因的转录激活,从而促进细胞增殖、存活、迁移和转化。PBK/TOPK的过表达使非小细胞肺癌对表皮生长因子受体酪氨酸激酶抑制剂(Epidermal growth factor receptor tyrosine kinase inhibitors)即吉非替尼产生耐药性。在EGFR-TKI耐药的肺癌细胞,PBK/TOPK的敲低可增加吉非替尼在肺癌中的疗效[19]。

表1 PBK/TOPK通过不同作用机制参与肿瘤的发生

3.2PBK/TOPK与消化系统恶性肿瘤 此外,PBK/TOPK与失调的γ-catenin结合激活Src/GSK3β/STAT3信号通路,促进细胞侵袭和迁移来增强食管鳞状细胞癌的转移。PBK/TOPK也可激活ERK通路,促进食管鳞状细胞癌的转移[20]。在PBK/TOPK表达的胃癌细胞中,PBK/TOPK的敲除以TP53突变依赖的方式通过p53激活抑制细胞增殖,并以TP53突变依赖的方式通过PTEN上调抑制迁移/侵袭[21]。通过文献检索发现,FoxM1是转录因子,PBK是FoxM1下游靶点,FoxM1可调节PBK,激活β-catenin途径对肝细胞性肝癌发挥致癌活性。新发现的FoxM1/PBK/β-catenin轴可作为肝细胞性肝癌治疗干预手段和评估预后因子[22]。Zhu等[23]发现,PBK/TOPK是MAPKK家族的成员,PBK/TOPK可磷酸化ERK2,反之,ERK2也可以磷酸化PBK/TOPK,PBK/TOPK与ERK2间的正反馈回路有助于结直肠癌细胞的转化,促进了在体内和体外结直肠癌的发生。Src是一种新的PBK/TOPK上游激酶,PBK/TOPK通过泛素化途径降解,Src对Y74和Y272处的PBK/TOPK磷酸化阻止了这一降解途径,增加了PBK/TOPK的稳定性和活性,促进结直肠癌的发生[24]。p53相关蛋白激酶(p53-related protein kinase,PRPK)是PBK/TOPK的一种新的底物,PBK/TOPK在Ser250处与PRPK结合并磷酸化,直接参与结直肠癌的转移。此外,在异种移植小鼠模型中,TOPK和PRPK促进HCT116人结直肠癌细胞的肝转移,而敲除TOPK、敲除PRPK或同时敲除两者在HCT116中的表达,可降低这些癌细胞的迁移和侵袭[25]。

3.3PBK/TOPK与前列腺癌 在前列腺癌中PBK/TOPK的表达上调,其表达水平与侵袭性相关。PBK/TOPK通过β-catenin-TCF/LEF信号传导通路激活基质金属蛋白酶-2和-9基因的启动子,从而增加基质金属蛋白酶的表达促进前列腺癌转移性侵袭[26]。

3.4PBK/TOPK与血液系统恶性肿瘤 PBK/TOPK也在白血病、淋巴瘤和骨髓瘤等血液肿瘤中表达,其表达与这些肿瘤的恶性潜能相关,因此,PBK/TOPK也被认为是一种血液系统恶性肿瘤相关激酶[2-3,27]。PBK/TOPK在白血病中受蛋白磷酸酶2A(protein phosphatase 2A,PP2A)和BCR/ABL调节,并增强细胞增殖,PBK/TOPK在BCR/ABL阳性的慢性髓系白血病中的作用机制还未被发现,但PBK/TOPK可能是BCR/ABL阳性患者的靶点[28]。研究[29]发现,PBK/TOPK在高级别淋巴瘤,如Burkitt淋巴瘤(Burkitt lymphoma,BL)和弥漫性大B细胞淋巴瘤中过度表达,其表达与c-Myc和E2F1的表达呈正相关。c-Myc通过E2F1调节PBK/TOPK的表达,在c-Myc-E2F1-PBK信号轴上调节高级别淋巴瘤的生长,抑制该途径特别是抑制PBK/TOPK可能在治疗高级别淋巴瘤方面是有益的。最近的研究[30]发现,PBK/TOPK和磷酸化的Janus激酶2(phosphorylated Janus kinase 2,p-JAK2)在组织中高表达。JAK2是一个新的TOPK上游分子,在Tyr74位点与TOPK结合并磷酸化,导致组蛋白3的磷酸化,促进BL肿瘤在体内外的生长。Akinobu Ota[31]等报道PBK可能是骨髓瘤细胞中的一种新的IL-6诱导基因,被IL-6诱导,结合并磷酸化Stat3,通过IL-6/JAK/Stat3信号通路来促进骨髓瘤细胞增殖和抑制肿瘤细胞凋亡。

3.5PBK/TOPK与乳腺癌 在乳腺癌中PBK/TOPK的过表达在Ser10位点处磷酸化组蛋白H3,促进了肿瘤细胞的增殖,而siRNA 敲低的PBK/TOPK的表达可导致乳腺癌细胞系的生长抑制[32]。Dou[33]等发现,PBK/TOPK通过介伯基特淋巴瘤(BL)患者导香叶基糖基化(geranylgeranylation)信号和Hippo-YAP/TAZ信号传导途径促进乳腺癌的增殖。先前的研究[34]表明,TGF-β1与肿瘤进展、侵袭和转移密切相关,TGF-β1促进上皮-间质转化,上皮-间质转化是肿瘤转移的先决条件。TBX3 的过表达抑制细胞增殖但促进肿瘤迁移和侵袭。致癌性TBX3是TGF-β1信号通路的下游靶点和介导因子。PBK/TOPK通过上调TGF-β1/Smad信号中的TBX3,促进乳腺癌细胞的上皮间质转化和侵袭[35]。此外,PBK/TOPK也通过NF-kB/Snail信号途径介导TGF-β1诱导的上皮间质转化和乳腺癌细胞的侵袭[36]。

3.6PBK/TOPK与黑色素瘤和皮肤癌 PBK/TOPK直接结合并磷酸化组蛋白H2AX,抑制亚砷酸盐诱导的黑色素瘤细胞的凋亡[37]。PBK/TOPK在Ser32处磷酸化Prx1,增加Prx1的过氧化物酶活性和减少细胞内H2O2的积累抑制UVB诱导的黑色素瘤细胞的凋亡[4]。此外,PBK/TOPK结合并磷酸化JNK1,增强了H-Ras介导的细胞转化,参与了紫外线B(ultraviolet B,UVB)诱导的皮肤癌的发生[38]。

4 靶向PBK/TOPK激酶的小分子化合物

PBK/TOPK在各种恶性肿瘤中高表达,主要作用包括促进肿瘤增殖、抑制肿瘤凋亡、促进肿瘤的迁移和侵袭,从而导致肿瘤的发生发展。因此,小分子PBK/TOPK抑制剂可作为许多肿瘤治疗的潜在靶点。目前已发现TOPK特异性抑制剂包括HI-TOPK-032、OTS964和OTS514、ADA-07、SKLB-C05、泮托拉唑和艾普拉唑及1-苯基菲啶-6(5H)-酮衍生物,见表2。HI-TOPK-032在体内和体外抑制肿瘤生长,在结肠癌、神经胶质瘤、肾上腺皮质腺癌、鼻咽癌、成人T细胞白血病/淋巴瘤及泌乳瘤[39-44]中均有报道。OTS514和OTS964对肺癌、急性髓系白血病、卵巢癌[45-47]有很大的抑制作用,均有血液系统毒性,其脂质体制剂可避免血液系统毒性。由OTS964为原料合成了[18F]FE-OTS964,一种可以特异性结合TOPK的临床前药物,测试结果发现,肿瘤摄取率由(3.06±0.30)% ID/cc降至(1.40±0.42)% ID/cc,这在与过量阻断剂量的OTS514共同注射的动物中降低,[18F]FE-OTS964能有效追踪到TOPK[48]。ADA-07可抑制日光紫外线诱导的皮肤致癌作用[49]。SKLB-C 05抑制结直肠癌生长和转移[50]。艾普拉唑和泮托拉唑是两种抑制结直肠癌生长的质子泵抑制剂[51-52]。1-苯基菲啶-6(5 H)-酮衍生物在结直肠癌异种移植模型中,口服可有效抑制肿瘤生长,其疗效优于OTS964,药代动力学表现出良好的口服生物利用度[53]。

表2 靶向PBK/TOPK 小分子化合物及其作用

5 小结

除睾丸及胎盘,PBK/TOPK极少在正常组织中表达,PBK/TOPK在恶性增殖的组织中过度表达,通过MAPK(ERK、p38、JNK)信号通路,参与了肿瘤的生长、炎症和凋亡。PBK/TOPK参与DNA损伤修复机制,进一步促进了肿瘤的生长。PBK/TOPK还参与自噬使肿瘤细胞逃避死亡并对化疗药物产生耐药性。相反,靶向PBK/TOPK可增加肿瘤对化疗药物的敏感性。因此,PBK/TOPK的抑制剂可抑制肿瘤的发生发展,且能与化疗和放疗共同作用来对抗癌症,消除癌症。目前,已有研究发现,关于PBK/TOPK基因的小分子抑制剂和天然化合物,在肿瘤异种抑制模型中抑制肿瘤发生得到了证实,但对未来能够应用于临床还面临着巨大的挑战。望PBK/TOPK抑制剂能给肿瘤患者的治疗带来更多益处。