PMAIP1基因在恶性肿瘤中的研究进展

代德柱 时 谨 宋旭东 吴 旭 陶国全

PMAIP1是由54个氨基酸和一个BH3结构域(Bcl-2 homologous domain 3, BH3)构成,属于Bcl-2 蛋白家族中的促凋亡亚家族成员。Bcl-2蛋白家族在细胞的凋亡过程中发挥着重要的作用,目前的研究已发现多种Bcl-2家族同源蛋白。其蛋白家族中的成员可以发挥促进凋亡或抑制凋亡的作用[1]。由于PMAIP1仅具有一种 Bcl-2 同源结构域,即 BH-3结构域,故又被称为 BH3-only 蛋白[2]。此外,在细胞的凋亡过程中PMAIP1可以调节Bcl-2的表达,进而影响细胞凋亡的过程[3]。PMAIP1本身具有的相关特性使其成为了肿瘤发生、发展的重要参与者及假定的化学治疗靶点。已有研究表明PMAIP1是诱导凋亡的关键调节因子,该基因通过上调或下调进而影响恶性肿瘤的发生与发展,如胃癌、结直肠癌、胰腺癌、肝癌等都受到PMAIP1的调控[4]。PMAIP1本身对细胞凋亡的影响可能很小,但其可以与细胞凋亡途径中的有关蛋白质发生相互作用,从而在细胞凋亡的过程发挥重要的作用,这也突出了PMAIP1在某些癌症的发病机制和治疗中的重要性。

一、结构与部分致变因素

2000年,Oda等[5]证实了PMAIP1属于Bcl-2家族中的促凋亡成员。PMAIP1基因定位于18号染色体长臂q21.32,长4301bp,其包含3个外显子,2个内含子以及3个剪接变异体,编码全长为54个氨基酸的蛋白以及一个BH3结构域转录本。

PMAIP1基因的表达受各种外部因素影响。例如,已有研究证明5-阿扎胞苷诱导PMAIP1引发急性髓系白血病细胞发生Venetoclax介导的细胞凋亡,该实验通过转录诱导BH3-only促凋亡蛋白PMAIP1,这种诱导在治疗数小时内发生,并由综合应激反应通路介导,PMAIP1敲除证实了其在驱动 Venetoclax 和 5-阿扎胞苷协同作用中的主要作用[6]。关于PMAIP1在肺腺癌的表达方面,已有相关研究结果证明,穿心莲内酯可通过上调PMAIP1从而诱导人肺腺癌细胞的凋亡[7,8]。实验证明PMAIP1通过激活穿心莲内酯诱导的细胞凋亡中的转录因子-4(activating transcription factor 4, ATF4)被转录激活,通过siRNA 敲低 ATF4 显著减少了 PMAIP1 的反式激活以及穿心莲内酯诱导的凋亡群体。此外,已有研究表明,PMAIP1基因可被干扰素刺激反应元件、γ-三肽分泌酶抑制剂、低氧诱导因子1α、和E2F转录因子1(E2F transcription factor 1, E2F1)等激活转录过程,从而影响其表达[9,10]。

二、基因表达的调控

1.p53依赖性调控:由于PMAIP1含有p53的结合位点,所以当细胞受到信号刺激后p53可直接与PMAIP1上的靶位点结合,从而促进PMAIP1的转录和蛋白表达来介导凋亡过程。2000年Oda等[5]通过腺病毒将p53转入野生型小鼠胚胎成纤维细胞或暴露于γ辐射的胸腺细胞中后,研究发现PMAIP1基因的mRNA 水平迅速增加。此外,Oda等通过分离小鼠PMAIP1基因后,发现小鼠 PMAIP1基因包含一个潜在的 p53 识别序列,位于155～174 的启动子区域,从而确定靶基因的表达涉及 p53 的激活。这一发现引导Ploner等[11]在PMAIP1基因中发现了一个位于转录起始位点上游的类似p53 的反应元件。

p53反应元件的发现加快了PMAIP1在p53诱导的细胞凋亡中的作用研究。Oda等[5]使用了缺乏p53表达的人Saos2 细胞,他们筛选了人类靶基因 cDNA 同源物,发现扩增cDNA 与成人T淋巴细胞白血病PMA反应基因 (ATL-derived PMA-responsive gene, APR) 几乎相同。可以确定, PMAIP1表达水平上调可以通过 BH3 依赖性方式诱导缺乏 p53 的人Saos2细胞凋亡。接着,他们通过用表达 p53 的腺病毒感染 Saos2 细胞检测到人类 PMAIP1 mRNA 表达水平增加,接着使用反义寡核苷酸抑制靶基因表达,发现细胞凋亡被消除。在含有 p53 的造血干细胞系中也获得了类似的结果由此可见人类 PMAIP1可作为 p53 的靶标以及 p53 诱导的细胞凋亡的介质。

2.p53非依赖性调控:尽管已经确定PMAIP1是p53诱导细胞凋亡的介质,但有研究发现,在不依赖p53的情况下,PMAIP1也可以诱导基因表达。细胞在缺氧或受到不可逆损伤无法修复时,低氧诱导因子1α可以与PMAIP1的启动子上游缺氧反应元件的核心序列结合,从而激活PMAIP1转录,这证实了PMAIP1可以通过p53非依赖途径发挥促细胞凋亡作用[9]。

Fidyt等[12]研究发现,有效的p53非依赖性PMAIP1可诱导混合谱系白血病重排的B细胞急性淋巴细胞白血病细胞对维奈托克的敏感度,并证明了可通过在体外或体内以不依赖 p53 的方式上调 p53 靶标的表达,从而具有肿瘤抑制功能。Flinterman等[13]研究发现,在 p53 缺陷 Saos2 细胞中过表达的腺病毒早期区域1A(Early Region 1A,E1A)基因引起了致癌应激,而这种应激导致了PMAIP1的诱导表达,他们的研究结果表明,E1A激活p73和p53凋亡靶点PMAIP1可以在功能性p53缺失的情况下发生。这种激活可能在某些癌症中E1A诱导的非p53依赖性凋亡机制中起关键作用,并可能为未来的癌症治疗提供一条新的途径。Lau等[14]研究发现,当人双微基因2(human double minute 2,HDM2) 或 E3 泛素蛋白连接酶 MDM2(mouse double minute 2)被 p53-/HCT116 结肠癌细胞中的小分子抑制剂 Nutlin-3 抑制时,p53 非依赖性 PMAIP1表达也会增加。

Bertin-Ciftci等[15]研究表明,E2F-1 的异位表达或 RB/E2F 通路的失调以不依赖 p53 的方式触发 PMAIP1水平升高。Hershko等[16]研究发现,内源性 E2F-1 在 PMAIP1基因的启动子区域具有对应的结合位点,E2F-1与PMAIP1的结合促进了PMAIP1诱导的细胞凋亡。

PMAIP1以不依赖 p53 的方式进行调节的另一种情况可能涉及 T 细胞受体 (T cell receptor,TCR) 信号转导。Alves等[17]研究发现,p53 缺陷细胞中的TCR 受刺激后PMAIP1蛋白水平明显上调,表明TCR 在人 T 淋巴细胞中诱导 PMAIP1表达独立于 p53之外。

三、在恶性实体肿瘤中的作用

已有研究表明,PMAIP1基因在某些癌症的发病机制中直接或间接与凋亡途径中的某些参与者相互作用而产生的效应,对细胞最终的转归发挥重要作用。

肛周脓肿术后分期外用苦柏油与促愈油促进创面愈合的临床观察 ………………………………………… 陈 婷等（2）：233

1.PMAIP1与胃癌:幽门螺杆菌(helicobacter pylori, HP)在人胃上皮细胞中可诱导髓系细胞白血病-1(myeloid cell leukemia-1,Mcl1)的表达。Mcl1是Bcl-2蛋白家族成员之一,表达致癌蛋白 Mcl1细胞的凋亡主要受 PMAIP1介导的 Mcl1 降解的调节。Rath等[18]研究发现,与未感染HP的样本比较,感染了HP的人胃上皮细胞、胃腺癌细胞中Mcl1 和PMAIP1的表达均显著上调。

PMAIP1在受感染的人胃上皮细胞中可通过c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)通路使丝氨酸残基磷酸化,从而导致PMAIP1的细胞质滞留。JNK的抑制增强了受感染细胞线粒体部分中的 Mcl1-PMAIP1 相互作用,而非磷酸化PMAIP1的过表达导致受感染上皮细胞中线粒体介导的细胞凋亡增强。磷酸化-去磷酸化可以调节 PMAIP1的凋亡功能,这可能是未来治疗幽门螺杆菌诱导的胃癌的潜在靶分子。

孙海斌等[19]探讨了microRNA21 (miR21)对胃癌临床特征、增殖、侵袭和迁移的影响以及与PMAIP1相关的潜在机制。他们发现在胃癌组织样品中miR-21表达水平增加而PMAIP1表达水平却是降低的,通过实验设计研究证明miR-21可以通过PMAIP1影响胃癌细胞的增殖、侵袭和迁移,增加miR-21的表达水平和降低PMAIP1的表达水平都会减少肿瘤细胞的凋亡,从而导致胃癌患者的不良预后。同样张新元等[20]通过测定胃癌组织和胃癌癌旁组织中PMAIP1 的mRNA水平,并观察了对应患者的预后情况。他们发现,PMAIP1低表达的患者其淋巴转移率高、肿瘤浸润程度深以及预后也往往比较差。尽管目前PMAIP1影响胃癌发生、发展的作用机制仍有待进一步探索,但这些研究结果共同表明,PMAIP1表达水平的高低将会影响胃癌患者最终的转归。在胃癌的化疗药物开发方面可以通过调控PMAIP1介导的细胞凋亡途径,进而可以增加胃癌对化疗药物的有效性。

2.PMAIP1与结直肠癌:Conti等[21]和Kosmidou等[22]研究表明,PMAIP1 表达在某些情况下被上调,他们推测 PMAIP1对结直肠癌的发生与发展可能会产生一定的影响。他们证明了 KRAS G13D (kirsten rat sarcoma viral oncogene homolog,KRAS,Kirsten大鼠肉瘤病毒癌基因同源)突变上调依赖于细胞外信号调节蛋白激酶2(extracellular regulated protein kinases 2,ERK2) 而非 ERK1 激活的PMAIP1。此外,他们还发现PMAIP1表达使癌前上皮细胞在通过各种细胞毒剂处理诱导后对细胞凋亡更加敏感,在结直肠癌细胞中,尽管它们的基线水平高于癌前上皮细胞中发现的水平,但是KRAS 仍不会上调 PMAIP1水平。他们发现这种差异是由于蛋白激酶B(protein kinase B, PKBorAkt)的异常诱导抵消了 KRAS 对 PMAIP1 和细胞凋亡的影响所造成的。

另一项研究表明,A-激酶锚定蛋白 4 (A-kinase anchoring protein 4,AKAP4) 在结直肠癌细胞中表达,但在正常结直肠细胞中却不表达。这表明一旦 AKAP4 被消融,促凋亡分子就会增加。因此,可以假设PMAIP1 以及其他促凋亡分子可能在AKAP4表达后在结肠直肠癌的发病机制中发挥间接作用。Conti等[23]研究表明Akt途径参与在致癌KRAS存在下将会对抗PMAIP1依赖性细胞凋亡。他们发现结直肠癌细胞对治疗的敏感度不依赖于KRAS的状态,尽管ERK2仍然促进PMAIP1的表达,但在突变的KRAS存在下,PMAIP1水平并不会上调。这一发现揭示了当KRAS突变时将会有其他存活途径来抵消这种突变KRAS的促凋亡作用,例如PI3K/Akt途径,且在致癌KRAS存在的情况下,Akt的抑制可以恢复对治疗的敏感度。KRAS突变在人类结直肠癌中经常被检测到,这种KARS突变可以导致新生凋亡耐药性和最终药物治疗的失败。

3.PMAIP1与肺癌:尽管近年来肺癌在诊断和治疗方面取得了许多进展,但非小细胞肺癌 (non-small cell lung cancer,NSCLC) 的治疗尚存在较大的困难,且其预后往往较差。因此,亟需进一步研究该疾病的发病机制,以提高对该疾病的理解以及研究设计出新的治疗方法。

Jun等[25]研究确定Bim低表达与鳞状细胞癌组织学和肿瘤侵袭或增殖之间存在联系,然而没有观察到 PMAIP1表达与疾病阶段、组织学和生存结果之间的显著联系。在另一项研究中,Yan等[26]实际上发现诱导 PMAIP1表达可促进人肺癌细胞的凋亡,从而抑制癌症的进展。Mcl1 为细胞凋亡提供了一条逃逸途径,并且在包括 NSCLC 在内的几种人类癌症中过表达。

Mcl1在小细胞肺癌的发生发展中也尤为重要。Hauck等[27]研究观察到 H526 和 WBA 细胞系与 ABT-737(美国雅培制药有限公司) 孵育24h后将会导致PMAIP1表达增加,这表明PMAIP1可能在 ABT-737 介导的细胞凋亡中起直接作用。他们的结果表明,PMAIP1表达是 ABT-737 敏感度的关键因素,而PMAIP1介导的 Mcl1 表达调节的丧失可能是小细胞肺癌生物学的一个重要特征。因此,PMAIP1在防止 Mcl1 在正常细胞生长条件下过表达方面的作用至关重要。

4.肝癌:PMAIP1在肝细胞癌的化学治疗机制中也发挥着重要作用。单一的酪氨酸激酶抑制剂如索拉菲尼在治疗肝细胞癌时仅有适度的功效。Busche等[28]研究促凋亡剂,如肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体(recombinant tumor necrosis factor related apoptosis inducing ligand,TRAIL)或BH3模拟物ABT-737和索拉菲尼联合后的治疗效果,他们发现这两种促凋亡剂均可以增强索拉菲尼诱导的细胞死亡,且这种增强作用均和PMAIP1有关,且TRAIL仅在表达PMAIP1的肝癌细胞中增强索拉非尼诱导的细胞死亡,而ABT-737也只在PMAIP1缺陷细胞中增强索拉非尼的应答。这些发现均证实了PMAIP1在肝细胞癌的治疗中存在着积极的意义。朱卫东等[29]研究PMAIP1的表达与肝癌细胞之间的关系,他们发现PMAIP1的表达水平直接影响着肝细胞癌的分化程度以及TMN分期和患者的预后。除此之外,他们的研究还发现高表达的PMAIP1可以抑制肝癌细胞HepG2的增殖并促进其凋亡。

随着研究的不断深入,PMAIP1的作用机制也将会进一步明确。通过把控PMAIP1的调控通路,设计新的治疗靶点将会是一种新的、有效的治疗肝细胞癌的措施。

5.PMAIP1与其他:一项研究评估了 PMAIP1 和p53上调凋亡调控因子(p53 upregulated modulator of apoptosis,PUMA)是否与前列腺癌复发有关,研究发现前列腺癌中 PMAIP1表达增加。PMAIP1表达与临床预后也存在一定的关系,对于预测前列腺癌的预后有着重要的价值。在将来,PMAIP1或许能够成为判断前列腺癌预后的潜在标志物。在许多其他现有临床标志物中,PMAIP1 也可能有助于预测前列腺癌的复发。

目前关于乳腺癌的研究已经相对成熟,乳腺癌是中老年女性常见的恶性肿瘤,且预后较差。乳腺癌的发生发展以及治疗耐药性的一个主要因素就是凋亡途径的失调,尤其是p53或p73依赖型途径。乳腺癌治疗经常涉及阻止细胞有丝分裂的微管靶向剂,例如紫杉醇。Karbon等[30]研究发现,PMAIP1可以作为乳腺癌患者生存的独立预测因子,且PMAIP1蛋白表达是三阴性乳腺癌细胞中紫杉醇敏感度的重要因素,决定了微管靶向药物的易感性。有研究表明,PMAIP1基因在转染乳腺癌MCF-7细胞后能够抑制细胞增殖并促进其凋亡。

此外,有研究表明PMAIP1能够介导依托泊苷引起神经母细胞瘤的死亡,PMAIP1在恶性肿瘤中的发生与信号转导以及细胞的凋亡过程中都发挥了重要的作用。因此,笔者发现在研究某些肿瘤发生、发展的作用机制时,离不开PMAIP1的表达和调控。

四、展 望

PMAIP1可参与并影响Bcl-2 家族蛋白的信号转导通路,并在 p53 依赖性和 p53 非依赖性途径中发挥作用,以控制细胞增殖和凋亡。一些研究证明了PMAIP1在不同癌症的发病机制中都发挥着重要作用。PMAIP1在与不同途径中的不同蛋白质相互作用所表现出的生物学特性为恶性肿瘤的化学治疗扩展了新的思路。PMAIP1的作用在很大程度上取决于其表达的环境,不论是在癌症的类型、诱导的信号类型方面,还是直接或间接影响 PMAIP1表达的抵消途径方面,PMAIP1的表达都会受到微环境的影响。随着相应研究的不断深入,PMAIP1在恶性肿瘤中的作用机制也将会更加明确。期待在不久的将来,PMAIP1将会运用于更多的恶性肿瘤的治疗当中,为恶性肿瘤患者的治疗带来更多的福音。