赖氨酰氧化酶家族成员在肝癌中的研究进展▲

沈仕俊 叶秋文 向春明 李 恒 穆 云

(1 临沧市人民医院肝胆外科,云南省临沧市 677000; 2 昆明医科大学第三附属医院肝胆外科,云南省昆明市 650118)

【提要】 赖氨酰氧化酶(LOX)家族成员是铜依赖性胺氧化酶,特征是其催化活性有助于细胞外基质的交联重塑,而细胞外基质的交联重塑在肿瘤组织周围的血管生成中起着关键作用,并参与形成肿瘤微环境。越来越多的研究表明LOX家族成员在肝癌的发病机制和肿瘤微环境形成中发挥关键作用,具有作为治疗靶点的潜力。本文就LOX家族成员与肝癌的发生、发展关系及潜在靶向治疗作用进行综述。

肝癌是全球第六大常见肿瘤,也是全球癌症相关死亡的第三大因素[1]。但是目前治疗晚期肝癌的方法有限,世界卫生组织预计未来10年肝癌患者死亡例数将达100多万例[2]。赖氨酰氧化酶(lysyl oxidase,LOX)家族成员通过促进胶原交联、细胞外基质的交联重塑、上皮细胞-间质转化(epithelial-mesenchymal transition,EMT),改变肿瘤微环境及促进肿瘤转移前微环境形成,以及激活局部黏着斑激酶/磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/缺氧诱导因子1ɑ(hypoxia inducible factor 1α,HIF-1ɑ)信号通路、果糖-1,6-二磷酸酶1轴等方式,促进肝癌的发生、发展,LOX家族成员的异常表达与肝癌患者预后密切相关[3]。随着研究的深入,LOX家族成员抑制剂的作用在肝癌的临床前模型研究中逐渐被阐明,LOX家族成员成为肝癌治疗靶点的潜力逐渐显现。

1 LOX家族成员与肝癌的发生、发展

LOX家族共有5个成员,分别是LOX及LOX样蛋白(LOX like protein,LOXL)1～4[4]。LOX家族成员是铜依赖性胺氧化酶,在结构上由高度保守的C端结构域和可变N端结构域组成。其中,C端结构域由含铜结合域的氨基酸残基、赖氨酸酪氨酰醌残基和细胞因子受体样结构域组成[5]。LOX和LOXL1的N端结构域中具有1个LOX前肽,而LOXL2～4的N端结构域存在4个富含半胱氨酸结构域的清道夫受体(scavenger receptor cysteine-rich domain,SRCR)[6]。结构的差异导致成熟形式的LOX和LOXL1仍需要在细胞外进一步处理才能发挥功能,LOXL2～4则不需要。LOX家族成员是哺乳动物体内一种具有催化作用的氧化酶,其可催化胶原蛋白和弹性蛋白单体中的赖氨酸ε-氨基发生氧化脱氨,导致共价交联结构的形成,从而稳定胶原蛋白和弹性蛋白纤维,保持细胞外基质的结构稳定性,这也是重塑肝脏中细胞外基质交联的基础[7-8]。研究表明,LOX家族成员表达升高与许多实体瘤恶性程度及预后不良相关[9-10]。在肝脏中,LOX和LOXL1～4 5个成员分别通过不同的通路及方式参与肝炎、肝纤维化、肝癌的发生、发展全过程,其与肝细胞的恶性转化,肝癌细胞的迁移、黏附、侵袭,以及肿瘤转移前微环境形成密切相关,在肝癌发生、发展中具有重要的作用[9,11]。

1.1 LOX在肝癌发生、发展中的作用机制 LOX主要通过两条路径参与调控肝癌的发生和发展过程:(1)LOX通过参与血管生成的调节进而调控肝癌的发生、发展。LOX可催化胶原蛋白和弹性蛋白单体中赖氨酸ε-氨基发生氧化脱氨,导致共价交联结构的形成,从而促进细胞外基质重构。而细胞外基质是肿瘤微环境中不可或缺的一部分,其参与肿瘤及肿瘤周围的血管生成,促进肿瘤的生长及转移[12]。研究表明,LOX过表达可促进肿瘤细胞分泌血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)来刺激血管生成,并增强内皮细胞的成管能力[13]。敲除肝癌细胞中的LOX可通过p38丝裂原活化蛋白激酶信号通路下调VEGF的表达,进而抑制肝癌细胞的增殖、迁移和侵袭[14]。但是LOX调控血管生成的确切机制及其临床应用尚需进一步研究。(2)LOX通过调控缺氧进而诱导肿瘤细胞的转移[15]。HIF-1α可与LOX基因启动子中的缺氧反应元件结合,上调LOX的表达[16-17]。上调的LOX蛋白进一步促进EMT及血管生成拟态(vasculogenic mimicry,VM)[18]。其中,EMT可通过肿瘤的细胞外基质重塑来促进肿瘤代谢等,从而诱导肿瘤细胞的转移[18]。VM则是一种全新肿瘤微循环模式,VM 管道内没有血管内皮细胞衬覆,而是由肿瘤细胞模仿机体血管形成的管状结构覆盖,该管道与宿主的血管相通,使肿瘤细胞获得血液供应,满足肿瘤生长、侵袭和转移的需要[18]。

1.2 LOXL2在肝癌转移中的作用机制 LOXL2主要通过调控肿瘤微环境的形成来促进肝癌的局部和远处转移,其参与调控的途径主要如下:(1)HBV感染与肝癌密切相关,而HBV X蛋白的反式激活及HBV X蛋白与HIF-1α的相互作用可驱动LOXL2 的分泌,从而重塑胶原纤维的交联以促进肝癌细胞的侵袭[19]。(2)LOXL2 通过激活果糖-1,6-二磷酸酶1轴来上调肝癌细胞中HIF-1α和VEGF的表达,促进内皮细胞的管状网络形成及血管生成,从而导致肿瘤的发生和转移[20]。(3)肿瘤发生转移前会在靶器官建立转移前生态位,为转移的肿瘤细胞提供适合和支持其定植的微环境[21]。LOXL2 可通过促进骨髓来源细胞(bone marrow-derived cells,BMDCs)募集来促进转移前生态位的形成。LOXL2不仅可以在肝组织中通过与细胞外基质成分交联来促进细胞骨架重塑及肝癌细胞局部侵袭,也可以在肺组织中通过与细胞外基质成分交联来促进BMDCs募集,从而促使肝癌细胞远处侵袭及克隆性增殖[22]。(4)LOXL2能直接下调上皮型钙黏蛋白的表达以促进EMT,而EMT可通过调节肿瘤代谢、细胞外基质等途径诱导肿瘤转移[23]。进一步研究LOXL2的靶向干预(敲除或降低其表达),也许能为肝癌的治疗提供新思路。

1.3 LOXL4在肝癌发生、发展中的作用机制 近年来,LOXL4通过作用于肿瘤微环境进而调控肿瘤发生、发展的作用逐渐被阐明。然而,不同机制下LOXL4在肝癌中的作用存在差异。Li等[24]发现,LOXL4在肝癌组织中的表达上调,其表达升高与肿瘤分化程度低、血管浸润和TNM分期高有关。免疫抑制微环境是肿瘤形成的重要因素。Tan等[25]也发现,LOXL4在肝癌组织中表达上调,且是肝癌免疫抑制微环境中免疫抑制表型巨噬细胞形成的重要调控因子,其对巨噬细胞的免疫抑制作用主要是通过干扰素介导的信号转导及转录激活因子依赖性程序性死亡配体1激活而实现的。但是,Shao等[26]发现5-氮杂胞苷诱导肝癌细胞中LOXL4的表达上调后,LOXL4可通过其低等电点区域结合p53的基本结构域,LOXL4和p53之间的相互作用可诱导受损的p53再激活,导致肿瘤细胞死亡,从而阻止肝癌的进展。上述研究表明,LOXL4在不同的条件下可能激活不同的信号通路,进而产生促癌或抑癌作用,其在肝癌中的双重作用值得进一步研究。

1.4 LOXL1和LOXL3在肝癌发生、发展中的作用机制 近年来,不断有研究报告LOXL1具有调节肝脏病理生理的功能。Zhao等[7]发现在啮齿类动物肝纤维化模型中,LOXL1水平增加了约30倍,并且发现LOXL1与肝硬化具有潜在联系。Yang等[27]发现,LOXL1可能有助于非肥胖非酒精性肝炎小鼠模型的肝纤维化进展,特异性敲除LOXL1可减轻小鼠肝脏组织的脂肪变性、炎症及纤维化,并改善其脂质代谢异常。此外,有研究显示,LOXL1可通过激活局部黏着斑激酶/磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/HIF-1α信号通路,进而导致肝纤维化和肝炎的进展,而敲除LOXL1基因可预防肝纤维化和炎症[28]。而炎症、纤维化均与肝癌的发生、发展密切相关,由此推测LOXL1可能通过上述途径参与肝癌的发生、发展。但是,目前鲜有研究报告LOXL1在肝癌中的具体作用机制。研究表明,沉默LOXL3基因表达可以通过转录因子Snail1及泛素特异性蛋白酶4介导的EMT和Wnt/β-连环蛋白信号通路来抑制肝癌细胞侵袭[29]。目前,有关LOXL3在肝癌中的作用的研究也较少,其确切的作用机制仍有待进一步研究。

2 LOX家族成员在肝癌中的应用价值

2.1 在肝癌患者预后评估中的应用 研究表明,LOX的高表达与EMT标志物相关,并可用于预测肝癌患者的早期复发及预后不良[30]。此外,Zhu等[14]的研究表明,LOX在肝癌细胞和肝癌组织中表达上调,而下调LOX的表达可降低肝癌细胞的增殖、迁移和侵袭能力,且肝癌组织中LOX表达上调与患者不良预后相关。这些研究结果均表明检测LOX的表达水平有助于评估肝癌患者的预后。Choi等[31]报告,与非肿瘤组织相比,LOXL2在肝癌组织中的表达水平升高。Shao等[32]发现,上调肝癌细胞中LOXL2的表达可显著促进肝癌细胞的迁移、侵袭和血管形成,肝癌组织中LOXL2过表达提示肝癌患者预后不良。Wong等[22]也发现,相对于非肝细胞癌患者(健康受试者和HBV携带者),肝癌患者的血清LOXL2表达水平升高,且受试者工作特征曲线分析提示LOXL2具有成为肝癌诊断标志物的潜力。上述研究提示,LOXL2可作为肝癌的生物标志物,用于患者的预后评估。

目前,关于LOXL1、LOXL3和LOXL4在肝癌中的应用研究相对较少。Liu等[33]研究发现,敲减编码LOXL1相反链的基因组序列—LOXL1-AS1的表达可以抑制肝癌细胞的增殖、迁移和侵袭。Wang等[34]从TCGA数据库中提取肝癌相关的RNA测序数据及临床数据进行分析,发现LOXL3高表达提示肝癌患者预后较差,这提示检测LOXL3的表达情况也有助于肝癌患者的预后评估。此外,Tian等[35]发现LOXL4在肝癌组织中的mRNA和蛋白表达水平均低于癌旁组织,LOXL4的低表达与患者较差的总生存期和高累积复发率相关。但是,也有研究表明,LOXL4高表达可促进肝细胞癌的转移[24]。LOXL4与肝癌患者预后的关系,有待更多的研究进一步明确。

2.2 在抗肿瘤治疗中的应用 LOX家族成员的表达及其与细胞之间的交互作用在肿瘤微环境中的形成和肝癌的进展中发挥了关键作用。因此,能抑制LOX家族成员表达的物质可能是治疗肝癌的潜在物质。研究表明,LOX抑制剂氨基丙腈对人脐静脉内皮细胞的血管生成功能具有抑制作用,且已被证实可增强抗肿瘤药物索拉非尼的抗血管生成作用[36]。此外,氨基丙腈可通过抑制LOXL2的表达进而降低肝癌细胞的迁移和侵袭能力[37]。氨基丙腈与索拉非尼联合用于治疗肝癌可能具有潜在优势[13]。Huang等[38]发现,紫檀二苯乙烯可通过抑制LOX的表达,来减弱肝癌的迁移和侵袭能力,其可能是治疗乙醇诱导性肝细胞癌的新策略。LOXL2通过抑制1,6-二磷酸果糖的表达,以Snail依赖性的方式增强肝癌细胞Huh7 和 Hep3B的糖酵解,在肝细胞癌的进展中发挥重要作用;而LOXL2的选择性抑制剂LOXL2-IN-1在肝细胞癌细胞中可上调1,6-二磷酸果糖的表达,并抑制Snail、HIF-1ɑ、内皮生长因子的表达,其或许有助于抑制肝细胞癌的进展[20]。还有学者发现,过表达miR-26a、miR-29a可以抑制LOXL2的转录,从而削弱LOXL2对肝癌细胞肝内转移的促进作用[22]。

3 总结与展望

LOX家族成员参与细胞外基质交联的重构,在增强肝癌细胞增殖、侵袭能力和促进肿瘤微环境形成方面具有重要作用,尤其是LOX和LOXL2。然而,LOXL1、LOXL3和 LOXL4在肝癌发病机制中的作用尚不清楚,仍需要进一步研究。此外,越来越多的研究表明,LOX家族成员在肝癌预后评估方面具有重要意义。值得注意的是,已有临床前模型研究表明,一些靶向LOX家族成员的药物可有效抑制肝癌的发生与发展,LOX家族成员有望成为肝癌治疗的新靶点,深入研究LOX家族成员在肝癌中的作用机制,可为肝癌的临床治疗提供新思路。