肽基脯氨酰顺反异构酶1在肝癌中的研究进展

莫柱宁(综述), 黄 莉(审校)

肝癌是全球第七大常见实体肿瘤,也是第二大致死恶性肿瘤[1]。国内肝癌的防治也依然严峻[2]。尽管肝癌的诊断水平在不断提高,但早期肝癌的有效诊断仍然十分困难。在治疗方面,虽然肝癌患者能够通过手术切除或消融,甚至肝移植获得有效治疗,但仍有部分患者存在肿瘤复发,导致肝癌的5年生存率较低[3-5]。因此,迫切需要探究肝癌发生、发展过程中涉及的潜在关键分子,为肝癌的诊断、治疗和预后提供有效的理论基础。肽基脯氨酰顺反异构酶1[peptidyl-prolyl cis/trans isomerase never in mitosis A(NIMA)-interacting 1,PIN1]属于肽脯氨酰基顺反异构酶家族,普遍存在于生命体中,能够特异地识别并与蛋白质中磷酸化的丝/苏-脯氨酸基序结合,催化其中酰胺键的顺反异构,继而调节蛋白的生物活性、稳定性、磷酸化水平及亚细胞定位[6]。PIN1在细胞生命进程中通过对蛋白的调控,诱导众多原癌及抑癌基因的蛋白功能发生变化,从而参与多种细胞信号转导及通路调节,促进肿瘤的发生和发展[7-8]。研究证实PIN1在肝癌中高表达,并通过抑制肿瘤细胞凋亡,促进肿瘤细胞生长、侵袭、转移和肿瘤血管生成的方式发挥作用。因此,PIN1与肝癌的发生、发展密切相关。本文对PIN1的分子结构与功能、PIN1在肝癌中的表达及其在肝癌发生、发展中的作用等综述如下。

1 PIN1的分子结构与功能

PIN1定位于19号染色体短臂13带,由163个氨基酸组成,相对分子质量为18×103,广泛分布于各种原核、真核生物体及各种组织,多数定位于胞质,但部分也可存在于酵母、果蝇和哺乳动物的内质网、红色面包霉的线粒体基质及大肠杆菌的外周质等[9-10]。PIN1发挥生物学功能主要通过以下2个功能结构区域实现:一个是由1～39位氨基酸构成的氨基末端色氨酸-色氨酸中心结构区域,主要参与底物的识别,使PIN1特异性地与底物中磷酸化的丝/苏-脯氨酸肽段的蛋白结合;另一个是由45～163位氨基酸构成的羧基末端肽基脯氨酰异构酶活性结构域,可诱导蛋白的构象和功能变化,特异性地异构化磷酸化的丝/苏-脯氨酸酰胺键[11]。这两个结构域紧密合作催化底物蛋白的构象变化,随后通过多种途径激活并放大各类致癌转导信号,从而引起中心体的异常扩增和基因组序列的不稳定,导致细胞恶性转化,最终导致肿瘤的发生与发展。

2 PIN1在肝癌中的表达

PIN1表达紊乱通常导致细胞增殖失控和肿瘤形成。PIN1表达水平与癌症间存在相关性首先在乳腺癌中得到证实,其在细胞中的定位与肿瘤的病理类型相关[12]。研究发现,PIN1在多种肿瘤中均呈现高表达,包括肝癌、脑癌、宫颈癌、结肠癌、肺癌和前列腺癌等[13]。多项研究证实,与邻近的非肿瘤肝组织相比,PIN1的核糖核酸(ribose nucleic acid,RNA)和蛋白在肝癌中均呈高水平表达[14-16]。Shinoda等[17]采用免疫组化和蛋白免疫印迹技术对肝癌患者中PIN1表达进行研究,发现PIN1表达越高的患者,其肿瘤体积越大、门静脉侵犯频率也越高,患者的预后越差、总生存率越低,而3年内复发率也越高。Pang等[18]还发现肝癌组织中PIN1的表达与乙型肝炎病毒(hepatitis B virus,HBV)X蛋白(HBx)的表达呈显著正相关。另一项研究结果也表明PIN1在约70%的HBV阳性肝癌患者中呈高水平表达[19]。PIN1基因启动子的单核苷酸多态性也可能参与PIN1表达的调控,其基因型-842CC与外周血单个核细胞内PIN1蛋白表达水平降低有关,表明PIN1与肝癌的遗传易感性之间具有相关性[20-22]。由此可见,PIN1的表达与肝癌的发生、发展密切相关。

3 PIN1在肝癌发生、发展中的作用

3.1PIN1与肝癌增殖 HBV是肝癌最常见的病因,其编码的HBx具有致癌性。研究表明,PIN1和HBx可以在特定的丝氨酸-脯氨酸基序上相互作用,从而增强HBV感染状态下肝细胞的增殖作用[23]。另一项研究发现,肝内胆管癌中PIN1与c-Jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal protein kinase,JNK)活性呈正相关,其主要机制是JNK可直接结合PIN1中丝氨酸115位点并使其磷酸化,这一磷酸化作用阻止了PIN1在赖氨酸117位点的泛素化及其蛋白酶降解。JNK通路的激活主要是通过影响PIN1蛋白稳定性来促进肝内胆管细胞增殖,表明PIN1是肿瘤发生的关键驱动因子[24]。Bae等[25]通过体外细胞实验对p53基因突变与PIN1表达间的相关性研究发现,PIN1介导的脯氨酸异构化可通过调控靶蛋白p53诱导细胞周期阻滞和生长抑制。随着研究的深入,发现p53突变对肝癌生长的作用机制,主要是通过周期蛋白依赖激酶4(cyclin-dependent kinase 4,CDK4)促进p53突变的丝氨酸249磷酸基团与PIN1相结合并依赖PIN1定位于核内,而且结合物随着PIN1的增加而增多,从而促进p53突变的核定位,导致p53突变与c-Myc相互作用,增强依赖c-Myc的核糖体合成,证实了CDK4-PIN1-p53-RS-c-Myc通路在肝癌进程中的作用[26]。Farra等[27]发现,PIN1可通过上调多种细胞周期蛋白和E2F转录因子促进肝癌细胞的增殖,表明PIN1-E2F1是控制肝癌细胞生长的另一个具有吸引力的靶点。β-连环蛋白是Wnt信号通路中的重要分子,它能在Ras相关C3肉毒素底物1(Ras-related C3 botulinum toxin substrate 1,Rac1)的辅助下,迁移至胞核,与转录因子LEF/TCF及多种蛋白形成转录复合体,从而启动靶基因的转录,影响细胞的增殖与分化。张钰[28]发现PIN1与β-连环蛋白的表达呈正相关,其机制可能是PIN1激活了Wnt/β-连环蛋白通路,从而促进肝细胞癌的发生和发展。微小RNA(microRNA,miRNA)结合与功能实验表明,过表达miR-140-5p不仅可以降低PIN1的表达,还可以抑制多种PIN1依赖的癌症途径,并抑制小鼠的肿瘤生长[29]。由此可见,PIN1可用不同的方式参与肝癌细胞的增殖。

3.2PIN1与肝癌转移 早期发现或预测肝癌转移的分子标志物,对于肝癌患者的治疗管理和确定新的治疗靶点以抑制肝癌的进展和转移至关重要。Ng等[15]通过随机对照试验对139例肝癌患者中PIN1的表达水平与肿瘤转移的相关性进行研究,发现肝癌标本中PIN1转录水平显著高于配对的癌旁组织,且PIN1高表达与肝癌患者的肿瘤转移和无复发生存率密切相关,这也是预测肝癌根治切除术后转移复发的独立危险因素。另一项研究发现,瑞格拉非尼耐药的肝癌细胞株,不仅可通过敲除或过表达PIN1调控上皮间质转化相关分子(上皮钙黏附素和Snail)来实现相应抑制或促进肝癌细胞的迁移和侵袭,而且可通过与上皮间质转化调节因子Gli1的相互作用,影响肝癌细胞的上皮间质转化、迁移、侵袭和转移等生物学行为[30]。Sun等[31]研究发现,PIN1可通过改变细胞外调节蛋白激酶磷酸化后输出蛋白-5(exportin-5)的构象,导致miR-122负载减少,以增加微管动力学相关蛋白的表达,从而参与肝癌的迁移。因此,PIN1与肝癌的转移活性密切相关。

3.3PIN1与肝癌血管生成 肿瘤血管的形成能促进肿瘤的发生、发展,而肝癌作为一种高度侵袭性的多血管性肿瘤,其疾病进展有赖于活跃的血管生成。肿瘤血管生成主要受血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的表达调控,其通过刺激血管通透性诱导肿瘤血管生成,促进肿瘤发展进程[32-33]。研究发现,PIN1高表达可增加人肝星形细胞激活蛋白-1(activator protein-1,AP-1)的转录活性和VEGF蛋白水平。AP-1的转录活性通过与c-Fos和c-Jun形成异二聚体进行调控,而PIN1可通过结合c-Fos和c-Jun来增加其转录活性,进而增强AP-1的活化活性,导致VEGF基因转录的增加。这表明在肝细胞中PIN1可通过调控AP-1活性促进VEGF介导的血管生成[34]。此外,另一项细胞体外实验显示,抑制PIN1表达可降低肝癌细胞中VEGF的蛋白表达量,从而抑制核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)通路的磷酸化,降低NF-κB的活化,阻碍肿瘤血管生成[17]。因此,PIN1能通过底物蛋白活化调控VEGF介导的肝癌血管生成。

3.4PIN1与肝癌细胞凋亡 PIN1除了参与上述功能,还影响肝癌细胞的程序性死亡,即细胞凋亡。Zheng等[19]发现,索拉非尼能通过Rb/E2F途径抑制PIN1的转录,从而下调PIN1 RNA和蛋白的表达。敲除PIN1可导致Mcl-1的表达降低,从而增强索拉非尼在肝癌中诱导细胞凋亡的能力。此外,抑制并最终诱导癌细胞中活性PIN1的降解,也可通过依赖含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteinyl aspartate specific proteinase,caspase)的方式增加索拉非尼诱导的肝癌细胞凋亡敏感性。这些结果表明,PIN1在索拉非尼抗肿瘤细胞凋亡过程中发挥重要作用。生存素(survivin)的抗凋亡功能在包含肝癌在内的多种癌症中起着关键作用,其在肝癌中与PIN1的表达呈正相关。通过细胞系和异种移植模型研究发现,过表达PIN1可抑制caspase-3和caspase-9活性导致凋亡减弱。此外,在过表达PIN1的细胞中下调survivin可减弱PIN1诱导的抗凋亡作用,提示抑制凋亡可通过PIN1-survivin相互作用介导。免疫共沉淀分析也表明PIN1可通过磷酸化的苏氨酸34-脯氨酸35基序与survivin相互作用,并增强苏氨酸34位点磷酸化的survivin、HBx蛋白和caspase-9前体之间的结合。证实PIN1可通过survivin蛋白参与肝癌细胞的凋亡功能[35]。此外,Leong等[36]研究证实,miR-874-3p在肝癌细胞系可通过靶向PIN1抑制细胞生长和集落形成,从而促进细胞凋亡。综上所述,PIN1在肝癌细胞的凋亡过程中可通过调控多种底物蛋白发挥重要作用。

4 结语

肝癌是一种具有很强侵袭性且预后不良的癌症,其发生、发展过程中重要分子靶点的识别可能促进新的诊疗方法的发展。PIN1表达失调与肝癌肿瘤大小、分期和复发等临床特征密切相关。PIN1通过调控底物蛋白磷酸化异构在多种通路中参与肝癌进程。因此,PIN1高表达所产生的多种致癌效应使得PIN1很有可能成为肝癌诊断和治疗的靶点,但仍需要进一步的研究和临床试验来检验PIN1在肝癌诊治中的安全性和有效性,这也将是今后研究的重点。相信随着研究的深入,将逐步揭示PIN1在肝癌发生、发展中的机制,为肝癌的诊断和治疗提供更多的研究基础和理论依据。