SEL1L分子及内质网相关降解途径在肿瘤进展中的作用

刘玉仑 王永强 杨 洁 夏 圣 陈 华

SEL1L分子是SEL1L (suppressor/enhancer of lin-12-like)基因定位于人染色体14q24.3～31,在1997年从人基因组中分离,其序列与秀丽隐杆线虫SEL1基因序列相似,在进化过程中高度保守,可能是细胞生命进程的重要决定因子[1]。它在基因组上由21个具有编码假定蛋白质亚型的多个替代转录本的外显子组成。这种结构的复杂性确保了该蛋白的灵活性和特异性。在蛋白质结构上,该蛋白由多个功能域所组成,主要包括:信号肽功能域、Pest功能域、Ⅱ型纤维连接蛋白功能域、SEL1样重复功能域(SLR基序)、Hrd3样motif、跨膜区和胞内富脯氨酸区[2]。研究表明,SEL1L分子参与了多种细胞过程,包括各种类型肿瘤的发生、干细胞分化以及霍乱毒素向胞质的反转录易位[3]。SEL1L分子还作为 E3泛素连接酶HRD1 的内质网驻留跨膜衔接蛋白,参与内质网中蛋白质的质量控制[4]。

内质网(endoplasmic reticulum, ER)是在细胞质内由生物膜组成的连续封闭的网状管道系统,其主要功能是折叠、修饰、运输、降解蛋白质[5]。内质网相关降解(endoplasmic reticulum -associated degradation,ERAD)是细胞中一种保守的质量控制机制,负责将错误折叠的蛋白质逆转位到细胞质中,以进行蛋白酶体降解,其作用过程涉及多个步骤,包括靶蛋白识别、提取、多泛素化和降解等[6]。在ERAD的简化模型中,分子伴侣和凝集素可以识别未折叠或错误折叠的新生多肽底物;随后,未折叠蛋白与这些伴侣分子结合并进一步传递到ERAD配体;最后,多泛素化底物通过逆转位通道进入细胞质,并被26S蛋白酶体降解[7]。其中,ER膜上接头蛋白SEL1L与 E3泛素连接酶 HRD1组成的蛋白复合物是ERAD中最保守的成员,参与对上述蛋白的转运和降解[4]。在肿瘤微环境中,ERAD不仅调控肿瘤细胞的生物学行为,也参与对免疫细胞的调节。本文现就SEL1L分子及其参与的内质网相关降解途径在肿瘤进展与免疫调节中的作用简要综述。

一、SEL1L分子与肿瘤进展

目前,对于SEL1L分子的研究大多集中在肿瘤领域。研究表明,SEL1L分子的表达水平在不同种类肿瘤中并不相同,其在胰腺癌、乳腺癌中表达下调,而在胃癌、非小细胞肺癌、宫颈癌、弥漫大B细胞淋巴瘤中表达上调。在大多数新生肿瘤中,SEL1L基因通常表达正常,但在胰腺癌中,其转录被下调或完全抑制;对74例原发性胰腺腺癌组织进行免疫组化染色发现,有36%的肿瘤样本SEL1L蛋白表达缺失。并且,体内外研究证实,上调SEL1L表达可以抑制胰腺癌细胞的生长和侵袭[8]。在乳腺癌研究中也有类似的发现。如对117例浸润性乳腺癌样本的检测发现,约有30%病例SEL1L表达缺失,同时其表达降低与临床患者的不良预后显著相关;另在细胞水平的研究发现,SEL1L可以抑制MCF-7乳腺癌细胞的增殖和侵袭能力[9]。

而对96例胃癌组织免疫组化染色结果显示,胃癌组织中SEL1L的阳性表达率为84.4%(81/96);并且分化越差,阳性率越高,提示SEL1L可能与胃癌的发生、发展密切相关[10]。在Ferrero等[11]研究报道中,76例非小细胞肺癌中63例(83%)有SEL1L蛋白表达,其亚细胞定位与肿瘤组织类型相关,即细胞质免疫反应性与鳞状细胞癌相关,核免疫反应性与腺癌相关。对205例不同级别子宫颈上皮内瘤变、宫颈癌及正常宫颈组织SEL1L蛋白表达分析数据表明,SEL1L在CIN/肿瘤中的表达明显升高,并且随瘤变级别增加上调其表达,可能有助参与宫颈癌的诊断[12]。在123例弥漫大B细胞淋巴瘤(diffuse large B cell lymphoma, DLBCL)组织中SEL1L的高表达率为69.9%,明显高于反应性淋巴组织增生,提示SEL1L可能在DLBCL发生、发展过程中起重要作用[1]。

对于35例食管鳞状细胞癌患者的研究数据显示,SEL1L蛋白在正常黏膜样本中不表达,在轻度不典型增生中表达较弱,在重度不典型增生中较强,说明食管鳞状细胞癌中的 SEL1L 可能在肿瘤形成的早期阶段发挥作用[13]。类似的,在结直肠肿瘤中,SEL1L分子的表达与从腺瘤到癌的进展过程中存在显著相关性,尤其在中-高分化腺癌高表达,而在未分化癌中表达水平明显降低,表明其具有促进瘤癌转化的潜能[14]。

在神经胶质瘤中,SEL1L 蛋白表达水平反映了肿瘤的增殖率、恶性程度和内质网应激状态[15]。另一项针对110个不同分子亚型和分级的成人胶质瘤的研究发现,SEL1L在恶性程度较高的间变性胶质瘤和胶质母细胞瘤中过度表达,并且其过表达程度与TERT启动子突变、EGFR基因扩增、10q LOH显著相关,与IDH1/2突变相互排斥,提示SEL1L可作为TERT 突变体/EGFR 扩增/IDH-WT这些最常见胶质母细胞瘤亚组的潜在生物学标志物[4]。

目前的研究提示,依据肿瘤类型不同,SEL1L分子发挥的功能不同,其在胰腺癌、乳腺癌中发挥抑癌作用;而在消化道肿瘤、宫颈癌、神经胶质瘤中,SEL1L分子可以作为肿瘤组织分化进展、特定恶性亚组的潜在生物学标志物。同时,作为ERAD的基本组成部分,SEL1L分子调控肿瘤进展的机制可能与内质网应激及相关通路激活相关。

二、ERAD与肿瘤细胞

内质网相关降解(endoplasmic reticulum -associated degradation,ERAD)是内质网的蛋白质质量控制机制,其通过泛素蛋白酶体系统清除胞内的错误折叠或未折叠蛋白[6]。在某些病理生理条件下,ER 稳态遭到破坏,胞内产生的大量超出ERAD清除能力的非正常折叠蛋白质可使细胞处于“内质网应激”(ER stress)状态,进而激活未折叠蛋白反应(unfolded protein response, UPR),以缓解胞内应激压力,直至恢复ER稳态,在哺乳动物细胞中,UPR主要通过内质网膜上的3种跨膜传感器:IRE1α、PERK及激活转录因子6(activating transcription factor 6,ATF6)发挥作用[16]。

肿瘤微环境(tumor microenvironment, TME)中因肿瘤细胞转录、代谢、增殖异常产生的缺氧、ATP 合成障碍、营养缺乏等不利因素会导致肿瘤细胞内发生持续的内质网应激,激活 UPR 反应。持续的 ER 应激通常会激活细胞凋亡信号通路,导致细胞死亡。而肿瘤细胞会发生遗传学及表观遗传学改变,以适应其所面临的不利环境。诸多研究表明,ERAD 参与的 ER应激可调控肿瘤细胞多种生物学行为。例如,在黑色素瘤中,MEK/ERK信号通路介导的蛋白质合成增加激活ER应激的同时,也增强细胞的增殖能力、抑制其凋亡,形成对慢性ER应激的适应增强,从而促进黑色素瘤的进展[17]。

研究表明,IRE1α-XBP1信号通路激活还可以诱导乳腺癌细胞中EMT相关转录因子Snail基因的转录,促进乳腺癌细胞发生EMT,使其迁移及侵袭能力增强[18]。在内质网应激诱导的UPR通路中,IRE1α通过直接结合细丝蛋白 A来控制肌动蛋白细胞骨架动力学并促进肿瘤细胞黏附,进而促进肿瘤细胞驻留[19]

内质网应激中IRE1α及PERK可以激活STAT3及核因子(neuclear factor,NF)-κB信号通路,促进抗凋亡基因如 Bcl-2家族基因(如Bcl-2、Bcl-XL等)、caspase-8抑制基因(如c-FLIP、MCL-1)及凋亡抑制蛋白(inhibitor of apoptosis proteins,IAP)等的表达激利于肿瘤细胞获得更强的生存能力[20]。

内质网应激信号分子XBP1s、ATF4及ATF6f还可以通过直接结合到VEGF等促血管新生基因启动子上,上调其转录水平,促进肿瘤血管新生[21]。此外,UPR信号通路还参与调解肿瘤休眠及苏醒过程[22]。上述研究表明,ERAD 参与的 ER应激及后续激活的UPR信号通路参与调控肿瘤细胞的增殖、侵袭、转移等诸多行为,对肿瘤进展发挥重要作用。

三、ERAD与肿瘤免疫

肿瘤微环境中有大量免疫细胞的浸润,肿瘤的发生、发展是肿瘤细胞与免疫细胞在此条件下相互斗争的结果。细胞免疫和体液免疫功能依赖免疫细胞的活化、增殖和再分化,这需要免疫细胞如树突状细胞(dendritic cells,DC)、巨噬细胞、髓源性抑制细胞(myeloid-derived suppressor cells,MDSCs)、B细胞、T细胞和自然杀伤(natural killer cell,NK)细胞大量合成各种免疫效应分子,包括各种膜免疫分子、分泌的细胞因子和抗体,这些胞内新合成蛋白质同样需要 ER 内的 ERAD 对其进行质量控制。文献表明,SEL1L-HRD1组成的ERAD复合体调控参与抗原递呈细胞的MHC Ⅰ分子在内质网内的合成与折叠,也可通过Bip依赖的蛋白酶体降解途径参与对前 B 细胞受体(pre-B cell receptor, pre-BCR)蛋白的调节,参与调控B细胞发育[23]。

因此,肿瘤微环境多种因素激活的 ER 应激一方面可以调控肿瘤细胞的生长,也会对肿瘤内浸润免疫细胞功能产生影响,影响免疫细胞的抗肿瘤功能。

1.调节免疫细胞功能:目前的研究表明,肿瘤微环境中ER应激及激活的UPR信号通路可以调控免疫细胞功能。例如,ATF4/CHOP 通路激活上调TNF相关的凋亡诱导配体受体(TNF-related apoptosis-inducing ligand receptor,TRAILR)的表达,促进肿瘤浸润骨髓源性抑制细胞(myeloid-derived suppressor cells,MDSCs)凋亡,调节肿瘤免疫应答[24]。肿瘤微环境中由 IRE1α-XBP1 信号驱动的 ER 应激反应可以诱导凝集素型氧化低密度脂蛋白受体1 (lectin-like low density lipoprotein receptor-1,LOX-1)的表达,从而调节MDSCs活性、抑制肿瘤免疫、促进肿瘤细胞生长。在肿瘤相关MDSCs中,活性氧(reactive oxygen species,ROS)和过氧亚硝酸盐(peroxynitrite,PNT)可诱导CHOP通路使MDSCs聚集并促进多种癌症小鼠模型中T细胞功能的抑制[25]。PERK激活可以增强肿瘤相关MDSCs的活性,使得T 细胞功能障碍;而MDSCs中PERK缺失则促进干扰素的产生,诱导抗肿瘤免疫反应[26]。

在卵巢癌模型中,IRE1α-XBP1持续激活导致肿瘤相关树突状细胞(tumor associated dendritic cells,tDCs)功能障碍,从而抑制 tDCs 支持的 T 细胞抗肿瘤免疫应答,导致卵巢癌进展[27]。在黑色素瘤中,环境传感蛋白(general control nonderepressible 2,GCN2)调控肿瘤浸润巨噬细胞的极化和MDSCs的功能,并且驱动ATF4在MDSC细胞中诱导的免疫抑制活性。同时,抑制PERK/CHOP也可驱动肿瘤浸润性骨髓间充质干细胞减弱免疫抑制功能。在黑色素瘤小鼠模型中,IRE1α-XBP1 信号能维持 NK 细胞增殖能力,与野生型比较,将 B16F10黑色素瘤细胞静脉注射到缺乏 IRE1α-XBP1 的NK 细胞条件性敲除小鼠中,会导致肿瘤内 NK 细胞浸润减少、肺结节增加和宿主存活率降低;IRE1α-XBP1的激活也会促进免疫调节剂PDL1和精氨酸酶-1的表达,调节巨噬细胞抗肿瘤免疫功能[28]。可见,ER应激及相关通路可以调节肿瘤微环境中不同类型免疫细胞的功能,从而影响抗肿瘤免疫效应。

2.调节免疫细胞代谢:在由肿瘤细胞的高代谢活性导致的营养物质缺乏和低氧的微环境中,肿瘤细胞与浸润的免疫细胞之间存在代谢竞争。研究表明,ER应激及相关通路也参与了对免疫细胞代谢途径的调节。IRE1α-XBP1信号通路激活可以诱导tDCs 中转录驱动的甘油三酯生物合成和脂滴形成途径,引起脂质积累,降低tDCs的抗原递呈能力,抑制肿瘤免疫反应[20]。在卵巢癌中,IRE1α-XBP1信号通路的激活限制了谷氨酰胺的丰度,使卵巢癌腹腔积液浸润T细胞的线粒体呼吸受抑制,从而抑制其线粒体活性,抗肿瘤效应减弱[29]。肿瘤组织中胆固醇的积累通过内质网应激导致浸润CD8+T细胞XBP1激活,调控PD-1和2B4的转录,抑制其抗肿瘤活性,同时破坏其脂质代谢,增加T细胞耗竭,进一步减弱抗肿瘤功能[30]。在小鼠癌症模型中,CHOP可抑制肿瘤内CD8+T细胞中干扰素γ的产生,并且对CD8+T细胞的糖酵解和线粒体呼吸产生负调控,卵巢癌患者肿瘤浸润的CD8+T细胞中在内质网应激相关的激酶PERK诱导下CHOP表达增加,使其抗肿瘤免疫能力受到抑制[31]。肿瘤微环境具有调节免疫细胞代谢的特点,其中,ER应激相关通路可以通过破坏免疫细胞代谢途径,抑制免疫细胞抗肿瘤作用。

四、展 望

ERAD是负责转运细胞中错误折叠蛋白的质量控制机制,SEL1L分子作为ERAD的重要组成部分,和包括肿瘤在内的多种疾病有着密切联系。内质网应激引起的UPR作为调节细胞适应不利微环境的最为重要的信号通路之一,在肿瘤细胞生长、分化和维持蛋白质稳态等过程中发挥着至关重要的作用;细胞免疫和体液免疫功能依赖免疫细胞的活化、增殖和再分化,该过程同样需要ERAD进行质量控制。肿瘤微环境中多种因素激活的 ER 应激及 ERAD 一方面可以调控肿瘤细胞的生长,另一方面也会对肿瘤浸润免疫细胞功能产生影响,影响免疫细胞的抗肿瘤功能。

随着单细胞分析、时空转录组测序及高通量多组学技术的发展,针对肿瘤微环境中相关生物学过程的研究日趋精准化。尽管许多研究已经阐明了ER 应激在肿瘤发生过程中的功能和机制,但是将肿瘤微环境作为整体,系统性评估ER 应激及 ERAD对TME中各类型细胞的具体影响,尤其是对TME中肿瘤细胞与免疫细胞代谢重编程的机制影响以及相关治疗靶点的筛选是当下研究的热点前沿。除了免疫细胞外,内皮细胞和肿瘤相关成纤维细胞(cancer associated fibroblasts,CAFs)也是TME的重要组成部分,对肿瘤进展发挥相应作用,但有关ER应激及 ERAD对这些细胞的作用了解有限[32]。因此未来进一步研究在肿瘤进展和治疗过程中,ER应激在内皮细胞、CAFs和其他基质细胞中的作用也是十分必要的。

目前,以免疫检查点抑制剂为代表的免疫治疗在某些类型肿瘤(如恶性黑色素瘤和肺癌)中取得了较为显著的临床疗效,遗憾的是,当前临床上仍有很大比例的肿瘤患者无法从中获益[33]。针对ER应激及UPR通路药物的疗效虽不优于标准治疗,但可以一定程度破坏肿瘤细胞的侵袭特征并增强抗肿瘤免疫;同时,越来越多证据表明,对ER应激或UPR相关因素的调控可以使肿瘤对细胞毒药物、靶向治疗及免疫治疗更为敏感[34]。利用人源性肿瘤异种移植模型和免疫活性小鼠模型进行更大规模的基础以及临床前研究,可以有助于发现改善肿瘤治疗,尤其是免疫治疗的新的有效组合方案,更好地服务于临床实践。综上所述,未来深入了解探索肿瘤微环境中SEL1L分子及ERAD的潜在机制,为肿瘤发生、发展及免疫治疗提供新理论和新靶点。