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Hypoxia/VHL途径在肾透明细胞癌中研究热点的文献解读

时间:2019-12-12 20:51:03  来源:  作者:

Hypoxia/VHL途径在肾透明细胞癌中研究热点的文献解读

衡宝利   暨南大学附属第一医院

 

       衡宝利,暨南大学附属第一医院泌尿外科,外科学博士。致力于肾癌及肾移植方向研究。参与国家自然科学基金《En-2对肾透明细胞癌细胞生物学行为的影响及分化调控机制的研究》(81460386)、广州市科技计划项目重大专项《肾移植急性排斥反应前期预警关键标志物体系的建立》(33011004)等多项国家、省市级课题研究。科研成果已署名发表SCI论文10 篇,其中以第一作者或共同第一作者3 篇,研究论文被《TRANSPLANTATION》《WORD JOURNAL OF TRANSPLANTATION》等杂志引用。目前为国家重点研发计划“重大慢性非传染性疾病防控研究”重点专项《糖尿病的危险因素早期识别、早期诊断技术与切点研究》(2016YFC1305700)项目骨干成员。

      肾细胞癌(renal cell carcinoma, RCC)简称肾癌,又称肾腺癌,是起源于肾实质泌尿小管上皮系统的恶性肿瘤。在过去数年,RCC发生率持续增长,全世界范围内每年有134,000例患者因其死亡。RCC是一种因具有不同的基因和分子突变而异质性明显的肿瘤,其突变也以不同的病理亚型为基础。最常见肾癌病理类型有3种,分别是肾透明细胞癌(clear cell renal cell carcinoma,ccRCC)、1型和2型乳头状肾细胞癌(papillary renal cell carcinoma,pRCC)及嫌色肾细胞癌(Chromophobe renal cell carcinoma,chRCC)。大约80%的RCC都是透明细胞类型,约2–3%的肾癌患者具有家族遗传性,其可根据基因及表型分为不同的常染色体显性遗传肾癌综合征,并伴随许多和肾细胞癌有关的基因变异,如VHL、MET、FLCN、TSC1、FH等。本文就近年Hypoxia(低氧)/VHL途径在ccRCC中的研究热点进行简要文献解读,以期为ccRCC相关研究提供参考。

一、依赖HIF 的Hypoxia(低氧)/VHL途径

      Von Hippel-Lindau(VHL)基因定位于染色体3p25,与ccRCC遗传和发生有关,VHL蛋白对肿瘤起抑制作用。在ccRCC中,92%常发生VHL基因突变,导致基因失活和功能丧失。通过杂合遗传导致的VHL等位基因的失活及缺失与RCC发病相关,这种发生率接近70%。大多数散发性RCC的特点是通过遗传或体细胞突变导致的VHL等位基因失活。VHL等位基因失活导致VHL调节蛋白的缺失。而VHL蛋白主要调节细胞对缺氧的应激,其作用机制主要是通过调节缺氧诱导因子-α的释放(HIFα)发挥功能。

      VHL蛋白与大量的蛋白质形成稳定的复合物,其中包括cullin-2、elongin-B和elongin-C,其和elongins B及elongins C形成的复合体(VBC),作为构成E3泛素连接酶复合体的关键组分,当复合物和VHL底物蛋白(靶蛋白)结合时,通过蛋白酶体对靶蛋白进行降解,进而调节靶蛋白浓度,在VHL功能中发挥重要作用。此外,VHL蛋白还可以调节细胞胞质分裂和细胞周期,维持原纤毛,控制微管功能,维持细胞外基质的完整性。

       氧感应发生在肾脏内,调节促红细胞生成素以及许多其他因素的产生。肾氧分压的变化发动包括VHL蛋白、低氧诱导因子α(hypoxia inducible factor α,HIFα,包括HIF1α和HIF2α)、HIFαβ复合物及靶向作用于HIF的基因等多个相互影响的因素,最终激活或抑制多个细胞进程。α亚基是VHL复合物的底物,其对氧分压敏感。在正常氧分压下,VHL蛋白组成E3泛素连接酶复合体,并通过E3泛素连接酶复合物降解HIF-α。HIF - α降解可阻止结合转录基因的HIFαβ复合物的形成,而HIFαβ复合物可靶向作用于低氧反应元件调节低氧基因的表达。目前普遍认为氧分压控制着HIFα亚基残基的翻译后脯氨酸羟化,从而导致了HIFα的不稳定性。氧浓度正常时,脯氨酰羟基化导致HIFα与VHL蛋白E3泛素连接酶结合,导致蛋白酶体内复合物降解。 当存在缺氧时,脯氨酰羟化酶活性阻止HIFa蛋白水解并允许活性复合物的形成和HIF靶基因的激活。该级联促进细胞增殖、血管生成和代谢重排。 其中一些过程是HIF1a和2a调节产生血管内皮生长因子(VEGF)、血小板衍生生长因子和TGF-a引起。

      E3泛素连接酶复合体靶向HIFα(HIF1α和2α)起泛素化和降解作用,这有助于肾癌表型转变。研究表明,VHL和HIF1α的相互作用通过iron-和2-酮戊二酸依赖的加双氧酶的EglN 家族成员(EglN1、EglN2和EglN3)使HIF1α脯氨酸残端(脯氨酸 402和564)羟基化实现。因此,VHL的缺失可导致HIFα累积并易位至细胞核,随后被激活,HIF靶向基因涉及多个重要致癌通路,包括血管生成、糖酵解、糖转运及红细胞生成等。目前认为,肿瘤的形成与VHL蛋白缺乏情况下以不受管制的方式产生的各种生长因子和血管生成因子的联合作用有关。值得注意的是,尽管发生了完全的VHL基因失活,但其对临床结果和疾病进展的影响尚不清楚。 例如,VHL病患者的肿瘤与散发性透明细胞肾癌相比,分级通常较低且转移的可能性较小。在侵袭性散发性RCC中,其他信号通路和细胞过程可能更为重要。RCC的恶性行为似乎与“明显”缺氧和HIF通路及靶基因失调有关。

       除了透明细胞RCC中的HIF-缺氧途径之外,许多代谢异常与观察到的副肿瘤综合征相关。 HIF活化是由于VHL蛋白抑制功能的丧失模拟“缺氧”并将细胞从有氧呼吸转换为无氧呼吸。 HIF通过增加糖酵解酶的转录及丙酮酸的代谢来增加糖酵解的,通过糖酵解产生丙酮酸的原理是通过增加丙酮酸脱氢酶激酶-1的活性,阻止三羧酸循环获得丙酮酸。下调线粒体氧化磷酸化和减少三羧酸酶也有利于有氧糖酵解。此外,ccRCC中还观察到有氧糖酵解,谷氨酰胺途径重编程和精氨酸合成异常,这是由于缺乏精氨酸琥珀酸合成酶-1所导致。图1显示了与ccRCC相关的各种代谢途径,这支持了这种恶性肿瘤不仅是一个瘤体生长过程而且也是“代谢性疾病”的观点,这些途径为RCC治疗提供了靶点。

       ccRCC中假性缺氧状态的临床实例包括通过增加VEGF水平而增加的肿瘤血管生成以及由于升高的促红细胞生成素水平导致的血红蛋白水平增加。重要的是要认识到这种HIF缺氧途径提供了治疗靶点和使用特异性抑制剂钝化生物化学途径生物靶向治疗原理,这些抑制剂提供较高的特异性而副作用更小。

                                                                

       图1、ccRCC代谢途径失调的研究 肾癌细胞增加葡萄糖摄取,糖酵解并产生乳酸,导致丙酮酸进入三羧酸(TCA)循环减少。同时也改变了谷氨酰胺代谢,产生谷胱甘肽并减少活性氧(ROS)。增加色氨酸代谢,导致免疫抑制代谢物犬尿氨酸水平增加。这些途径为肾细胞癌治疗提供了思路。(图片来自Perazella MA,Kidney international 2018)

二、非依赖HIF 的Hypoxia/VHL途径

       即便HIFα的降解在VHL的肿瘤抑制功能中很重要,越来越多的证据显示存在其他的VHL底物作用。如在VHL缺乏的ccRCC中VHL介导的细胞间连接是通过非依赖HIF机制作用的。ccRCC中VHL缺乏时,AKT、Notch 信号通路和NF-κB处于持续激活状态。在低氧信号通路中,VHL调控的一些新的底物基因也可能发挥重要作用(图2)。 Hypoxia/VHL 和Lactate(乳酸)–NDRG3–Raf–ERK轴 Lee 等研究发现低氧环境下NDRG3 与乳酸结合并累积,与c-Raf 作用激活Raf-ERK 通路导致低氧细胞生长和血管生成。一旦和乳酸结合,NDRG3 就保持稳定状态,提示乳酸–NDRG3–Raf–ERK轴可在持续低氧条件下维持肿瘤进程。这同时为新陈代谢与下游基因调控及细胞应答信号转导的联系提供了新的思路。新陈代谢的变化是肿瘤的印记,其从根本机制上显示了肿瘤的弱点。糖、谷氨酰胺、脂类等大量的营养波动伴随着其氧化效应或VHL状态。所以代谢通路的转变和肿瘤快速生长的细胞内适应有关,这需要在未来通过研究进一步阐明。 Hypoxia/VHL–AKT–mTOR轴 PI3K/AKT/mTOR信号通路是公认的细胞生长调控通路。AKT在Thr308 and Ser473的磷酸化增加了其激酶活性,刺激其下游mTORC1基因活化,导致细胞生长增殖的多种生物合成通路活性增强。PI3K/AKT/mTOR通路伴随hypoxia/VHL改变。研究显示缺氧或者VHL作用时,AKT被激活并促进肿瘤生成。hypoxia/VHL和AKT信号通路的联系涉及microRNA 调控、亚细胞间隔和转录后调控等多个生物学进程。Zhang等研究提出在VHL缺乏的ccRCC 和低氧肿瘤中靶向PI3K/AKT/mTOR的治疗策略可能克服药物耐受。 VHL–NF-κB轴 NF-κB是重要的炎症调节因子。NF-κB家族包括p65 (RelA)、c-Rel、RelB、p50/p105 (NF-κB1)及p52/p100 (NF-κB2)。NF-κB高的激活状态可以促进对化疗和细胞因子治疗的耐受,并和ccRCC的不良结局相关。研究表明低氧可以通过EglN2负性调控IKKβ诱导NF-κB激活,在VHL缺乏的ccRCCC中NF-κB激活也是增加的。VHL失活的ccRCC细胞对TNF细胞毒作用耐受,但其对TNF的敏感性可以通过重建野生型VHL基因修复,部分通过抑制依赖NF-κB的抗凋亡通路发挥作用。然而,VHL调控NF-κB活化的方式仍不清楚。有学者提出VHL作为适配器促进抑制NF-κB激动剂Card 9的磷酸化。作为E3泛素连接酶复合体的底物识别模块,VHL底物是否参与了肿瘤中NF-κB通路激活的调控仍有待进一步研究证明。

       炎症和肿瘤的关系近年成为关注的热点。已有研究证明肿瘤驱动的炎症反应产生的多种化学物质是肿瘤发生和进程中所必需,包括维持细胞增殖的生长因子(如VEGF),抑制细胞凋亡因子(如BCL2),促进血管形成、细胞侵袭和转移的细胞外基质修饰蛋白(如MMP)等。肿瘤驱动的炎症反应已经被认为是很有前景的靶点。除了NF-κB,AP-1、CEBP和JunB等均涉及炎症反应和低氧/VHL相关的肿瘤进程。低氧或VHL与炎症的联系是目前研究的热点。 EglN3–VHL–EPOR轴 红细胞产生提高了氧携带能力,使机体能在严酷的低氧环境下存活。EPO刺激促红素受体(EPOR)-JAK2-STAT5信号通路,使细胞增殖并最终分化为成熟的携氧红细胞。EPO 受外源EglN1-VHL-HIF信号通路调控。Heir等发现EPOR受非依赖HIF的内源性EglN3-VHL-EPOR信号调控。但EglN3-VHL-EPOR信号轴与低氧及VHL功能关系需要进一步研究阐明。 VHL–B-Myb轴 B-Myb是可调控细胞周期、染色体固缩和稳定的转录因子。研究表明VHL靶向作用B-Myb使其泛素化和蛋白降解,B-Myb损耗促进了肿瘤生长,但其具体分子机制仍不清楚。

       图2、Hypoxia/VHL途径在ccRCC中的可能作用机制(图片来自Zhang J,Biomedicines 2018, 6(1).)

三、前景展望

      即使HIF1α主要作为肾癌的肿瘤抑制因子,VHL缺失时HIF2α稳定表达足以促进肿瘤生长。因此,HIF2α可作为VHL相关的肾癌的重要治疗靶点。然而,HIF2α被认为是无成药性的。以前,VHL缺乏的ccRCC的靶向治疗策略大多聚焦于使用mTOR抑制剂(如依维莫司和西罗莫司)抑制HIF翻译。很多靶向治疗策略关注使用激酶抑制剂(如贝伐珠单抗、舒尼替尼、索拉菲尼)抑制HIF下游靶基因,包括VEGF和PDGF。最近的研究采用高通量筛选方法筛选出一个高选择性的HIF2α拮抗剂,其不影响HIF1α信号通路。随后的研究在ccRCC细胞株中测试了类药性HIF2α化合物PT2399,PT2399选择性抑制HIF2α(而不是HIF1α)结合ARNT基因,ARNT基因是HIF2α下游致癌靶基因转录激活必须的共调因子,PT2399有效阻止了ccRCC细胞增殖、肿瘤生长和转移。PT2399与当前标准的ccRCC治疗(如舒尼替尼)比较表现出极好的效果和更好的耐受性。目前的PT2399的类似物PT2358正在进行1期临床试验。进一步研究应该鉴定ccRCC中HIF2α抑制剂的预测标记物,这可以帮助在临床中对这些抑制剂进行验证。

       目前针对嵌合体的蛋白酶解(proteolysis targeting chimeras,PROTACs)作为新的有效技术应用于靶向无成药性的蛋白降解。PROTACs包含E3连接酶模块关联到结合期望的细胞目标蛋白模块,诱导目标蛋白接近泛素化,并在蛋白酶作用下降解。VHL已经广泛作为PROTACs的E3连接酶适配器应用。因此,VHL在肿瘤中作为降解无成药性靶蛋白的工具,以获得有效的肿瘤治疗,具有较好的前景。

 

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