金銘 陳金亮 張冬梅 陳建榮南通大學(xué)第二附屬醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科 600;南通大學(xué)第二附屬醫(yī)院臨床實(shí)驗(yàn)中心 600

肺癌是世界上發(fā)病率和病死率最高的惡性腫瘤,是一個(gè)重大的公共衛(wèi)生問題,每年有新病例120萬和死亡病例159萬。在組織學(xué)上,可以區(qū)分為小細(xì)胞肺癌和非小細(xì)胞肺癌(non-small cell lung cancer,NSCLC),NSCLC是最常見的肺癌惡性形式,占全世界肺癌病例的80%～90%[1]。盡管肺癌在早期發(fā)現(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)治療方面取得了進(jìn)展,但由于發(fā)現(xiàn)晚、轉(zhuǎn)移早,大約10%的肺癌患者在確診后能有5年的生存率,其仍是世界上癌癥相關(guān)死亡的首要原因[2]。基于腫瘤中存在的基因改變,新的靶向治療開始出現(xiàn),研究重點(diǎn)逐步放到腫瘤細(xì)胞代謝的關(guān)鍵途徑上。近年來,過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptorγcoactivator 1α,PGC-1α)在肺癌中的研究越來越廣泛。研究顯示,PGC-1α與肺癌密切相關(guān),在肺癌細(xì)胞的增殖、遷移、凋亡及化學(xué)耐藥中均發(fā)揮調(diào)節(jié)作用,研究PGC-1α在肺癌中的作用將有助于尋找新的治療靶點(diǎn)。

1 PGC-1α的基本特性

PGC-1α基因位于人類4號(hào)染色體上,含有798個(gè)氨基酸殘基,并能與核受體過氧化物酶體增殖激活受體γ(peroxisome proliferators-activated receptorγ,PPARγ)共同作用的蛋白質(zhì)分子[2]。PGC-1α的N-末端通過幾個(gè)LXXLL基序與多種轉(zhuǎn)錄因子相互作用,而PGC-1α的C-末端則與TRAP/DIP/Mediator復(fù)合物相互作用。此外,PGC-1α還具有一個(gè)富含絲氨酸/精氨酸的結(jié)構(gòu)域和RNA結(jié)合基序,在m RNA剪接中發(fā)揮重要作用[3]。

PGC-1α是多種核受體和轉(zhuǎn)錄因子的共激活因子,主要在氧化組織中高度表達(dá),如棕色脂肪組織、心臟、肝臟、腎臟、骨骼肌和中樞神經(jīng)系統(tǒng)等[4]。PGC-1α在棕色脂肪組織中誘導(dǎo)適應(yīng)性產(chǎn)熱,在肝臟中誘導(dǎo)糖異生,在肌肉中誘導(dǎo)纖維類型轉(zhuǎn)換,在心臟中誘導(dǎo)脂肪酸氧化[5]。PGC-1α的表達(dá)和活性受多種轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控,以維持其在不同代謝需求下的時(shí)間和組織特異性功能。PGC-1α蛋白通過與核受體PPARγ、細(xì)胞核呼吸因子1(nuclear respiratory factor 1,NRF-1)、細(xì)胞核呼吸因子2(nuclear respiratory factor 2,NRF-2)、糖皮質(zhì)激素受體、甲狀腺激素受體、雌激素相關(guān)受體α(estrogen related receptorα,ERRα)及血管內(nèi)皮生長因子等多種轉(zhuǎn)錄因子共同作用調(diào)節(jié)靶基因的表達(dá),以發(fā)揮其生物學(xué)效應(yīng)(圖1)[6]。PPARγ以其在脂肪生成,產(chǎn)熱和有絲分裂發(fā)生中的作用而聞名,而NRF-1、NRF-2和ERRα對于線粒體的生成、抗氧化防御和對代謝應(yīng)激的快速反應(yīng)具有重要意義。此外,PGC-1α的活性受磷酸化、去乙酰化、乙酰化、甲基化和泛素化等多種翻譯后修飾的調(diào)節(jié)[7],這些修飾是影響PGC-1α轉(zhuǎn)錄活性和穩(wěn)定性的主要因素。例如,AMP活化蛋白激酶AMPK和P38等應(yīng)激感受器可以促進(jìn)PGC-1α活性,而AKT磷酸化則抑制其活性[8-9]；沉默信息調(diào)節(jié)因子2同源物1(silent information regulator 2 homolog 1,SIRT1)通過賴氨酸殘基和賴氨酸乙酰轉(zhuǎn)移酶乙?；せ頟GC-1α,并使PGC-1α失活；蛋白精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶1將C末端的精氨酸殘基甲基化后可使PGC-1α激活[10]。

圖1 PGC-1α的調(diào)控機(jī)制[6]

2 PGC-1α與腫瘤

PGC-1α是線粒體生物發(fā)生和能量代謝的主要調(diào)控因子,包括對氧化磷酸化、脂肪酸的合成、脂質(zhì)代謝和活性氧(reactive oxygen species,ROS)水平的調(diào)節(jié)[11]。眾所周知,PGC-1α與糖尿病、肥胖、肌肉、肝臟脂肪變性、神經(jīng)退行性變和心血管疾病等密切相關(guān),其可在細(xì)胞處于惡劣條件下維持代謝的平衡,在預(yù)防慢性疾病方面發(fā)揮著保護(hù)作用[12]。除了參與機(jī)體多種生理和病理的進(jìn)程外,PGC-1α還可以通過多種途徑參與調(diào)節(jié)腫瘤發(fā)生發(fā)展的進(jìn)程。首先,PGC-1α共同促進(jìn)抗氧化基因的表達(dá),保護(hù)癌細(xì)胞免受作為電子傳遞鏈的ROS的影響[13]。其次,PGC-1α能夠調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮生長因子的表達(dá)[14]。另外其在促進(jìn)葡萄糖和脂肪酸分解代謝的同時(shí),還能促進(jìn)糖異和脂肪生成,是癌癥發(fā)生的重要參與因素[15]。

最初,PGC-1α被認(rèn)為是一種通過促進(jìn)線粒體氧化和有氧糖酵解發(fā)揮作用的潛在抑癌因子,但隨著研究的深入,越來越多的證據(jù)表明PGC-1α還可作為促癌因子。例如,研究人員通過PGC-1α敲除實(shí)驗(yàn)觀察到細(xì)胞生長受到抑制,PGC-1α通過激活前列腺癌細(xì)胞中的雄激素受體,從而改變癌細(xì)胞的代謝,導(dǎo)致線粒體生物合成增加以及葡萄糖和脂肪酸氧化,促進(jìn)癌細(xì)胞生長[16]。此外,在砷誘導(dǎo)的皮膚癌患者的腫瘤樣本中PGC-1α表達(dá)增加,這可能與促進(jìn)癌細(xì)胞增殖和增強(qiáng)線粒體生物生成有關(guān)[17]。Bhala等[18]研究表明,PGC-1α通過誘導(dǎo)脂肪生成酶(乙酰輔酶A羧化酶和脂肪酸合成酶)在轉(zhuǎn)基因PGC-1α小鼠中促進(jìn)癌癥發(fā)生和腫瘤生長,PGC-1α基因敲除小鼠可降低化學(xué)誘導(dǎo)的肝癌和結(jié)腸癌的發(fā)生,提示PGC-1α可能刺激腫瘤的發(fā)生。PGC-1α是腫瘤發(fā)生過程中的新興蛋白,其在腫瘤中的作用仍存在爭議。

3 PGC-1α與肺癌

肺癌是全球癌癥相關(guān)死亡的最主要原因,其病死率為所有惡性腫瘤的最高者。多項(xiàng)研究報(bào)道,肺癌是由細(xì)胞增殖和程序性細(xì)胞死亡之間的失衡引發(fā)的,這兩者都依賴于能量代謝的適當(dāng)調(diào)節(jié),這種依賴性導(dǎo)致了線粒體功能障礙與癌癥相關(guān)的分子機(jī)制之間具有一定聯(lián)系。例如ROS的高生成、葡萄糖代謝的改變和肺癌細(xì)胞凋亡功能的改變等,以上因素都與PGC-1α的功能有關(guān)。在肺癌中,PGC-1α的表達(dá)和活性增加與肺癌細(xì)胞的代謝密切相關(guān),可以促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的生長、侵襲、遠(yuǎn)端擴(kuò)散和化療耐藥,PGC-1α在肺癌中起著至關(guān)重要的作用。

3.1 PGC-1α介導(dǎo)肺癌的增殖和遷移 癌細(xì)胞可以通過PGC-1α增強(qiáng)氧化磷酸化、線粒體生物合成和耗氧速率,促進(jìn)線粒體呼吸以增加ATP的產(chǎn)生,為癌細(xì)胞提供快速增殖的能 量 需 求[19]。Han等[20]證 實(shí) 了PPARβ/σ可 以 上 調(diào)PGC-1α的表達(dá),進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),PGC-1α使腫瘤抑制因子AMPK失活,同時(shí)刺激PI3K/AKT誘導(dǎo)NSCLC的增殖和生存反應(yīng)。Taguchi等[21]研究發(fā)現(xiàn)野生型P53肺癌中的PGC-1α的表達(dá)水平顯著高于突變型P53肺癌,在H1944肺腺癌細(xì)胞中,通過PGC-1α敲除實(shí)驗(yàn)觀察到肺癌細(xì)胞的增殖受到抑制,提示PGC-1α可能成為P53野生型肺癌的潛在治療靶點(diǎn)。突變型P53蛋白通常具有促腫瘤功能,可以與促腫瘤轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合并增強(qiáng)其活性,提高腫瘤細(xì)胞的存活率和遷移能力[22]。Basu等[23]研究發(fā)現(xiàn),在肺癌細(xì)胞中使用siRNA敲低PGC-1α后,癌細(xì)胞的增殖受到了抑制,并通過Boyden小室進(jìn)行侵襲實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示肺癌細(xì)胞的侵襲能力受到抑制,證實(shí)了突變型P53通過結(jié)合和調(diào)節(jié)PGC-1α的能力來促進(jìn)肺癌細(xì)胞的遷移和轉(zhuǎn)移。

眾所周知,轉(zhuǎn)化生長因子-β(transcriptional growth factorβ,TGF-β)是一種多效性生長因子,與細(xì)胞的增殖、衰老、凋亡和分化等過程密切相關(guān),其在腫瘤細(xì)胞的侵襲和遷移中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[24],Sohn等[25]研究發(fā)現(xiàn),在肺癌細(xì)胞中,TGF-β可誘導(dǎo)降低腫瘤細(xì)胞PGC-1α及其靶基因的表達(dá),如轉(zhuǎn)錄因子NRF-2、ERR-α和PPAR-γ等調(diào)節(jié)線粒體生物發(fā)生。研究報(bào)道,上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial mesenchymal transition,EMT)是通過延長基于微管的突起和抑制細(xì)胞增殖來促進(jìn)腫瘤細(xì)胞向間質(zhì)基質(zhì)的浸潤,越來越多的證據(jù)表明EMT在腫瘤的進(jìn)展、傷口愈合、侵襲和組織纖維化以及胚胎的發(fā)生中具有重要作用,而PGC-1α是EMT發(fā)揮作用的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因素[26]。PGC-1α可以通過EMT在NSCLC中發(fā)揮關(guān)鍵作用。張佳欣[27]研究發(fā)現(xiàn),在肺癌細(xì)胞中,TGF-β1通過下調(diào)SIRT 1及PGC-lα的表達(dá)使線粒體合成受阻,線粒體功能障礙,從而促進(jìn)EMT的發(fā)生,導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞進(jìn)一步發(fā)生遷移。

3.2 PGC-1α與肺癌細(xì)胞的凋亡 線粒體在能量的動(dòng)態(tài)平衡中起核心作用,是細(xì)胞死亡級(jí)聯(lián)反應(yīng)的控制點(diǎn),PGC-1α作為線粒體功能的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子在細(xì)胞生存中發(fā)揮重要作用,其可通過多種機(jī)制防止細(xì)胞凋亡[28]。研究發(fā)現(xiàn),ROS的產(chǎn)生可以通過誘導(dǎo)抗氧化酶的機(jī)制介導(dǎo)細(xì)胞的凋亡或?qū)χ委煯a(chǎn)生抵抗力,而PGC-1α可以通過誘導(dǎo)超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶的表達(dá)參與ROS的解毒,PGC-1α誘導(dǎo)這些抗氧化酶的能力對于保護(hù)ROS誘導(dǎo)的細(xì)胞損傷和細(xì)胞死亡密切相關(guān)[29]。眾所周知,腫瘤抑制因子P53通過誘導(dǎo)DNA修復(fù)、細(xì)胞周期調(diào)節(jié)、氧化應(yīng)激反應(yīng)和絲裂原活化蛋白激酶信號(hào)相關(guān)基因的表達(dá),從而激活抗凋亡通路[30]。近期研究發(fā)現(xiàn),PGC-1α在調(diào)節(jié)P53介導(dǎo)的肺癌細(xì)胞的凋亡中起關(guān)鍵作用。在代謝應(yīng)激條件下,PGC-1α能夠與P53形成復(fù)合物共同激活細(xì)胞周期抑制因子的轉(zhuǎn)錄,同時(shí)促進(jìn)線粒體生物合成相關(guān)基因的表達(dá)。此外,在PGC-1α敲除的細(xì)胞中氧化應(yīng)激會(huì)導(dǎo)致P53誘導(dǎo)的凋亡產(chǎn)生,該反應(yīng)通過促進(jìn)P53的前期抑制和代謝靶的優(yōu)先反式激活來增強(qiáng)P53的細(xì)胞周期阻滯和代謝功能[31]。另一方面,PGC-1α表達(dá)的增加可以通過維持氧化磷酸化和糖酵解之間的平衡來防止P53誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[32]。

研究發(fā)現(xiàn),SIRT1/PGC-1α/NRF-2信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路與細(xì)胞的氧化和炎癥應(yīng)激有關(guān),在肺癌細(xì)胞中,下調(diào)SIRT1/PGC-1α/NRF-2軸可以誘導(dǎo)CHOP和DR5的表達(dá),進(jìn)而增強(qiáng)癌細(xì)胞對TRAIL誘導(dǎo)的腫瘤細(xì)胞的凋亡。細(xì)胞色素C氧化酶(cytochrome coxidase,COX)是線粒體呼吸鏈中的一種復(fù)合體,COX7A1為其中一種亞型,據(jù)報(bào)道,Mishra等[33]發(fā)現(xiàn)COX7A1基因在肺癌患者中的表達(dá)高度下調(diào),與非小細(xì)胞肺癌之間存在密切聯(lián)系。Zhao等[34]進(jìn)一步的結(jié)果表明,COX7A1過表達(dá)可通過下調(diào)PGC-1α和上調(diào)NOX2來阻斷自噬通量,抑制NSCLC細(xì)胞的增殖和集落形成能力,以促進(jìn)癌細(xì)胞凋亡。

3.3 PGC-1α與肺癌的化學(xué)耐藥 線粒體功能障礙與腫瘤的發(fā)生發(fā)展有關(guān),包括干擾癌細(xì)胞能量代謝、活性氧的產(chǎn)生以及誘導(dǎo)細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)等。多項(xiàng)研究報(bào)道,在肺癌、肝癌、卵巢癌等癌細(xì)胞中,發(fā)現(xiàn)線粒體功能障礙與化療藥物的抗藥性有關(guān),PGC-1α通過與特定的核轉(zhuǎn)錄因子(NRF-1、NRF-2和ERRα)相互作用進(jìn)而影響線粒體呼吸、活性氧防御系統(tǒng)和脂肪酸代謝來對抗癌細(xì)胞死亡[35]。PGC-1α在營養(yǎng)剝奪、氧化損傷和化療的刺激下被激活,促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞的生物合成,并誘導(dǎo)了癌細(xì)胞對化療藥物的耐藥性。紫杉醇作為一線化療藥物之一被廣泛用于非小細(xì)胞肺癌、乳腺癌和卵巢癌等腫瘤的治療。已知紫杉醇耐藥的分子機(jī)制與多藥耐藥蛋白的過度表達(dá)、β-微管蛋白亞型的改變和凋亡途徑的調(diào)控等密切相關(guān)[36]。在最新的研究中,Zhou等[37]研究結(jié)果顯示PGC-1α在紫杉醇耐藥肺癌細(xì)胞中的表達(dá)顯著上調(diào),同時(shí),NRF-1、NRF-2、ERRα和PPARα均上調(diào),在肺癌細(xì)胞中PGC-1α及其下游基因的表達(dá)隨著紫杉醇慢性毒性的增加而增加,在這種情況下,線粒體生物發(fā)生途徑受到刺激,以損害和維持紫杉醇耐藥癌細(xì)胞中的線粒體。由上可知,PGC-1α與特定的核轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合對線粒體融合、分裂和生物學(xué)功能產(chǎn)生影響,而這些變化可以導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞發(fā)生紫杉醇耐藥。

Cruz-Bermúdez等[38]研究發(fā)現(xiàn),通過轉(zhuǎn)染siRNA敲低PGC-1α或使用氧化磷酸化抑制劑(二甲雙胍和魚藤酮)降低PGC-1α的表達(dá),可使順鉑的作用增強(qiáng)。而增加PGC-1α的表達(dá)水平,肺癌細(xì)胞的順鉑敏感性降低,可以減少CDDP誘導(dǎo)的凋亡反應(yīng),PGC-1α的表達(dá)、癌細(xì)胞內(nèi)線粒體質(zhì)量與順鉑誘導(dǎo)的肺癌細(xì)胞凋亡有關(guān)。線粒體質(zhì)量的增加和氧化磷酸化功能增加是肺癌對順鉑治療耐藥的復(fù)發(fā)機(jī)制,重要的是,順鉑耐藥的NSCLC細(xì)胞可以通過抑制PGC-1α或線粒體抑制劑進(jìn)行靶向治療。此外,有趣的是,Hirpara等[39]研究發(fā)現(xiàn),NSCLC細(xì)胞對吉非替尼的耐藥性與PGC-1α與TFAM表達(dá)上調(diào)、超復(fù)合體Ⅰ和Ⅱ的形成、耗氧速率以及線粒體質(zhì)量的增加有關(guān)。值得注意的是,某些耐藥癌細(xì)胞對PGC-1α相關(guān)的代謝活動(dòng)具有依賴性,抑制PGC-1α的表達(dá)可以使這些細(xì)胞對治療重新敏感,改善肺癌患者的預(yù)后,這意味著PGC-1α在肺癌的分子分類和治療中可以作為一個(gè)有希望的靶點(diǎn)。

3.4 PGC-1α與肺癌的代謝重編程 新陳代謝的失調(diào)是癌細(xì)胞的重要標(biāo)志。在腫瘤發(fā)生的過程中,癌細(xì)胞的能量代謝發(fā)生變化,即使在氧氣存在的情況下,癌細(xì)胞也會(huì)通過糖酵解快速氧化葡萄糖以產(chǎn)生所需的ATP,從而損害氧化磷酸化,這種從線粒體代謝到糖酵解代謝的代謝轉(zhuǎn)換,即所謂的Warburg效應(yīng)[40]。在營養(yǎng)耗竭或壓力大的微環(huán)境中為癌細(xì)胞提供了生長和存活的能力,這種代謝變化稱為代謝重編程。為了適應(yīng)缺氧、營養(yǎng)匱乏、ROS增加或p H改變,三羧酸循環(huán)和線粒體呼吸相協(xié)調(diào),這些代謝適應(yīng)對凋亡具有抵抗力,是維持細(xì)胞快速增殖、遷移和侵襲所必需的[14,41]。PGC-1α作為細(xì)胞代謝的主要調(diào)節(jié)因子,在腫瘤的代謝重編程中發(fā)揮重要作用。研究表明,當(dāng)腫瘤中的營養(yǎng)和氧氣供應(yīng)發(fā)生變化時(shí),癌細(xì)胞依賴糖酵解或氧化磷酸化,這些變異將改變癌細(xì)胞的能量狀態(tài)。近年研究報(bào)道,PGC-1α不僅可作為共激活因子發(fā)揮作用,其自身也受癌基因和轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控,PGC-1α和這些轉(zhuǎn)錄因子可以形成信號(hào) 軸。例 如,PML/PGC-1α/PPARα、MITF/PGC-1α和PGC-1α/ERRα,它們在調(diào)節(jié)特定癌癥類型的代謝適應(yīng)方面發(fā)揮重要作用[5]。在腫瘤細(xì)胞中,PGC-1α與其相互作用的信號(hào)通路(AMPK、MTORC1)、轉(zhuǎn)錄因子(HIF-1α)以及蛋白質(zhì)的表達(dá)(葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體)受到干擾,以調(diào)節(jié)新陳代謝,改變了癌細(xì)胞的能量狀態(tài)[6]。

受體相互作用蛋白1(receptor-interacting protein 1,RIP1)是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶,具有細(xì)胞增殖、存活和死亡的功能。Chen等[32]研究發(fā)現(xiàn),RIP1/PGC-1α的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在維持肺癌細(xì)胞的代謝穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著重要作用,RIP1的丟失會(huì)導(dǎo)致PGC-1α表達(dá)下調(diào),損害線粒體氧化磷酸化,使糖酵解加速。然而,過度的糖酵解降低了細(xì)胞的NAD+的表達(dá)水平,導(dǎo)致自發(fā)性DNA損傷和P53介導(dǎo)的癌細(xì)胞增殖受到抑制。因此,RIP1維持的糖酵解對肺癌細(xì)胞能量的穩(wěn)態(tài)和DNA完整性至關(guān)重要,干預(yù)RIP1介導(dǎo)的糖酵解途徑可用于肺癌的治療。Cruz等[38]研究發(fā)現(xiàn),不同侵襲性的肺癌細(xì)胞株可表現(xiàn)出不同的代謝水平,在肺癌細(xì)胞中,PGC-1α的表達(dá)水平與GAPDH/MT-CO1比值呈負(fù)相關(guān),研究證實(shí)了肺癌細(xì)胞糖代謝的途徑發(fā)生了改變,除此之外,還發(fā)現(xiàn)依賴氧化磷酸化的肺癌細(xì)胞對新陳代謝靶向藥物更加敏感。因此PGC-1α可以用來預(yù)測肺癌患者對糖代謝靶向治療的反應(yīng)。

4 展望

PGC-1α是線粒體生物發(fā)生和能量消耗的主要調(diào)節(jié)因子,PGC-1α作為一種核受體和其他轉(zhuǎn)錄因子的共激活因子,其在適應(yīng)性代謝反應(yīng)中發(fā)揮核心作用。此篇綜述主要從參與肺癌的增殖遷移、細(xì)胞凋亡、化學(xué)耐藥及代謝重編程等四個(gè)機(jī)制方面介紹了PGC-1α。肺癌是全球癌癥相關(guān)死亡的最高者,且與PGC-1α的關(guān)系十分密切,PGC-1α可能具有作為潛在的肺癌早期診斷、治療、轉(zhuǎn)移和預(yù)后標(biāo)志物的重要作用。但是PGC-1α在肺癌中的調(diào)控作用及影響腫瘤細(xì)胞的生長、遷移、侵襲的分子機(jī)制仍不明確,對于PGC-1α的研究有助于進(jìn)一步闡明肺癌的發(fā)生發(fā)展機(jī)制,并可能為肺癌的診斷及治療方法提供新的靶點(diǎn)。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突