張哲銘,夏一涵,李耀寧,李曉東
中國醫(yī)科大學(xué)1臨床三系,2生命科學(xué)學(xué)院分子細(xì)胞生物學(xué)教研室,國家衛(wèi)生健康委員會細(xì)胞生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室暨教育部細(xì)胞生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽 110122
p21 活化激酶 4(p21-activated kinase 4,PAK4)是PAK家族的Ⅱ類代表性成員,其在多種腫瘤中存在基因擴(kuò)增、基因突變以及蛋白過表達(dá)等現(xiàn)象,是腫瘤細(xì)胞信號的關(guān)鍵因子之一。PAK4活化后通過下游靶蛋白參與細(xì)胞骨架重組、偽足形成、基因轉(zhuǎn)錄、細(xì)胞周期等生物學(xué)行為,其異常高表達(dá)或過度活化后通過多種不同機(jī)制,促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的惡性轉(zhuǎn)化和侵襲性轉(zhuǎn)移。目前,惡性腫瘤病死率較高,嚴(yán)重威脅著人類的生命健康。因此,研究PAK4在不同腫瘤中的作用機(jī)制,通過抑制PAK4活性來抑制其參與的腫瘤生物學(xué)行為具有重大的臨床意義。本文旨在從PKA4基本概況、研究進(jìn)展、在相關(guān)腫瘤中承擔(dān)的生物學(xué)作用以及針對該激酶抗腫瘤的最新研究進(jìn)行綜述。
蛋白激酶PAK4屬于絲氨酸/蘇氨酸蛋白家族的一員,在進(jìn)化上高度保守,在細(xì)胞內(nèi)承擔(dān)著重要的生物學(xué)角色。PAK4屬于PAK家族中Ⅱ類的代表成員,它通過結(jié)合或磷酸化下游靶蛋白發(fā)揮作用,在細(xì)胞周期的調(diào)控、細(xì)胞增殖、細(xì)胞運(yùn)動等多方面都發(fā)揮作用,特別是在腫瘤的遷移與侵襲中作用明顯。
據(jù)相關(guān)報(bào)道,PAK激酶根據(jù)結(jié)構(gòu)功能共分為兩類,分別是位于-NH端的調(diào)控區(qū)域和高度保守的-COOH端的激酶活性域,這兩類激酶都具有相同的可行使特征性功能的結(jié)構(gòu)域。PAK家族的-NH端都有富含脯氨酸的部位,是PAK家族和相關(guān)蛋白SH結(jié)構(gòu)域的結(jié)合位點(diǎn),同時(shí)該部位還存在p21結(jié)合域(p21 binding domain,PBD),其為重要的功能調(diào)節(jié)域。然而,Ⅰ類PAK與Ⅱ類PAK的調(diào)控結(jié)構(gòu)域在結(jié)構(gòu)上不同,相較于Ⅱ類PAK,Ⅰ類的PAK激酶在結(jié)構(gòu)上還發(fā)現(xiàn)一個(gè)自我抑制區(qū)域(auto inhibitory domain,AID),AID與PBD相互重疊以控制其活性。研究發(fā)現(xiàn),Ⅱ類PAK激酶沒有AID,但后來的研究發(fā)現(xiàn)在PAK4等Ⅱ類PAK激酶中有類AID結(jié)構(gòu)域,此外,Ⅱ類PAK激酶激活機(jī)制也完全不同于Ⅰ類PAK激酶二聚體結(jié)構(gòu)的解離激活機(jī)制,而是以單體形式發(fā)揮功能。關(guān)于PAK4的活化方式,比較認(rèn)同的是PAK4在調(diào)控結(jié)構(gòu)域中新定義一個(gè)假底物序列(pseudosubstrate sequenee,PS),尚未活化的PAK4結(jié)構(gòu)域能夠識別PS中的RPKP序列。PS是一個(gè)富含脯氨酸的區(qū)域,所以其可與含SH結(jié)構(gòu)域的蛋白相互作用,當(dāng)細(xì)胞分裂周期蛋白 42(cell division cycle 42,CDC42)與 PAK4的GTP酶結(jié)合域(GTPase-binding domain,GBD)結(jié)合后,將PAK4帶到含有其他活性蛋白和基質(zhì)的區(qū)域,從而使PS與包含SH蛋白的結(jié)構(gòu)域結(jié)合,破壞激酶結(jié)構(gòu)域與PS的關(guān)系,以此來激活PAK4。
蛋白激酶PAK4是Rho家族鳥苷三磷酸酶(Rho-GTPase)Cdc42和Rac1下游主要的靶蛋白,參與細(xì)胞生長代謝、細(xì)胞骨架變化等許多重要的細(xì)胞活動。PAK4是PAK家族中最重要的一員,于篩選Rac和Cdc42的效應(yīng)物時(shí)首次被發(fā)現(xiàn),族中的每一個(gè)成員都可以獨(dú)自地激活蛋白酶。PAK4對雷帕霉素靶蛋白(mechanistic target of rapamycin kinase,MTOR)的激活途徑有作用,MTOR對控制細(xì)胞生長和代謝非常重要。當(dāng)PAK4在細(xì)胞內(nèi)過表達(dá)時(shí),Rictor被激活。Rictor是雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物2(mechanistic target of rapamycin kinase complex 2,mTORC2)的組成部分,mTORC2是由絲氨酸/蘇氨酸激酶MTOR4形成的復(fù)合物之一。PAK4還可以調(diào)節(jié)肌動蛋白的翻譯修飾過程,進(jìn)而影響細(xì)胞骨架的實(shí)時(shí)變化。此外,PAK4還可以通過抑制caspase起始因子來抑制細(xì)胞的凋亡。
1.2.1 PAK4的上游作用機(jī)制 關(guān)于PAK4的上游作用機(jī)制并不多,現(xiàn)有研究結(jié)果顯示,肝細(xì)胞生長因子(hepatocyte growth factor,HGF)通過磷脂酰肌醇-3-羥激酶(phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase,PI3K)激活PAK4,反過來,PAK4可以調(diào)節(jié)HGF的下游靶蛋白——肌動蛋白的生成。另有研究表明,PAK4在宮頸癌中的高表達(dá)與其預(yù)后不良密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn),miRNA-214-5p是脊椎動物特異性的miRNA前體家族,上調(diào)miRNA-214-5p的表達(dá)能明顯降低HeLa細(xì)胞中PAK4
基因的表達(dá)水平,下調(diào)miRNA-214-5p的表達(dá)能明顯增加HeLa細(xì)胞PAK4
基因的表達(dá)水平,提示miRNA-214-5p可能會靶向調(diào)控PAK4
的表達(dá),生物信息預(yù)測發(fā)現(xiàn)miRNA-214-5p基因序列上存在連續(xù)的PAK4
結(jié)合位點(diǎn),熒光素酶實(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步表明PAK4
能靶向結(jié)合miRNA-214-5p,這表明PAK4
是miRNA-214-5p的下游靶標(biāo)之一。1.2.2 PAK4的下游作用機(jī)制 PAK4的下游靶蛋白包括膜型基質(zhì)金屬蛋白酶(membrane type matrix metalloproteinase,MTMMP)1、LIM 激酶(LIM kinase 1,LIMK1)、鳥嘌呤核苷酸交換因子(guanine nucleotide-exchange factor,GEF)H1、彈弓蛋白(sligshot,SSH)、RHo蛋白等。LIMK1可進(jìn)一步激活Cofilin,或者使其磷酸化,進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架的重組,參與腫瘤血管再生、細(xì)胞遷移等生物學(xué)行為。同時(shí),其他研究也發(fā)現(xiàn)PAK4
能夠與miRNA結(jié)合,并且通過對miRNA的調(diào)控促進(jìn)Kirsten鼠肉瘤病毒癌基因(Kirsten rat sarcoma viral oncogene homolog,KRAS)信號通路的高度活化。在不同腫瘤中,PAK4可以通過不同的方式促進(jìn)惡性腫瘤的細(xì)胞分裂、演進(jìn)及擴(kuò)散。比如在人乳腺癌細(xì)胞中,PAK4通過泛素-蛋白酶體通路,降低細(xì)胞周期依賴激酶抑制子p57kip2表達(dá),促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖。同時(shí),PAK4還可通過非依賴性激酶機(jī)制,抑制早期凋亡分子caspase 8,從而抑制細(xì)胞凋亡。PAK4
擴(kuò)增與腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移、細(xì)胞黏附性異常等多項(xiàng)有利于腫瘤進(jìn)展的行為有著密切聯(lián)系。PAK4作為一種有潛力的藥物開發(fā)靶點(diǎn),其抑制劑的開發(fā)為治療相關(guān)的腫瘤提供了新思路。目前,PAK4的抑制劑數(shù)量很少,但多數(shù)抑制劑的活性并不理想,已經(jīng)進(jìn)入臨床階段的小分子抑制劑有PF-3758309、KPT-9274等,具有良好的PAK4抑制效果和藥代動力學(xué)性質(zhì),但多數(shù)抑制劑仍處于實(shí)驗(yàn)室開發(fā)階段,比如星形孢菌素等其他小分子抑制劑,雖有證據(jù)表明它們可抑制PAK活性,但卻有藥物動力學(xué)不穩(wěn)定、生物特異性較低、選擇性差等缺陷,無法將其應(yīng)用于臨床。下面將幾個(gè)具有代表性的并且已經(jīng)進(jìn)行臨床試驗(yàn)評估的小分子抑制劑進(jìn)行簡要介紹。PF-3758309是一種有效的PAK抑制劑,具有較強(qiáng)的抗癌作用,如抑制腫瘤細(xì)胞異常分裂、誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡等。細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)可將腫瘤細(xì)胞固定于特定位置,ECM主要成分為明膠、膠原和層粘連蛋白等,PF-3758309可抑制水解ECM的酶,如MMP2和MMP9。現(xiàn)有研究表明,MMP2的表達(dá)在卵巢腫瘤細(xì)胞中因PAK4誘導(dǎo)的細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)1/2失活而下調(diào)。有研究結(jié)果表明,PF-3758309可通過該機(jī)制抑制PAK4的活性進(jìn)而抑制腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。但進(jìn)入臨床研究(NCT00932126)發(fā)現(xiàn),PF-3758309的生物利用度低、藥動學(xué)性質(zhì)差、不良反應(yīng)大,可引發(fā)患者4級中性粒細(xì)胞減少以及胃腸系統(tǒng)不良反應(yīng)等,暫時(shí)無法應(yīng)用于臨床治療。研究發(fā)現(xiàn),PF-3758309在動物實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞試驗(yàn)中均可以與抗腫瘤藥物(包括吉他西濱)聯(lián)合用藥,抑制細(xì)胞增殖,最大程度地抑制腫瘤細(xì)胞增殖,同時(shí)研究還表明,PF-3758309和吉他西濱聯(lián)合用藥與白蛋白結(jié)合型紫杉醇聯(lián)合吉他西濱作用相當(dāng)。能否通過改變結(jié)構(gòu)或與其他藥物聯(lián)合用藥等手段將該抑制劑應(yīng)用于人體,從而改善其藥物動力學(xué)差、不良反應(yīng)多等缺點(diǎn),并投入臨床是將來一個(gè)重要的研究方向。
KPT-9274是PAK4和煙酰胺磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(nicotinamide phospho-ribosyltransferase,NAMPT)的雙重特異性抑制劑。研究表明,Rictor是在KPT-9274處理的細(xì)胞中被抑制的重要靶標(biāo),而PAK4在Rictor的調(diào)節(jié)中起正性作用。Rictor是MTORC2的一個(gè)成分,mTORC2是絲氨酸/蘇氨酸激酶MTOR形成的復(fù)合物之一。KPT-9274化合物可以通過抑制PAK4活性,進(jìn)而影響mTORC2信號來阻斷乳腺癌細(xì)胞的生長。同時(shí),有研究表明,該抑制劑可以特異性抑制膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的內(nèi)皮細(xì)胞的增殖,但不會抑制正常大腦內(nèi)皮細(xì)胞的增殖,同時(shí)可修復(fù)腫瘤微環(huán)境,重構(gòu)整個(gè)血管微環(huán)境。上述研究結(jié)果肯定了它的臨床應(yīng)用價(jià)值,目前臨床上大部分實(shí)體瘤都有血管異常的情況,說明KPT-9274還可應(yīng)用于乳腺癌、胰腺癌等其他惡性腫瘤中。KPT-9274在體內(nèi)具有良好的藥代動力學(xué)特征,在小鼠中耐受良好,靜脈注射或口服微量藥物時(shí),未發(fā)現(xiàn)不良反應(yīng)。KPT-9274正在進(jìn)行實(shí)體腫瘤和淋巴瘤的Ⅰ期臨床試驗(yàn)評估,有望投入臨床使用。
PAK4
擴(kuò)增,但并未明確具體的分子機(jī)制。Bi等的研究發(fā)現(xiàn),長鏈非編碼RNA LINC00657通過競爭miRNA-433的內(nèi)源性RNA來增加PAK4的表達(dá),從而加深胰腺導(dǎo)管腺癌的惡性程度,LINC00657可直接與miRNA-433相互作用,從而降低miRNA-433與PAK4
mRNA的競爭結(jié)合,并最終增加PAK4表達(dá)。這同樣證明了PAK4在胰腺癌惡變的過程中擔(dān)任了重要角色,也為PAK4的靶向抑制尋找到了新的靶點(diǎn)——miRNA-433。近期,有科研團(tuán)隊(duì)在敲除PAK4
的大鼠體內(nèi)建立胰腺癌模型,結(jié)果證明,敲除PAK4
明顯提高了攜帶胰腺癌大鼠的成活率,更加確定了PAK4可以作為胰腺癌的潛在治療靶點(diǎn)。但胰腺癌與PAK4之間具體的分子機(jī)制仍未闡明,這也將是今后一個(gè)重點(diǎn)的研究方向。在胰腺癌的腫瘤學(xué)研究中,還發(fā)現(xiàn)90%以上胰腺癌會出現(xiàn)大鼠肉瘤癌基因(rat sarcoma oncogene,RAS)突變,腫瘤細(xì)胞可激活RAS
基因,激活的RAS
基因使正常細(xì)胞經(jīng)歷自然衰老的過程,細(xì)胞衰老會產(chǎn)生明顯的生長阻滯,從而有效預(yù)防腫瘤的發(fā)生。而PAK4的過表達(dá)可能會克服RAS
突變誘導(dǎo)的細(xì)胞衰老,進(jìn)而造成多種腫瘤發(fā)生惡變。上述研究提供了以檢測PAK4
過表達(dá)為基礎(chǔ),靶向誘導(dǎo)RAS
突變治療胰腺癌的新策略。胃癌是人類常見的消化系統(tǒng)惡性腫瘤,2018年全球惡性腫瘤發(fā)病率統(tǒng)計(jì)中,胃癌發(fā)病率居第五位,病死率居第三位。PAK4高表達(dá)在胃癌的腫瘤進(jìn)展、轉(zhuǎn)移過程中發(fā)揮重要作用。在眾多信號通路中,轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)信號通路的失調(diào)在胃癌的腫瘤進(jìn)展中扮演著重要的角色,活化的TGF-β可進(jìn)一步活化Smad復(fù)合物,TGF-β失調(diào)會導(dǎo)致Smad表達(dá)的抑制,進(jìn)而加重胃底細(xì)胞的不正常增殖,研究發(fā)現(xiàn)PAK4與Smad2/3相互作用,通過使Smad2/3磷酸化,導(dǎo)致TGF-β1信號通路失調(diào),從而使胃癌細(xì)胞逃脫TGF-β介導(dǎo)的生長抑制,這可能會導(dǎo)致胃癌的發(fā)生。
研究表明,PAK4還可通過LIMK1/Cofilin信號通路來減慢胃癌細(xì)胞侵襲的速度,同時(shí)PAK4的過表達(dá)還將促進(jìn)胃癌細(xì)胞的增殖。研究結(jié)果顯示,miRNA-199a/b-3p通過抑制PAK4的過表達(dá),來抑制胃癌細(xì)胞的惡性增殖,這無疑又為PAK4的靶向抑制劑提供了一個(gè)新思路。
研究顯示,PAK4活化絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MEK)/細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)和 PI3K/蛋白激酶B(protein kinase B,PKB,又稱AKT)通路對順鉑治療胃癌作用產(chǎn)生抵抗,且PAK4與PI3K/AKT通路存在相互激活的作用,即PAK4對順鉑的耐藥性起到關(guān)鍵性作用。因此,以PAK4為目標(biāo)靶點(diǎn),用相關(guān)PAK4抑制劑與順鉑聯(lián)合用藥,或許可以獲得更好的臨床效果。
肺癌是人類腫瘤死亡的首要原因,其中非小細(xì)胞肺癌(non-small cell lung cancer,NSCLC)是最常見的類型,占所有肺癌患者的80%以上。研究表明,PAK4在NSCLC中存在過表達(dá)現(xiàn)象,PAK4介導(dǎo)的LIMK1磷酸化可以調(diào)控NSCLC的轉(zhuǎn)移和侵襲,由此推測PAK4可能是NSCLC重要的潛在治療分子靶點(diǎn)。
缺氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α,HIF-1α)是缺氧誘導(dǎo)而產(chǎn)生的細(xì)胞內(nèi)特異性DNA結(jié)合蛋白,但在正常條件下,HIF-1α在腫瘤細(xì)胞中也高表達(dá)。近期研究表明,在NSCLC中HIF-1α陽性率升高,該蛋白與NSCLC轉(zhuǎn)移、復(fù)發(fā)相關(guān),是患者不良預(yù)后的重要指征。而HIF-1α的翻譯需要PAK4依賴的PI3K/AKT通路刺激,這也強(qiáng)有力地說明了PAK4與NSCLC的密切關(guān)系。
PAK4
mRNA高水平表達(dá)的乳腺癌患者的無病生存期(disease-free survival,DFS)較差,說明PAK4在乳腺癌的發(fā)病以及治療過程中承擔(dān)著重要的角色。對于PAK4與乳腺癌的關(guān)系,近幾年也有了新發(fā)現(xiàn)。研究表明,PAK4雖然不直接導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞的凋亡,但可通過其他信號通路抑制腫瘤細(xì)胞。當(dāng)PAK4受到抑制時(shí),RELB表達(dá)增高,RELB是核因子(nuclear factor,NF)-κB的重要亞基,通過結(jié)合DNA,使轉(zhuǎn)錄因子CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白(CCAAT enhancer binding protein,C/EBP)β水平升高,最終阻滯腫瘤細(xì)胞生長。同時(shí)還有研究發(fā)現(xiàn),PAK4介導(dǎo)的C/EBPβ激活還可以提高緊密連接蛋白 4(claudin-4,CLDN4)表達(dá),從而促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移和侵襲,這表明抑制PAK4-C/EBPβ-CLDN4軸可能是治療乳腺癌的新途徑。
肝細(xì)胞癌(hepatocellular carcinoma,HCC)是中國最常見的惡性腫瘤之一,病死率居第三位。PAK4可以促進(jìn)p53磷酸化,抑制p53轉(zhuǎn)錄活性并促進(jìn)HCC的增殖轉(zhuǎn)移。相關(guān)報(bào)道發(fā)現(xiàn),miRNA-369-5p在HCC中可以定向抑制PAK4的表達(dá),進(jìn)而抑制HCC細(xì)胞在人體內(nèi)增殖、侵襲以及轉(zhuǎn)移,也間接證實(shí)了PAK4可導(dǎo)致HCC的發(fā)展,這也為PAK4的靶向抑制劑的研究提供了一個(gè)新型靶點(diǎn)。
還有研究表明,可通過去除PAK4來阻斷細(xì)胞周期、誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡以達(dá)到抑制肝癌的目的,在腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor,TNF-α)作用下去除PAK4導(dǎo)致NF-κB的存活信號被抑制,并觸發(fā)了caspase 8的凋亡通路,這提示PAK4是TNF-α誘導(dǎo)的肝癌細(xì)胞caspase 8凋亡和NF-κB存活信號的轉(zhuǎn)換靶點(diǎn)。
食管癌是人類消化系統(tǒng)最常見的惡性腫瘤之一,該腫瘤主要病理分型有兩種,其中鱗狀細(xì)胞癌占中國食管癌患者的90%以上。近期研究發(fā)現(xiàn),與正常相鄰組織和食管上皮細(xì)胞系相比,PAK4在食管鱗狀細(xì)胞癌(esophageal squamous cancer,ESCC)組織和該腫瘤細(xì)胞系中顯著高表達(dá),PAK4通過與LASP1蛋白相互作用促進(jìn)ESCC的進(jìn)展,即PAK4可以促進(jìn)ESCC細(xì)胞在人體內(nèi)增殖、轉(zhuǎn)移。該研究進(jìn)一步證明了,PAK4可作為治療ESCC的潛在靶點(diǎn)。
膀胱癌發(fā)病率居全球第九位,病死率也較高。膀胱癌依據(jù)組織分型可分為兩種,非肌層浸潤性膀胱癌(nonmuscle-invasive bladder cancer,NMIBC)和肌層浸潤性膀胱癌(muscle-invasive bladder cancer,MIBC)。其中,MIBC的預(yù)后極差,即使做了根除性手術(shù),患者術(shù)后生存率僅為60%。研究結(jié)果顯示,PAK4在膀胱癌中存在擴(kuò)增、過表達(dá)和激酶活性升高的現(xiàn)象,PAK4在膀胱尿路上皮癌(bladder urothelial carcinoma,BLCA)細(xì)胞增殖和侵襲中發(fā)揮一定的作用。此外,PAK4可能對腫瘤中PAK4
擴(kuò)增或過表達(dá)的一部分MIBC患者具有治療作用,這表明PAK4也可能成為MIBC的治療位點(diǎn)之一。由于PAK4在腫瘤發(fā)生、發(fā)展及多種細(xì)胞活動中的重要作用,其成為了腫瘤治療中的一個(gè)重要靶蛋白,并且PAK4已經(jīng)被證實(shí)在多種腫瘤進(jìn)展中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用,必將作為今后多種惡性腫瘤治療的理想靶點(diǎn)。目前,越來越多結(jié)構(gòu)新穎、特異性強(qiáng)的PKA4抑制劑出現(xiàn),但仍處于臨床前實(shí)驗(yàn)研究階段,真正運(yùn)用于臨床的靶向抑制劑屈指可數(shù),PAK4的深入研究也正處于起步的階段。因此,深入研究PAK4可能會發(fā)現(xiàn)更多遏制惡性腫瘤增殖、擴(kuò)散的有效治療策略。