馮 博劉姿宇李 月劉立琨岳麗玲*

(1.齊齊哈爾醫(yī)學院藥學院,黑龍江 齊齊哈爾 161006;2.齊齊哈爾醫(yī)學院醫(yī)藥科學研究院,黑龍江 齊齊哈爾 161006)

糖基化是在酶的控制下,蛋白質(zhì)或脂質(zhì)附加糖類的過程,起始于內(nèi)質(zhì)網(wǎng),結(jié)束于高爾基體。糖基化的異常改變能夠促使腫瘤相關糖蛋白通過主動分泌釋放入血,可作為一類非常理想的血清腫瘤生物標記物[1]。蛋白質(zhì)糖基化作為細胞內(nèi)一種常見的翻譯后修飾[2],對多種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響。最近的研究表明,蛋白質(zhì)糖基化的異常改變與多種腫瘤的多藥耐藥(multidrug resistance,MDR)表型密切相關[2]。

巖藻糖基化是蛋白質(zhì)糖基化作用的一種重要形式,與腫瘤的惡性進展密切相關[3]。同時,有研究表明參與糖基化的酶即糖基轉(zhuǎn)移酶(glycosyltransferase, GTs)在正常細胞和腫瘤細胞之間存在差異表達。一般情況下,腫瘤細胞中唾液酸轉(zhuǎn)移酶和巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶的活力升高,而半乳糖基轉(zhuǎn)移酶和乙酰氨基葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶的活力降低。使用化學藥物治療是腫瘤綜合治療過程中的一種重要手段,但腫瘤細胞在化學藥物的作用下極易產(chǎn)生多藥耐藥導致化療失敗。本文重點就巖藻糖基化修飾在腫瘤多藥耐藥中的作用進行綜述與分析,以期對指導臨床化療與研究提供參考。

1 巖藻糖基化與巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶家族

巖藻糖(fucose, Fuc)是細胞內(nèi)的一種單糖,巖藻糖基化(fucosylation)是糖基化的一種表現(xiàn)形式,是在酶的控制下蛋白質(zhì)或脂質(zhì)附加上Fuc的過程。在結(jié)構(gòu)上,聚糖中的巖藻糖分為三類:核心巖藻糖、Lewis表位和O-巖藻糖(O-FUT)。核心巖藻糖以N-聚糖核心形式存在;Lewis表位在N-、O-聚糖或糖脂的非還原性末端表達;O-FUT是通過將巖藻糖直接添加到多肽鏈中合成的。這些巖藻糖基化聚糖對于維持免疫和發(fā)育在內(nèi)的多種細胞正常功能至關重要。此外,巖藻糖基化聚糖的異常表達或缺陷與疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關,如慢阻肺、腫瘤和先天性糖基化障礙[4-5]。

鳥苷二磷酸巖藻糖(GDP-L-fucose)是巖藻糖基化過程中的唯一底物,合成方法包括從頭合成和補救合成。從頭合成是巖藻糖合成中最重要的方法。D-葡萄糖是從頭合成路線的底物,L-葡萄糖是補救合成路線的底物,兩個途徑經(jīng)過一系列反應后都會生成GDP-L-fucose,進入高爾基體內(nèi),在酶的催化下最終完成整個巖藻糖基化過程。在此過程中,涉及到幾個限速酶:將鳥苷二磷酸甘露糖(GDP-Dmannose)轉(zhuǎn)化為GDP-L-fucose的GDP-L-巖藻糖合酶(Tissue specific transplantation antigen P35B, TSTA3,FX)以及在高爾基體中反應的限速酶—巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶(Fucosyltransferase,FUTs)。而在FUTs家族中,包括四個子家族,即α-1、2鏈接對應的FUT1和FUT2,α-1,3、α-1,4鏈接對應的FUT3、FUT4、FUT5、FUT6、FUT7、FUT9、FUT10和FUT11,α-1,6鍵對應FUT8和蛋白質(zhì)O-FUT(包括POFUT1和POFUT2兩種亞型),其中FUT8是FUTs家族中唯一催化核心巖藻糖基化的酶[6]。

由FUTs家族催化的巖藻糖基化是糖蛋白重要的功能調(diào)控方式,直接影響細胞一系列生物學特性,研究表明,巖藻糖基化的異常改變通常與FUTs家族關系密切,且與腫瘤進展相關。FUT4過表達可促進惡性腫瘤細胞的增值,而FUT7過表達可促進肝癌細胞生長,增強肝癌細胞凋亡敏感性[7];FUT3和FUT6表達降低抑制結(jié)腸癌細胞增殖[8];FUT4高表達促進肺癌侵襲、遷移、上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化和細胞粘附,與肺腺癌患者的總體存活率低相關[9];FUT7具有高底物專一性,其通過合成唾液酸化的路易斯寡糖-X抗原(sialyl Lewis-X,sLeX)而促進腫瘤細胞增殖、上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化以及細胞遷移和侵襲[10-11]。FUT6和FUT8在肝癌細胞中高表達,與腫瘤的惡性進展呈正相關[12]。在肺癌、乳腺癌等多種腫瘤中,FUT8基因以及核心巖藻糖修飾水平都有著明顯的升高[13],并且在肝癌和肺癌患者血清中可以檢測到顯著增加的核心巖藻糖修飾,表明核心巖藻糖基化可能為腫瘤的早期檢測提供新的循環(huán)生物標志物[14-15]。

2 巖藻糖基化與多藥耐藥

眾所周知,在惡性腫瘤細胞接觸一種抗癌藥后,繼而對兩種甚至更多的結(jié)構(gòu)不同、作用機制各異的其他抗癌藥產(chǎn)生耐藥現(xiàn)象,這種現(xiàn)象被稱為多藥耐藥(MDR),而對于多數(shù)癌癥的治療來說MDR仍然是一大難關,已經(jīng)成為癌癥化療失敗的重要原因。越來越多的研究支持蛋白質(zhì)糖基化在腫瘤耐藥中發(fā)揮重要作用[16]。

2.1 肺癌

吉非替尼(Gefitinib)是一種常用的肺癌化療藥物,它是一種表皮生長因子受體-酪氨酸激酶(epidermal growth factor receptor tyrosine kinase, EGFR-TK)抑制劑,是非小細胞肺癌(non small cell lung cancer, NSCLC)的一線治療藥物[17],這種藥物的初始效果是比較讓人滿意的,但是在治療后1～2年內(nèi)會顯現(xiàn)出耐藥性,導致最終治療效果不佳和預后不良[18]。值得注意的是,在酪氨酸激酶抑制劑耐藥的肺癌細胞中,表皮生長因子受體(EGFR)的核心巖藻糖基化增加了EGF介導的細胞生長和對吉非替尼的敏感性[19],表明EGFR巖藻糖基化狀態(tài)可能是決定吉非替尼敏感性的一個重要因素。P-糖蛋白(P-glycoprotein,P-gp)是經(jīng)典的腫瘤耐藥相關分子,研究表明,糖基化修飾可通過穩(wěn)定P-gp蛋白功能活性構(gòu)象、增加細胞膜定位等機制,增強P-gp蛋白外排能力,最終導致腫瘤細胞耐藥性的產(chǎn)生[20-21]。Ding等[22]證實在紫杉醇耐藥肺癌A549/T細胞中FUT4和P-gp的表達遠高于親本A549細胞,是與耐藥性相關的潛在治療靶點,而倍半萜內(nèi)酯可通過抑制肺癌細胞肺腺癌轉(zhuǎn)移相關轉(zhuǎn)錄物1(metastasis-associated lung adenocarcinoma tran 1, MALAT1)/信號轉(zhuǎn)導和轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3, STAT3)/FUT4軸和P-gp轉(zhuǎn)運體克服紫杉醇耐藥性。

2.2 乳腺癌

在乳腺癌的治療中,化療耐藥仍然是臨床治療中的重要阻礙,如曲妥珠單抗(Trastuzumab)是乳腺癌治療中的常用藥物,這種藥物主要用于治療人表皮生長因子受體2(epidermal growth factor receptor 2, erbB-2, HER2)陽性表型的乳腺癌,可以降低手術患者的死亡風險,但是,多數(shù)患者會在治療一年之內(nèi)表現(xiàn)出耐藥性[23]。有報道稱一些乳腺癌不良預后的預測標志物在乳腺癌中的表達過度增加,這些標志物的表達升高可能與細胞的多藥耐藥性相關[24]。還有報道稱FUT4調(diào)節(jié)的巖藻糖基化可促進乳腺癌細胞的多藥耐藥[25]。對乳腺癌T47D和T47D/ADR細胞的巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶基因表達譜分析表明,FUT4在阿霉素耐藥細胞T47D/ADR中表達顯著升高,并在體內(nèi)外影響乳腺癌的耐藥表型,其機制可能是miR-224-3p通過靶向FUT4介導了乳腺癌細胞的多藥耐藥。同時,FUT4的過表達也顯著增強了T47D細胞對長春新堿、阿霉素和紫杉醇的耐藥性[25]。

2.3 肝癌

肝癌的一線治療藥物索拉菲尼(Sorafenib),這是一種多靶點的激酶抑制劑,但是患者常在6個月內(nèi)就產(chǎn)生獲得性耐藥性(區(qū)別于天然耐藥,獲得性耐藥是指對藥物治療有初始反應,但在接受治療后,腫瘤產(chǎn)生了耐藥性,這可能與腫瘤微環(huán)境的改變有關),因而降低了藥物的療效[26-27];另一種治療肝癌的藥物多西紫杉醇,這種藥物可以抑制腫瘤細胞的有絲分裂,有研究表明,FUT家族通過磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B(Phosphatidylinositol-3-kinase/protein kinase B, PI3K/Akt)信號通路介導人肝癌多藥耐藥,調(diào)節(jié)肝癌細胞對多西紫杉醇的敏感性;還有一種抗腫瘤的常見藥物5-氟尿嘧啶(5-Fluorouracil, 5-FU),這種藥物是通過抑制DNA合成發(fā)揮作用,但是對于5-FU而言,耐藥性也是臨床上亟待解決的問題,研究發(fā)現(xiàn),FUT4、FUT6和FUT8的過度表達是肝癌BEL7402細胞和5-FU耐藥BEL/FU細胞體外和體內(nèi)耐藥表型改變的原因,FUTs所介導的多藥耐藥是通過激活PI3k/Akt通路和多藥耐藥相關蛋白 1(multidrug resistance associated protein 1, MRP1)的表達增加肝癌細胞對5-FU的耐藥性[28]。

2.4 卵巢癌

在卵巢癌的治療中,順鉑(cisplatin, cDDP)是一線常用的藥物,這種藥物會對RNA、蛋白質(zhì)、DNA都有不同程度的作用,會導致DNA損傷和細胞骨架結(jié)構(gòu)的改變[29]。在使用鉑類藥物的治療過程中,大多數(shù)患者效果良好,但是復發(fā)率高且復發(fā)后耐藥性會大幅度提升[30]。有研究表明高核心巖藻糖基化抑制了銅轉(zhuǎn)運蛋白1(copper transporter 1, CTRl)與cDDP之間的相互作用,從而影響了cDDP的攝取,導致cDDP耐藥性的產(chǎn)生[31],而在耐cDDP卵巢癌患者血清中的CTR1核心巖藻糖基化水平顯著增加,這對cDDP耐藥患者的判斷具有指導意義。晚期卵巢癌的治療以紫杉醇聯(lián)合鉑類化合物為主[32],而癌細胞對于紫杉醇的耐藥性也在近年來受到了廣泛的關注,其中FUTs也可能通過抑制半胱氨酸蛋白酶(caspase)家族的激活來增強卵巢癌細胞的紫杉醇耐藥性。此外,FUT1和FUT2的過度表達促進了人卵巢癌細胞的增殖和對5-FU、卡鉑(Carboplatin,CBP)等抗癌藥物的耐藥[33]。

除上述列舉的幾種癌癥外,其它癌癥如前列腺癌、結(jié)腸直腸癌、胃癌、胰腺癌等在治療過程中產(chǎn)生的多藥耐藥也是臨床上影響患者生存和預后的重要阻礙,但其與FUTs家族的關系尚不完全明確。

3 巖藻糖類似物與含巖藻糖的天然藥物

3.1 巖藻糖類似物

巖藻糖類似物(fucose analogues)是一類用化學修飾的方法對巖藻糖進行結(jié)構(gòu)改造后得到的與細胞內(nèi)巖藻糖結(jié)構(gòu)相似的產(chǎn)物,這類物質(zhì)可以用來標記識別細胞內(nèi)的巖藻糖基化,更重要的是,現(xiàn)今開發(fā)出的一些巖藻糖類似物可能對細胞內(nèi)巖藻糖異常糖基化有抑制作用,達到抗腫瘤增值或侵襲的目的。

隨著對細胞內(nèi)Fucosylation研究的逐漸深入,對于Fucose analogues的研究也逐漸火熱。2016年,Kizuka等[34]發(fā)現(xiàn)7-炔基-Fuc(7-Alk-Fuc)在細胞中可以標記巖藻糖且細胞毒性較低;2017年他們又報道了6-Alk-Fuc可被廣泛用作巖藻糖基化檢測的探針,在研究中發(fā)現(xiàn),它還是一種有效地巖藻糖基化抑制劑(fucosylation inhibitor),可以有效的抑制細胞內(nèi)的巖藻糖基化進程,且其效力強于2-脫氧-2-氟-L-巖藻糖(2-Deoxy-2-fluoro-L-fucose, 2-F-Fuc, 2FF)[4]。這種抑制劑直接作用于FX阻止肝癌的侵襲,說明巖藻糖基化對于癌癥的早期診斷和治療具有潛在的用途[4]。

2-F-Fuc是一種含氟基的巖藻糖基化抑制劑,可以影響細胞的遷移和侵襲能力。給小鼠注射2-FFuc后,細胞的Fucosylation水平降低,腫瘤細胞的生長受到顯著抑制,用高濃度2-F-Fuc培養(yǎng)的CHO細胞核心巖藻糖基化顯著降低[35]。研究表明,過乙?；?-F-Fuc處理后TSTA3表達降低,其原因可能是通過補救途徑從2-F-Fuc積累的GDP-2F-Fuc通過負反饋回路關閉了GDP-L-巖藻糖的從頭合成,從而導致核巖藻糖基化結(jié)構(gòu)的減少,并證明巖藻糖基化抑制劑可通過阻斷食管鱗狀細胞癌(esophageal squamous cell carcinoma, ESCC)異常巖藻糖基化抑制腫瘤轉(zhuǎn)移[36]。同時,Fucosylation抑制劑在動物試驗中也顯示出效用,如2-F-Fuc治療的小鼠血清含有更有效地介導腫瘤細胞溶解的非巖藻糖基化抗體(Non fucosylated antibody)(巖藻糖基化抗體是指在巖藻糖基化相關酶的催化下在抗體蛋白上加入巖藻糖,非巖藻糖基化抗體則與之相對),2-F-Fuc治療小鼠外周血中產(chǎn)生的腫瘤特異性I型T細胞可增強抗腫瘤活性,所以,口服2-F-Fuc可以抑制或預防小鼠的癌癥發(fā)展,表明在癌癥預防或輔助治療方面有潛在的用途[37]。還有一種6-三氟代甲基巖藻糖(6,6,6-3F-Fuc)也可以在一定程度上阻斷細胞內(nèi)的Fucosylation[38]。6,6,6-3F-Fuc通過降低細胞中表達的重組抗體巖藻糖基化程度,抑制GDP-甘露糖4,6脫氫酶(GDP-mannose4,6-dehydrogenase, GMD)在Fuc從頭合成中的活性[39]。

3.2 巖藻糖的天然藥物

海參硫酸軟骨素(sea cucumber chondroitin sulfate, SC-CHS)是一種海參多糖,研究發(fā)現(xiàn),SCCHS作為一種帶有巖藻糖支鏈的天然酸性黏多糖,硫酸化程度高,有著不同于其它動物體內(nèi)硫酸軟骨素的生物活性。在很早的研究中發(fā)現(xiàn),SC-CHS具有抗凝血作用,這種作用依賴于其成分中的巖藻糖支鏈和硫酸酯含量較高,這兩種成分正是SC-CHS發(fā)揮作用的關鍵。

近年來的研究發(fā)現(xiàn),刺參硫酸軟骨素也能顯著抑制小鼠乳腺癌細胞的生長,動物實驗表明,它能抑制腫瘤細胞向小鼠肺組織的轉(zhuǎn)移。研究還表明,海參硫酸軟骨素經(jīng)化學處理后,體內(nèi)外對巖藻糖支鏈的抑制作用消失,表明巖藻糖支鏈在海參硫酸軟骨素的生理活性中起著關鍵作用[40]。還有研究表明,SC-CHS具有體外抗腫瘤活性、促進細胞凋亡、抗腫瘤轉(zhuǎn)移以及抑制腫瘤血管新生的作用,而在小鼠體內(nèi)實驗中也具有抑制腫瘤生長和轉(zhuǎn)移的作用[41]。這些研究為含巖藻糖藥物對腫瘤的抑制作用提供了實驗依據(jù),為研究含巖藻糖藥物是否可能通過抑制腫瘤細胞中的巖藻糖基化對腫瘤MDR產(chǎn)生抑制作用開拓了新的思路,為開發(fā)新的抗腫瘤生物因子提供了理論依據(jù)。

4 小結(jié)和展望

總的來說,糖基化作為蛋白翻譯后修飾的方式之一,參與腫瘤細胞對化療藥物的泵出、攝入及吸收代謝,細胞凋亡、DNA損傷修復、上皮細胞-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial mesenchymal transformation, EMT)等多種腫瘤耐藥機制[42]。尤其是近年來對于FUTs家族的關注更加廣泛,它們通過多種信號通路及機制促進腫瘤細胞的MDR,導致患者治療效果不佳或預后不良,為臨床治療增加了難度。

雖然在體外實驗中,對巖藻糖基化抑制劑的研究顯示其對腫瘤MDR有一定的抑制作用,但仍然需要更多的體內(nèi)實驗來證明藥物的效果和安全性。含巖藻糖的天然藥物和巖藻糖基化抑制劑作為有潛力的抗腫瘤藥物,有望為繼續(xù)研究蛋白質(zhì)糖基化修飾與腫瘤MDR的分子機制以及兩者之間的關聯(lián)提供更好的選擇,也可為開發(fā)新的腫瘤分子靶點、腫瘤臨床療效評定、治療腫瘤MDR提供更好的策略。