陳婉嫻，王思?jí)?，陳張瑜，王潘集，許麗艷，李恩民，，*

(1.汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室，廣東 汕頭 515041；2.汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所，廣東 汕頭515041)

細(xì)胞分裂周期蛋白42(cell division cycle 42，CDC42)是小G 蛋白R(shí)ho 家族的核心成員，含191 個(gè)氨基酸，主要定位于細(xì)胞質(zhì)，由位于核基因組的CDC42基因編碼。有研究表明，作為細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)分子，CDC42蛋白在細(xì)胞的增殖與遷移，以及細(xì)胞的惡性轉(zhuǎn)化等生理病理過程中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用[1]。通常，CDC42蛋白在與GTP結(jié)合/活性狀態(tài)和與GDP結(jié)合/非活性狀態(tài)之間循環(huán)切換，受鳥嘌呤核苷酸交換因子(guanine nucleotide exchange factors，GEF)、GTP 酶 活 化蛋 白(gtpase activating proteins，GAP)以及鳥嘌呤核苷酸解離抑制因子(GDP dissociation inhibitor，GDI)三者的協(xié)同作用調(diào)節(jié)。GEF催化CDC42蛋白從結(jié)合GDP的非活性狀態(tài)向結(jié)合GTP的活性狀態(tài)轉(zhuǎn)變；伴隨著細(xì)胞骨架重塑，進(jìn)一步激活下游的相關(guān)信號(hào)通路，最終引發(fā)細(xì)胞增殖和遷移等系列細(xì)胞功能變化。與此相反，GAP 通過將CDC42 蛋白所結(jié)合的GTP 水解為GDP，對(duì)CDC42蛋白的上述功能活性發(fā)揮負(fù)性調(diào)節(jié)作用。而GDI則鎖定CDC42蛋白使之一直結(jié)合GDP，維持其非活性狀態(tài)不變，同時(shí)還能防止CDC42蛋白定位到質(zhì)膜，阻礙其發(fā)揮功能作用。此即所謂的CDC42/GTPase循環(huán)[2]。

CDC42 蛋白在細(xì)胞中發(fā)揮功能作用取決于其在質(zhì)膜上定位。CDC42蛋白的質(zhì)膜定位依賴于其羧基端的特殊的氨基酸基序(183/KKSRRCVLL/191)。CDC42 蛋白羧基端的4 個(gè)氨基酸殘基188/CVLL/191是其翻譯后修飾的位點(diǎn)所在。在異戊烯基轉(zhuǎn)移酶的作用下，188 位的半胱氨酸殘基側(cè)鏈的巰基和多聚異戊二烯基間共價(jià)結(jié)合，形成硫酯鍵；同時(shí)，在蛋白內(nèi)切酶的作用下，再水解去掉末端的3個(gè)氨基酸殘基VLL，使CDC42蛋白羧基末端帶上疏水的多聚異戊二烯鏈，以利于其錨定在質(zhì)膜。另外，CDC42蛋白羧基端的二精氨酸基序(R186和R187)，在其質(zhì)膜錨著定位中，可能同樣發(fā)揮重要作用。同時(shí)，此二精氨酸基序也是CDC42蛋白在細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化中發(fā)揮其活性作用的前提條件[3]。

近年來，有關(guān)CDC42，作為細(xì)胞信號(hào)網(wǎng)絡(luò)開關(guān)，在腫瘤細(xì)胞的分裂增殖、侵襲遷移，以及代謝中的作用及其分子機(jī)制取得了許多重要的研究進(jìn)展，是腫瘤學(xué)界的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。

1 CDC42在腫瘤細(xì)胞增殖中的作用及其分子機(jī)制

有實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，在人體的大部分正常組織細(xì)胞中，無論是mRNA，還是蛋白，CDC42 均呈現(xiàn)低/中水平表達(dá)；然而，在腫瘤組織細(xì)胞中，CDC42 普遍表達(dá)上調(diào)，參與PAK 和N-WASP等細(xì)胞信號(hào)通路的活化，與腫瘤細(xì)胞的惡性增殖等行為密切相關(guān)[2]。

長(zhǎng)期以來，如何應(yīng)對(duì)腫瘤細(xì)胞的惡性增殖一直是臨床腫瘤治療的難點(diǎn)之一。目前已知，作為細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)開關(guān)，CDC42 與多種癌蛋白在腫瘤細(xì)胞惡性增殖中的作用密切相關(guān)。早在1984 年，Brodeur 等[4]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示，N-MYC(N-MYC Oncoprotein)可能是神經(jīng)母細(xì)胞瘤的癌蛋白。20 年后，Lee 和Craig等[5]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，敲降CDC42蛋白的表達(dá)不但能夠明顯抑制神經(jīng)母細(xì)胞瘤的分裂增殖，而且還可能與癌蛋白N-MYC的作用有關(guān)，然而，具體的分子機(jī)制尚不清楚。

關(guān)于CDC42蛋白在腫瘤細(xì)胞分裂增殖中所發(fā)揮作用的分子機(jī)制，Libermann等[6]曾在實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，表皮生長(zhǎng)因子受體EGFR 異常高表達(dá)或過度活化有助于多種腫瘤細(xì)胞的惡性增殖，而CDC42蛋白在其中可能扮演著EGFR活化信號(hào)向下游傳遞的中介者的角色。另外，已知EGFR 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的終止需要泛素連接酶CBL 的參與，其介導(dǎo)EGFR 的泛素化以及隨后的EGFR降解。然而，Wu和Cerione等[7]的研究發(fā)現(xiàn)，在乳腺癌等惡性腫瘤中，CBL往往是異常的，這是因?yàn)镃DC42蛋白活性上調(diào)，其抑制CBL 酶的活化，阻斷了EGFR 的降解。再者，Buchwald[8]的研究發(fā)現(xiàn)，酪氨酸激酶ACK1 高表達(dá)與細(xì)胞惡性增殖密切相關(guān)，而ACK1在癌細(xì)胞中被激活是CDC42通過接收由EGFR 傳遞下來的活性信號(hào)介導(dǎo)的；ACK1 的激活可以進(jìn)一步引發(fā)蛋白激酶AKT向細(xì)胞膜募集并激活，最終促進(jìn)細(xì)胞的惡性增殖。另外，CDC42 蛋白還可以通過與PKC、PAR6、PAKs、IQGAP1 和前組織蛋白酶D 等互作，以MAPK/ERK 依賴性方式促進(jìn)乳腺癌等惡性腫瘤細(xì)胞的增殖。與此同時(shí)，CDC42蛋白還能通過誘導(dǎo)p53蛋白的泛素化，以克服后者對(duì)細(xì)胞增殖的抑制作用[9]。再者，近年Xu 等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在人肝細(xì)胞癌中，表達(dá)上調(diào)的CDC42蛋白還能夠通過HBx/CDC42/IQGAP1通路促進(jìn)癌細(xì)胞增殖。

2 CDC42 蛋白在腫瘤細(xì)胞侵襲遷移中的作用及其分子機(jī)制

侵襲遷移是惡性腫瘤細(xì)胞的本質(zhì)特征之一。惡性腫瘤細(xì)胞侵襲遷移機(jī)制的多樣性，以及惡性腫瘤細(xì)胞侵襲遷移所處微環(huán)境的異質(zhì)性，增加了臨床治療惡性腫瘤的困難。惡性腫瘤細(xì)胞在體內(nèi)的遷移是通過逐步降解其周圍的細(xì)胞外基質(zhì)，開拓遷移通道，其余的惡性腫瘤細(xì)胞追隨領(lǐng)頭的惡性腫瘤細(xì)胞，完成遷移過程[11]。為了使遷移的腫瘤細(xì)胞適應(yīng)其周圍環(huán)境的變化，腫瘤細(xì)胞的內(nèi)在結(jié)構(gòu)需要不斷重塑，基于此，快速激活時(shí)空特異性調(diào)控信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)對(duì)細(xì)胞遷移來說不可或缺，使細(xì)胞能夠?qū)ν饨绲拇碳ば孕盘?hào)迅速做出反應(yīng)。CDC42蛋白正是這些信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵的組成部分，是分子開關(guān)，在與GTP 結(jié)合和與GDP結(jié)合兩種形式之間循環(huán)切換。

Yamao 等[12]研究報(bào)道，CDC42 蛋白通過激活肌動(dòng)蛋白相關(guān)蛋白，誘導(dǎo)細(xì)胞絲狀偽足中的F-Actin 的成束化，促進(jìn)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)。有體外研究發(fā)現(xiàn)，為了促進(jìn)肌動(dòng)蛋白Actin 聚合，CDC42與WASP 互作，激活A(yù)rp2/3；Arp2/3 再通過與現(xiàn)有的肌動(dòng)蛋白絲F-actin結(jié)合，促進(jìn)新絲合成，肌動(dòng)蛋白交聯(lián)蛋白聚集這些肌動(dòng)蛋白絲，再使之進(jìn)一步伸長(zhǎng)，形成絲狀偽足。與此同時(shí)，體內(nèi)研究也證明了CDC42 蛋白和WASP 在絲狀偽足形成中的作用，但其確切的分子機(jī)制尚有待深入研究。眾所周知，典型的偽足樣細(xì)胞的遷移需要黏附細(xì)胞外基質(zhì)，這有賴于肌動(dòng)蛋白聚合驅(qū)動(dòng)的細(xì)胞突起。細(xì)胞可以利用富含F(xiàn)-actin的偽足的扇形突起進(jìn)行遷移，惡性腫瘤細(xì)胞更是如此，并伴隨著基質(zhì)金屬蛋白酶MMP 活性的增強(qiáng)。這種細(xì)胞遷移模式發(fā)生在腫瘤組織的微通道中，微通道被ECM 蛋白包繞；在孔徑相對(duì)較小的環(huán)境中，腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞骨架被重塑，胞體變形收縮，同時(shí)腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞核也適時(shí)變形，這十分利于腫瘤細(xì)胞的遷移[11]。Radu等[13]則研究發(fā)現(xiàn)，CDC42蛋白高表達(dá)，可激活其下游的效應(yīng)蛋白PAKs 激酶，誘導(dǎo)細(xì)胞微絲骨架重塑，促進(jìn)細(xì)胞絲狀偽足的組裝，促進(jìn)細(xì)胞的侵襲遷移。目前，已研究確知PAKs 高表達(dá)在多種惡性腫瘤的侵襲遷移中發(fā)揮著重要作用，例如，有研究發(fā)現(xiàn)，在卵巢癌、乳腺癌和膀胱癌、T 細(xì)胞淋巴瘤和膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中，PAK1 高表達(dá)；在前列腺癌中，PAK4 和PAK6 高表達(dá)，而且PAK2異常活化；PAKs的高表達(dá)活化促進(jìn)惡性腫瘤細(xì)胞的侵襲遷移[14]。此外，Radu等[13]還研究發(fā)現(xiàn)，PAKs參與細(xì)胞外基質(zhì)的重構(gòu)，至少一部分是由基質(zhì)金屬蛋白酶MMPs 介導(dǎo)的。遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在CDC42-/-小鼠胚胎成纖維細(xì)胞中表達(dá)不能結(jié)合PAKs 的CDC42 突變體，細(xì)胞的基質(zhì)重構(gòu)將無法恢復(fù)[15]。另外，PAK1、PAK2、PAK4 和PAK5 已被證明在多種腫瘤細(xì)胞中調(diào)節(jié)MMPs的表達(dá)；與此同時(shí)，PAK4已被報(bào)道還可與MMP2 相互作用，而且下調(diào)PAK4 可使MMP2 的表達(dá)下調(diào)，隨之細(xì)胞的侵襲性也喪失[16]。

3 CDC42在腫瘤細(xì)胞代謝中的作用及其分子機(jī)制

與正常細(xì)胞相比，癌細(xì)胞具有明顯不同的代謝特點(diǎn)。有研究表明，與其他Rho蛋白一樣，CDC42蛋白可通過改變細(xì)胞代謝方式促進(jìn)腫瘤細(xì)胞惡性演進(jìn)發(fā)展。通常情況下，腫瘤細(xì)胞需要消耗更高水平的葡萄糖，并在有氧情況下分泌更多的乳酸，這一現(xiàn)象被稱為瓦伯格效應(yīng)(Warburg effect)。除了葡萄糖的高消耗外，癌細(xì)胞還消耗大量的谷氨酰胺。三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle，TCA)對(duì)細(xì)胞的增殖至關(guān)重要，因?yàn)樗鼮樯锎蠓肿拥暮铣商峁┣绑w分子。高谷氨酰胺消耗通過TCA循環(huán)得以補(bǔ)充，從而使得脂類、蛋白質(zhì)和核酸的生物合成得以持續(xù)，促進(jìn)細(xì)胞增殖。與未轉(zhuǎn)化的細(xì)胞相比，CDC42-F28L 突變所致的惡性轉(zhuǎn)化的成纖維細(xì)胞的線粒體谷氨酰胺酶活性升高，這對(duì)谷氨酰胺的持續(xù)代謝至關(guān)重要。此外，小分子抑制劑通過對(duì)谷氨酰胺酶活性的抑制，可明顯抑制CDC42-F28L細(xì)胞癌性轉(zhuǎn)化，然而，對(duì)照組細(xì)胞未見顯著變化。這說明CDC42蛋白誘導(dǎo)細(xì)胞轉(zhuǎn)化的能力與其改變細(xì)胞的代謝方式有關(guān)。因此，通過改變細(xì)胞代謝方式促進(jìn)癌細(xì)胞增殖可能是CDC42蛋白參與細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化的一種新的機(jī)制[3]。

4 CDC42 蛋白作為分子靶點(diǎn)在腫瘤治療中應(yīng)用前景展望

CASIN 是一種活性化學(xué)小分子物質(zhì)，化學(xué)分子式是C20H22N2O，最初是2015年，通過體外實(shí)驗(yàn)方法，在篩選PIP2誘導(dǎo)肌動(dòng)蛋白聚合時(shí)被發(fā)現(xiàn)的。目前已研究確認(rèn)CASIN 是一種CDC42蛋白的新型的特異性抑制劑，抑制PIP2依賴性肌動(dòng)蛋白的裝配。研究發(fā)現(xiàn)，CASIN對(duì)于CDC42蛋白的抑制作用是通過抑制CDC42 蛋白的核苷酸GDP/GTP 的交換而實(shí)現(xiàn)的。然而，CASIN 本身并不直接結(jié)合CDC42，同時(shí)也不影響核苷酸GDP/GTP 與CDC42 蛋白的結(jié)合與釋放，而是通過影響CDC42/RhoGDI復(fù)合物，抑制CDC42/RhoGDI復(fù)合物的活化，進(jìn)而達(dá)到抑制CDC42蛋白激活的效能[17]。

近年來，有關(guān)將CDC42蛋白抑制劑CASIN用于臨床疾病治療方面的研究，最先被研究報(bào)道的疾病是過敏性氣道炎癥和哮喘，并非腫瘤[18-19]。不過，隨著CDC42 在腫瘤惡性演進(jìn)中分子作用機(jī)制的不斷深入揭示，CASIN用于腫瘤治療的前景已被認(rèn)知。然而，包括我們針對(duì)食管癌的前期的初步的研究在內(nèi)，相關(guān)研究尚處于臨床前研究階段。我國(guó)是食管癌等上消化道惡性腫瘤的高發(fā)國(guó)，目前臨床上尚沒有針對(duì)食管癌的特異性的靶向治療藥物可用，情形十分嚴(yán)峻。由此可見，我們選擇食管癌，在前期研究獲得初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步圍繞著CASIN 如何通過抑制CDC42 蛋白作用，抑制食管癌惡性演進(jìn)，開展基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)方面的研究，其意義是不言而喻的，值得堅(jiān)持深入研究下去。