黃麗銀,斯 韜,梁 婷,覃正萍,劉湘慧

(1.廣西中醫(yī)藥大學,廣西 南寧 530200;2.廣西中醫(yī)藥大學第三附屬醫(yī)院腫瘤科,廣西 柳州 545001)

肝細胞癌(Hepatocellular carcinoma,HCC)是世界上最惡性的實體腫瘤之一,也是癌癥相關死亡的第三大原因。由于其早期發(fā)病隱匿而難以診斷,發(fā)現(xiàn)時往往已發(fā)展到中晚期;而目前沒有針對晚期肝癌的治愈性治療。HCC的治療仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。細胞能量代謝的改變是癌癥的特征之一。近年來,癌癥代謝在腫瘤研究中備受關注。PDK4作為細胞能量代謝的關鍵因子,與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關,近年來PDK家族的其他成員(如PDK1、PDK2和PDK3)在腫瘤進展中的作用和潛在機制已被廣泛研究和了解;目前PDK4在HCC、胃癌等多種腫瘤疾病的發(fā)生發(fā)展中的功能和潛在的分子機制仍不清楚,現(xiàn)就近年來,PDK4在肝癌中的作用研究進展作一綜述。

1 丙酮酸脫氫酶激酶

丙酮酸脫氫酶激酶(Pyruvate dehydrogenase kinases,PDKs) 是丙酮酸脫氫酶復合物(Pyruvate dehydrogenase complexes PDC) 的調節(jié)酶,其包括PDK1、PDK2、PDK3和PDK4四種亞型。PDC為位于線粒體基質的一種多酶復合物,其活化后可催化丙酮酸氧化脫羧,為三羧酸循環(huán)和脂質生物合成提供乙酰輔酶A(Acetoacetyl coenzyme A,COA)和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide adenine dinucleotide,NADH),在維持細胞線粒體能量代謝穩(wěn)態(tài)中起到關鍵作用[1]。PDC的活性主要受其E1α組分絲氨酸殘基的磷酸化調控,PDKs將其磷酸化滅活,丙酮酸脫氫酶磷酸酶(Pyruvate dehydrogenase phosphatase,PDP)使其去磷酸化激活。這兩類調控酶的相對活性決定了PDHC絲氨酸殘基磷酸化的程度,進而決定PDC的活性[2-3]。

PDKs不僅與很多代謝疾病關系密切,而且與許多惡性腫瘤的侵襲性、增殖性、抗凋亡作用和治療抵抗有關[4]。PDK1-3的調節(jié)反映了細胞的即時能量需求,但PDK4體現(xiàn)了整個機體的能量平衡,并在過度運動[5]、饑餓[6]、胰島素抵抗狀態(tài)和糖尿病[7]期間上調。與其他PDK亞型相比,PDK4不僅具有致癌作用,還具有抑癌作用[8]。因此,PDK4在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用仍需要進一步深入研究。

2 PDK4在腫瘤中的作用

PDK4作為能量代謝的關鍵調節(jié)因子,其介導的能量代謝方式改變與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關,貫穿始終。在癌細胞發(fā)生的初期,PDK4介導的代謝變化就已開始發(fā)揮重要的抗癌作用。正常上皮細胞可以識別并主動清除功能失調細胞以維持組織內穩(wěn)態(tài),這一過程稱為上皮細胞抗癌防御(Pithelial defense against cancer,EDAC),在這個過程中發(fā)現(xiàn),癌細胞被正常細胞包圍時,PDK4介導對PDC和線粒體代謝的抑制,導致線粒體膜電位降低、葡萄糖攝取量增多,導致乳酸產量增加,從而誘導癌細胞的擠出。PDK4表達的異常,可造成EDAC功能紊亂,誘發(fā)惡性腫瘤[8]。

根據(jù)各自組織的代謝功能、癌癥類型和分期,PDK4高表達可起到致癌或抑癌作用。已有研究發(fā)現(xiàn)PDK4在胃癌細胞中高表達,PDK4高表達提示分期晚、惡性程度高、預后差,其表達與不同類型的浸潤性免疫細胞(如B細胞、CD4+T淋巴細胞、樹突狀細胞及巨噬細胞)呈正相關,PDK4受微小RNA-5683(miR-5683)負調控影響糖酵解,從而促進胃癌細胞的增殖、遷移和侵襲[9]。在腸癌、卵巢癌、宮頸癌中均可觀察到PDK4受到LncRNA/miRNA/PDK4軸的靶向調控高表達后發(fā)揮促癌作用,例如在腸癌中的長鏈非編碼RNA(Long non-coding RNA,lncRNA)小核仁RNA宿主基因12 (Small nucleolar RNA host gene 12 ,SNHG12)/miR-15a/PDK4軸[10]、卵巢癌中的 LncRNA AFAP1反義RNA1(AFAP1 antisense RNA1,AFAP1-AS1)/miR-107/PDK4軸[11]和宮頸癌中LncRNA 00662/miR-103a-3p/PDK4軸[12]。另外,在三陰性乳腺癌[13]和甲狀腺乳頭狀癌[14]中,PDK4分別在環(huán)狀RNA(circRNA)circ-ERBB2/136-5p/PDK4和circ-CCDC66/miR-211-5p/PDK4調控下高表達促進腫瘤進展[14]。上述癌種中PDK4高表達具有致癌作用,但在下列癌種中可見PDK4呈低表達,將PDK4表達上調具有抑癌作用。有研究表明在HCC細胞的細胞核和細胞質中,PDK4均顯著下調,下調PDK4可顯著促進體外HCC細胞系(即BEL-7402和BEL-7404細胞)的增殖、致瘤、遷移和侵襲增加[15]。此外,在肺腺癌中的研究發(fā)現(xiàn),PDK4受miR-182過表達抑制,從而抑制脂肪生成、影響活性氧(Reactive oxygen species,ROS)的產生和下游JNK信號通路,促進肺腫瘤的發(fā)生[16]。而在對前列腺癌進行轉錄組學和蛋白質組學分析提示PDK4低表達與前列腺癌早期生化復發(fā)相關,PDK4是三羧酸循環(huán)/氧化磷酸化(Tricarboxylic acid cycle,TCA/oxidative phosphorylation,OXPHOS)的重要調節(jié)因子,其低表達可導致氧化磷酸化和脂質生成增強,這兩者都與前列腺癌預后不良有關[17]。這種現(xiàn)象在肝癌中也觀察到PDK4的敲除增加了關鍵的脂肪生成酶:脂肪酸合成酶(Fatty acid synthase,FASN)和硬脂酰輔酶A去飽和酶(Stearoyl-CoA desaturase,SCD)的表達,最終誘導脂肪生成,表明PDK4可能通過促進脂肪生成來促進肝癌細胞的進展[18]。這與上述高PDK4發(fā)揮致癌作用的癌種中,多可見到糖酵解的變化有所不同,表示不同癌種間代謝重排的復雜性,值得進一步深入研究。

PDK4不僅與腫瘤增殖,遷移及侵襲有關,而且在細胞耐藥過程中起著至關重要的作用,如,在腸癌中通過LncRNA HCG11/miR-144-3p/PDK4軸,PDK高表達重編程糖代謝可促進結腸癌細胞對五氟尿嘧啶(5-FU)的耐藥[19]。有研究發(fā)現(xiàn)PDK4在彌漫大B細胞淋巴瘤細胞中的過表達,介導了代謝重編程,負向調節(jié)MS4A1/CD20導致對利妥昔單抗耐藥[20]。Tozasertib是一種泛aurora激酶抑制劑,可用于治療高級別膠質瘤,有研究報道對Tozasertib耐藥的膠質瘤細胞進行RNA序列分析顯示PDK4顯著上調,抑制PDK可逆轉耐藥性[21]。另外,在對阿霉素耐藥的HeLa/Dox和SiHa/Dox宮頸癌細胞,與親代細胞對比發(fā)現(xiàn),葡萄糖消耗、乳酸生成率和ATP水平顯著升高,在代謝和糖酵解相關基因中,PDK4表達上調,敲除PDK4可降低葡萄糖消耗、乳酸產生率和ATP水平,并進一步使耐藥宮頸癌細胞對阿霉素治療敏感[22]。miR-16-5p是PDK4的上游調控因子,結論認為miR-16-5p/PDK4介導的代謝重編程參與了宮頸癌對阿霉素的耐藥。據(jù)報道,在對人類胰腺導管癌細胞鐵死亡敏感性的研究中發(fā)現(xiàn),PDK4是導致鐵死亡抗性的頂基因,PDK4可通過代謝重編程來抑制鐵死亡,抑制PDK4可克服鐵死亡抗性,增強藥物的抗癌活性[23]。另外,PDK4還參與癌癥階段或化療后肌肉大小的控制,這使其有望成為對抗癌癥相關惡病質的靶點[24]。

3 PDK4在肝癌中的作用及影響

PDK4與肝癌關系密切,多項研究表明,PDK4在人肝癌組織中的表達下調,其下調與不良預后相關,沉默PDK4對肝癌細胞的增殖及遷移有明顯的促進作用[16,19,25-27], 但在對索拉非尼或順鉑耐藥的肝癌細胞株的研究中發(fā)現(xiàn)PDK4高表達,深入研究發(fā)現(xiàn)促炎細胞因子腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細胞介素-6(IL-6)和轉化生長因子-β(TGF-β)之間的相互作用可觸發(fā)肝癌細胞向干細胞的反向轉化,該過程伴隨血管生成素樣4(ANGPTL4)誘導PDK4上調,進而抑制線粒體的活性導致代謝重編程,表現(xiàn)出膜電位降低,ATP產量低,乳酸產量高,顯示出高遷移、侵襲潛能和對化、靶向藥物耐藥,抑制ERK或PI3K可降低ANGPTL4和PDK4的表達,逆轉耐藥[28]。這項研究提示了肝癌中PDK4表達調控和相互作用的復雜性,藥物、炎癥通路和代謝通路的相互影響對生物學行為或許有不同的結局,值得進一步深入研究。PDK4可以受很多上游調控因子調控, 如miR-129-5p可靶向抑制PDK4表達[29],砷暴露通過誘導組蛋白甲基轉移酶G9a和增加組蛋白H3賴氨酸9(H3K9)二甲基化和三甲基化水平(H3K9me2/3)來降低PDK4的表達[30]。在調控PDK4引起的下游機制方面,觀察到PDK4缺乏可通過E2F1介導的細胞周期蛋白增加加速肝癌細胞增殖[25]。另外,有研究發(fā)現(xiàn)PDK4可通過直接蛋白質結合將p65保留在細胞質中,促進p65與TNF啟動子結合,激活腫瘤壞死因子-腫瘤壞死因子受體1(TNF-TNFR1)凋亡途徑[26]。代謝產物方面,有研究發(fā)現(xiàn)PDK4基因敲除不影響肝癌細胞的氧化磷酸化和糖酵解能力,而是增加了關鍵的脂肪生成酶,最終誘導脂肪生成[18]。但更為有趣的是有研究在實驗中觀察到了PDK4引起的糖酵解變化[29,31]。

值得關注的是,由于細胞快速增殖的能量需求,即使在有氧條件下,腫瘤細胞也會通過糖酵解將葡萄糖分解成乳酸鹽,稱為沃伯格(Warburg)效應。這就是為什么糖酵解在腫瘤細胞代謝中特別重要的原因之一[32]。 據(jù)報道,PDK4介導的Warburg效應樣代謝改變影響肝細胞癌和膀胱癌等[33]腫瘤的生長[34]。PDK4在HCC發(fā)展過程中起著糖酵解的積極調節(jié)劑的作用,在肝糖酵解中代償性增強,這與PDK4在糖酵解中的抑制作用一致[35]。有研究表明m6A可通過誘導PDK4調節(jié)肝癌細胞的糖酵解[31];另外,有研究認為miR-122通過靶向PDK4調節(jié)CD133+肝細胞癌干細胞中的活性糖酵解代謝[36]?？梢?PDK4在細胞能量代謝及肝癌等腫瘤疾病中發(fā)揮了重要作用,可能成為未來預防肝細胞癌治療新策略的潛在靶點。

4 小結與展望

近年來對PDK4在腫瘤領域的研究取得了一定的進展,本文主要針對PDK4在肝細胞癌的研究進行綜述,結果發(fā)現(xiàn)PDK4在HCC組織中下調,其下調可以預測HCC患者的不良預后。此外,PDK4在HCC細胞能量代謝中發(fā)揮重要作用,但其表達調控受到多種信號調控機制影響。因此,更詳細的作用機制在未來值得探索。