磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)与恶液质

恶液质

恶性肿瘤患者常常伴随癌性恶液质,它是一组症候群,是由多种因素导致的机体骨骼肌进行性丢失,伴或不伴脂肪质量的下降。主要临床表现为厌食、贫血、蛋白质分解增加、瘦组织群丢失、进行性体重下降甚至呼吸困难或器官衰竭,还伴有糖、脂肪、蛋白质三大物质代谢的改变,其中蛋白质代谢改变最有意义,可特征性地表现为骨骼肌蛋白分解增加和合成减少、蛋白转换率升高、低蛋白血症、急性期反应蛋白升高以及机体出现负氮平衡等。骨骼肌是肿瘤患者内源性氮丢失的主要场所,由于骨骼肌约占正常成人体重的40%,是瘦组织群的主要成分,因此,骨骼肌蛋白消耗增加是导致恶性肿瘤患者恶液质的主要原因。研究发现,组织类型恶性程度高的肿瘤或肿瘤发生转移时机体蛋白质丢失速度快,蛋白丢失的程度与患者生存时间密切相关。癌性恶液质的蛋白质消耗与单纯性饥饿所致的氮丢失不同,宿主蛋白的分解为肿瘤代谢提供底物,因此肿瘤患者肝脏合成肿瘤相关蛋白和急性期反应蛋白增加。临床研究发现,胰腺癌、肺癌、肾癌、食管癌患者中急性期反应蛋白合成明显增加,且与患者体重下降和生存期缩短显著相关。

恶液质蛋白质代谢的特点

癌性恶液质患者由于肌肉蛋白分解增加和合成减少,从而使全身蛋白总量减少,表现为恶液质患者体重进行性下降,极度消耗,出现相关并发症,并危及生命。癌性恶液质患者的体质虚弱和骨骼肌的分解有直接的关系。肌肉数量取决于蛋白质合成和分解之间的平衡,恶性肿瘤晚期患者出现血浆胰岛素浓度下降和骨骼肌对胰岛素的敏感度降低、蛋白质翻译水平下降、氨基酸供给不足和必需氨基酸缺乏,这些因素都会导致蛋白质合成减少。假如蛋白质合成不足是肌肉消耗速度的决定因素,那么供给适宜的氨基酸就可以恢复肌肉的数量。然而,大量的研究却认为,蛋白质降解是癌性恶液质肌肉分解的决定因素,尤其是肌原纤维蛋白质中的肌动蛋白和肌球蛋白的降解增加是导致肌肉恶液质的最重要原因,所以单纯依靠供给氨基酸,加速蛋白合成改善恶液质不太可能,更需要逆转蛋白降解这一过程。

恶液质与ATP-泛素-蛋白酶体降解蛋白途径

目前的研究发现,肿瘤患者蛋白质降解增加至少有三条独立的机制:①溶酶体蛋白酶途径:血浆蛋白或激素、外来抗原通过吞噬作用进入细胞内形成吞噬小体,吞噬小体再与溶酶体结合,经溶酶体酶使蛋白分解,通常认为该系统参与细胞外蛋白质和细胞表面受体的水解;②钙依赖的蛋白酶途径:参与组织损伤、坏死和细胞自溶;③ATP-泛素-蛋白酶体途径(ATP-ubiquitin-proteasome pathway,UPP)。其中ATP-泛素-蛋白酶体途径(UPP)是蛋白质降解的主要机制,UPP的激活与上述骨骼肌蛋白加速分解密切相关。

癌性恶液质形成过程中,骨骼肌蛋白降解与ATP-泛素-蛋白酶体途径密切相关,这方面的研究已经取得了一定的进展。Temparis等的研究发现,用Yoshida 肉瘤细胞接种大鼠5天后,虽然肿瘤的重量/大鼠体质量<0.3%,但其趾长伸肌、胫骨前肌重量却有明显下降。体外试验发现,肌肉蛋白丢失主要是由于蛋白分解增加,抑制溶酶体和钙依赖的蛋白酶并不能降低趾长伸肌的分解速度,但是无ATP 的培养液抑制肌肉蛋白分解,从而证明了ATP-泛素-蛋白酶体途径在恶液质蛋白降解中的重要地位。同时还发现,荷瘤大鼠肌肉中泛素、蛋白酶C8、C9 亚基mRNA 表达升高。Lovera等发现,大鼠种植腹腔积液型肝癌细胞后7 天,腓肠肌重量比对照组下降>30%,且其蛋白降解依赖ATP。Baracos等的研究也发现,荷瘤小鼠的蛋白降解率增加63%~95%,泛素和蛋白酶亚基mRNA水平明显升高。有观点认为,ATP-泛素-蛋白酶体途径不能直接降解肌原纤维,肌原纤维必须在Z带分离的情况下,先降解成肌浆球蛋白(myosin) 和肌钙蛋白(troponin),然后再通过ATP-泛素-蛋白酶体途径降解成氨基酸。

UPP降解蛋白的机制

UPP降解蛋白包括靶蛋白泛素化和靶蛋白降解两个步骤。靶蛋白泛素化涉及3种酶:泛素活化酶(E1)、泛素耦合酶(E2)和泛素蛋白连接酶(E3)。E1有1种,E2有数10种,而E3有数千种之多。E3是整个系统的关键酶,决定UPP的特异性和速率。其中,有三种E3蛋白亚单位仅在肌肉中表达:Atrogin-1(也称为MAFbx)、MuRF-1和E3a-Ⅱ。肌肉特异性E3在肌肉萎缩中起重要作用。Atrogin-1能与Skpl、Rocl和Cul1结合,共同组成SCF型E3。Atrogin-1有多个蛋白底物结合位点,SCF型E3分布范围广,其底物蛋白范围大。靶蛋白泛素化过程为:首先E1将泛素C端甘氨酸活化,活化的泛素转移到E2,最后泛素从E2转移到靶蛋白上;或者靶蛋白首先连接到E3的特异位点上,然后泛素再从E2转移过来,连接到需要降解的蛋白质底物上。泛素分子结合反应不断重复,形成由5个或更多泛素分子相互连接形成的泛素链,与蛋白质底物相连接。靶蛋白的降解大多数发生于蛋白酶体,具体过程为:在ATP参与下,泛素化蛋白底物被19S复合体识别结合,结合后泛素链被释放回收再利用,蛋白质在19S复合体促进下进入20S核心蛋白复合体内,这个复合体的中央环上含有多种水解位点。蛋白质在此被逐渐切成6~12个氨基酸组成的短肽,这些短肽迅速被胞质中的外肽酶降解为氨基酸或被转运到内质网或以Ⅰ类抗原被呈递。整个反应至少有3个步骤需要ATP。整个过程中,泛素与蛋白质底物的结合是UPP的限速步骤,不同类型的蛋白质底物的降解需要特定的E2和E3参与,因此,UPP具有高度选择性、有效性和可控性。

UPP与细胞内外信号传导通路间的关系

研究发现,UPP与细胞内外信号传导通路之间具有密切的联系。UPP与细胞内外信号传导通路之间的联系主要有:

细胞因子相关途径

细胞因子TNF-α、IL-1、IL-6、IFN-γ等参与UPP 的激活,TNF-α、IFN-γ、IL-1、IL-6能使肌肉中泛素mRNA、Atrogin-1mRNA和E3a-Ⅱ的表达明显上调。其中,TNF-α与恶液质、UPP之间的关系尤为突出。TNF-α可引起恶性肿瘤动物骨骼肌分解萎缩,UPP组成成分表达上调,TNF抗体可以抑制肌肉中泛素mRNA的表达。种植了Lewis肺癌的大鼠外周血中TNF-α水平升高与肌肉蛋白降解增加以及UPP的激活相关;而TNF-α受体基因缺陷小鼠外周血中TNF-α浓度虽同样增加,但却未见到UPP的激活。TNF-α的上述作用机制与NF-κB密切相关。E2基因启动子附近有NF-κB结合位点,在TNF-α刺激下,NF-κB与该位点的结合增加,E2表达增加,抑制NF-κB能阻断TNF-α引起的E2表达上调。

IGF-1/PI3K/Akt相关途径

另一条重要通路是胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)相关通路。IGF-1激活两个主要途径:MEK-ERK和PI3K/Akt。其中,MEK-ERK途径调控纤维组成类型,但不能决定肌纤维的大小。在IGF-1下游信号中,PI3K-Akt在此方面的研究中处于中心地位,在Akt的下游信号中,促进肌肉合成、肥大的有GSK3B、mTOR、p70s6k和4E-BP1;促进肌肉分解萎缩的有foxo1、Foxo3、Atrogin-1和MuRF-1。用PI3K 抑制剂或者针对mTOR的雷帕霉素,可引起Atrogin-1mRNA 表达增多,蛋白分解增加,而MuRF-1mRNA变化不明显或仅有轻度增多。IGF-1通过PI3K/Akt途径来抑制Atrogin-1、MuRF-1的表达,Akt不仅能促进肌肉细胞肥大,而且能通过抑制Foxo蛋白来抑制Atrogin-1、MuRF-1表达从而抑制肌肉萎缩。这是通过激活PI3K-Akt-Foxo-Atrogin-1途径来实现的,IGF-1降低MuRF-1mRNA 的速度较慢,Atrogin-1mRNA这一调节途径灵敏和快捷。Foxo蛋白在肌肉代谢中起着关键调节物的作用,但具体哪一种Foxo蛋白促进何种E3蛋白的表达,需要进一步研究。IGF-1还可通过Akt/mTOR途径来缓解肌肉萎缩,抑制mTOR也能引起Atrogin-1表达下调,如果Akt被激活而mTOR仍受抑制,则蛋白合成不明显。因此,PI3K既能促进蛋白质的合成,又能抑制蛋白质的降解,一方面,它可以通过促进Akt的磷酸化,导致蛋白质合成增加;另一方面,它还可以通过抑制Foxo来抑制Atrogin-1和MuRF-1基因的表达,从而抑制蛋白质降解。

Myostatin相关途径

研究发现,Myostatin是转化生长因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)超家族的成员之一,在肌肉生长和分化中起负调节作用,Myostatin可引起肌肉萎缩、肌肉蛋白分解,myoD、pax表达下降,Atrogin-1、MuRF-1、E2表达增强,这些均是通过抑制IGF-1/PI3K/Akt途径进而激活Foxo1来实现的,并且与NF-κB无关。

恶液质的治疗

癌性恶液质患者的代谢改变使患者对抗肿瘤治疗的敏感性降低,增加了抗肿瘤治疗相关副作用的发生率,降低了患者的生活质量。目前尚无有效的治疗方法可以逆转癌性恶液质,除非治愈肿瘤,但这在成人晚期实体肿瘤中几乎不可能。目前针对癌性恶液质的治疗是多方面的治疗,包括药物治疗、营养支持治疗、心理治疗等,其中,药物治疗主要着重于刺激食欲、促进机体合成代谢、抑制和(或)拮抗炎症相关细胞因子、抗炎治疗、减少骨骼肌消耗等。但这些治疗常不能保持机体无脂体重,尚不能提高恶液质患者的平均生存时间及远期生存,其短期体重增加的效应是水潴留所致。

现在看来,在癌性恶液质发生的分子机制上阻断恶液质的进展是有可能实现的。研究发现,多聚不饱和脂肪酸(如EPA和DHA)能改善癌性恶液质,提高患者的生活质量,增加机体瘦组织群。有研究发现,给予荷MAC16小鼠癌性恶液质模型EPA后,恶液质状态改善,腓肠肌的蛋白酶体活性被抑制,表达下降,但E2的表达不受影响,提示蛋白酶体表达下调可逆转恶液质。多聚不饱和脂肪酸和亮氨酸代谢产物(beta-hydroxy-beta-methylbutyrate,HMB)均能降低蛋白酶体活性,应用后蛋白酶体亚基和ATP酶亚基的表达均见减少,E2 表达也见减少。两者联用比单用一种效果更明显。乙酮可可碱能减少荷瘤小鼠肌肉蛋白降解,降低E2和蛋白酶亚基mRNA 的表达,β2-肾上腺素能受体激动剂能降低泛素基因的表达,抑制UPP的过度激活,从而缓解恶液质患者肌肉的分解。吲哚美辛等环氧合酶抑制剂通过抑制炎症因子的释放,进而抑制肌肉UPP活性,尤其是抑制特异性E3表达,从而抑制荷瘤小鼠肌肉蛋白的降解。

展望

UPP在癌性恶液质患者肌肉蛋白降解萎缩中的重要性已得到公认,这一途径在癌性恶液质的早期阶段即可激活。目前仅对该途径的某些蛋白或mRNA进行了研究,在恶液质状态下某些因素引起UPP部分成分基因转录增加,但目前还不知道是否引起UPP每种组分转录表达都增加,进而导致蛋白分解增加,这还需要进一步研究以确认。

目前尚无真正有效的方法改善癌性恶液质患者的负氮平衡,对UPP的研究将给恶液质肌萎缩的治疗带来曙光,如果在恶液质代谢改变初期即对该途径进行干预,可能会取得良好的治疗效果。完全阻断这条途径可能会影响其他功能(如细胞周期和细胞分化)的进行,所以选择性的抑制某些成分可能对临床更有利。可供选择的抑制步骤包括泛素的结合反应及蛋白酶体的活性等。目前还需要进一步阐明此途径的上游激活机制以及肌肉蛋白降解过程中可以干预的关键步骤,寻找可能的调控措施,以期为临床治疗癌性恶液质开辟新的途径。另外,针对触发这条途径的相关因素的抑制,如对糖皮质激素的抑制、TNF-α及IL-1的抗体应用都可能阻断蛋白质的降解。随着对这条蛋白水解途径的深入了解,将会有越来越多的治疗方法应用于临床,在肿瘤持续存在的基础上,阻断癌性恶液质的发展是有可能实现的。

(范湄妲 麦卓瑶 石汉平)

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