E3泛素连接酶在结直肠癌中的作用机制研究进展

李 芳,王 珏,晏睿阳,李凯杨,沈 慧,王 丽,张 静,张云清

(延安大学 1. 医学院, 2. 附属医院 病理科,陕西 延安 716000)

作为全世界发病率和死亡率最高的肿瘤之一,结直肠癌(colorectal cancer,CRC)造成了严重的社会经济影响。泛素化可通过改变底物蛋白的活性或使之发生泛素—蛋白酶体降解,进而参与调控细胞增殖、细胞周期、细胞凋亡、DNA损伤修复等多个过程,而这些正是CRC致病机制的关键环节[1-2]。研究表明,E3泛素连接酶在CRC的发生、进展及转移等过程中发挥关键调控作用。本文就RING型和HECT型E3泛素连接酶在CRC发生发展中的作用机制及这两类E3泛素连接酶的靶向抑制剂相关研究进展作一综述,为CRC致病机制研究及其靶向治疗提供新的视角。

1 E3泛素连接酶简介

泛素化修饰是由E1泛素激活酶、E2泛素结合酶及E3泛素连接酶这3种酶催化的级联反应[2]。E1泛素激活酶活化泛素(ubiquitin,Ub)并将其转移到E2泛素结合酶上,形成E2-Ub偶联物。接着,在E3泛素连接酶的作用下,Ub被催化转移至底物蛋白的赖氨酸残基上,形成单泛素链或多聚泛素链修饰[2]。该级联反应的效率和底物特异性主要取决于E3泛素连接酶,因此其被认为是泛素化修饰过程中的关键酶。E3泛素连接酶最先被分为RING(really interesting new gene)型和HECT(homologous to E6AP C-terminus)型,后来有研究者将其分为3类,分别为:RING型、HECT型及RBR(RING-between-RING)型[3];也有研究者将其分为4类,即RING型、HECT型、RBR型及U-Box型[4];此外,有研究者将其细分为5类,分别为:U-Box型、F-Box型、Ring-Box型、HECT型及锌指型[5]。但不管何种分类方式,大多数E3泛素连接酶均可归类为RING型或HECT型,且这两类E3泛素连接酶受到研究者广泛关注。

由于结构和生化特性的不同,RING型和HECT型E3泛素连接酶的Ub转移机制有所不同[3]。见Fig 1。RING型E3泛素连接酶本身不与Ub发生作用,而是作为桥梁将活化的Ub从E2泛素结合酶直接转移至底物蛋白上[3]。其主要分为3类:①单体RING结构域E3,含RNF家族、TRIM家族等;②二聚体RING结构域E3,含MDM2/MDMX、XIAP等;③多亚基RING结构域E3,含SCF型、APC/C型等[2]。在CRC中研究最多的为RNF家族成员和TRIM家族成员。而HECT型E3泛素连接酶先从E2泛素结合酶上接受Ub,再将Ub转移至底物蛋白上[2-3,6]。按照N末端蛋白互作结构域的不同,可将HECT型E3泛素连接酶分为3类:具有WW结构域的NEDD4家族、具有RLD样结构域的HERC家族及不包括WW或RLD结构域的其他HECT型E3泛素连接酶[6]。NEDD4家族成员是目前CRC中研究最多的HECT型E3泛素连接酶。

2 RING型E3泛素连接酶在CRC发生发展中的调控作用及分子机制

2.1 RING型E3泛素连接酶参与调控CRC细胞增殖和凋亡研究发现E3泛素连接酶TRIM6能够促进CRC细胞增殖,其机制为过表达TRIM6可使CRC细胞中TIS21的泛素化水平升高,进而降低后者的蛋白稳定性[7]。反之,体内外实验结果证实RNF128可显著抑制CRC细胞增殖,其分子机制为RNF128介导β-catenin的泛素—蛋白酶体降解进而抑制Wnt/β-catenin信号转导[8]。此外,RING型E3泛素连接酶在CRC细胞凋亡调控中也扮演了重要角色。如TRIM67可直接与P53的C末端互作来抑制MDM2介导的P53降解,反过来P53又能结合到TRIM67的启动子区域上调TRIM67的表达,形成一个TRIM67/P53正反馈环路,并最终增强p53诱导的CRC细胞生长抑制和凋亡[9]。RNF146可通过诱导Axin1发生泛素—蛋白酶体降解来激活Wnt/β-catenin信号通路进而发挥抑制CRC细胞凋亡的作用,提示RNF146可能是CRC患者预后不良的独立因素[10],见Fig 2。

Fig 1 Different mechanisms of ubiquitin transfer in RING type and HECT type E3 ligases

Fig 2 Classification of RING E3 ligases and their roles in CRC

2.2 RING型E3泛素连接酶参与调控CRC细胞迁移和侵袭E3泛素连接酶TRIM39在CRC组织中显著高表达,且TRIM39表达水平越高,CRC侵袭程度越高,淋巴结转移越多,病理分期越晚[11]。研究发现TRIM39可与Rab7相互作用并抑制Rab7的K191泛素化而提高后者活性,从而促进CRC进展;而敲低TRIM39可显著降低CRC细胞的迁移和侵袭能力[11]。RBBP6也能够促进CRC细胞的迁移、侵袭并诱导荷瘤小鼠发生肺转移和肝转移[12]。其可能的分子机制为:RBBP6介导的IκBα泛素—蛋白酶体降解可显著增强NF-κB p65的核转位进而激活NF-κB信号通路,从而诱导CRC细胞发生EMT并促进其迁移、侵袭[12]。提示RBBP6可能是CRC潜在预后生物标志物和治疗靶点。而Wu等[13]研究发现TRAF6可通过K63链泛素化修饰LC3B来增强LC3B与β-catenin间的相互作用,进而驱动CTNNB1/β-catenin的选择性自噬降解,并最终发挥抑制CRC转移的作用。见Fig 2。

2.3 RING型E3泛素连接酶参与调控CRC细胞化疗敏感性除增殖、凋亡、迁移、侵袭外,RING型E3泛素连接酶还参与调控CRC细胞化疗敏感性[5]。TRIM67能够与P53互作形成TRIM67/P53正反馈环路,进而在体内、外条件下增强CRC细胞的化疗敏感性[9]。FBXW7突变可引起P53 Ser15位异常磷酸化,从而降低CRC细胞对奥沙利铂的敏感性,提示过表达FBXW7可能成为改善CRC细胞化疗耐药的良好策略之一[14]。反之,部分RING型E3泛素连接酶可降低CRC细胞的化疗敏感性,诱导CRC患者发生化疗耐药。如TRIM47可诱导SMAD4发生泛素—蛋白酶体降解,降低CRC细胞的5-氟尿嘧啶(5-fluorouracil, 5-FU)化疗敏感性[15]。TRIM25可通过抑制TRAF6介导的EZH2泛素—蛋白酶体降解来上调EZH2水平,从而降低CRC细胞对奥沙利铂的敏感性[16]。此外,敲低TRIM6能够通过诱导TIS21的泛素—蛋白酶体降解来提高CRC细胞对5-FU和奥沙利铂的敏感性[7],见Fig 2。

3 HECT型E3泛素连接酶在CRC发生发展中的调控作用及分子机制

3.1 HECT型E3泛素连接酶参与调控CRC细胞增殖和凋亡研究表明WWP1在CRC组织中显著高表达,过表达WWP1可抑制PTEN/AKT信号通路转导进而提高CRC细胞的增殖能力[17]。有研究发现,Linc02023可与PTEN特异性结合,阻止后者被WWP2泛素—蛋白酶体降解,进而稳定PTEN并抑制其下游基因表达,从而抑制CRC细胞增殖[18]。提示WWP2可能通过介导PTEN的泛素—蛋白酶体降解来提高CRC细胞的增殖能力[18]。考虑到WWP1和WWP2在结构和功能上的高度相似性,且两者均可通过下调PTEN信号通路来促进CRC细胞增殖,推测WWP1可能也是通过诱导PTEN发生泛素—蛋白酶体降解进而促进CRC细胞增殖的。与之相反,SMURF2能够通过介导SIRT1的泛素—蛋白酶体降解来抑制CRC细胞增殖[19]。另有研究发现,HECTD2可诱导EHMT2发生泛素—蛋白酶体降解,进而抑制CRC细胞增殖并促进其凋亡[20]。综上,HECT型E3泛素连接酶为CRC细胞增殖与凋亡的重要调控因子,见Fig 3。

3.2 HECT型E3泛素连接酶参与调控CRC细胞迁移和侵袭有报道称WWP1高表达与肿瘤大小、远处转移和TNM分期密切相关,是影响CRC患者总生存期的独立预后因素;过表达WWP1的CRC细胞侵袭能力更强[17]。Yue等[21]研究发现,NEDD4可通过介导FOXA1的泛素—蛋白酶体降解进而促进CRC细胞的EMT进程和侵袭,且在移植瘤小鼠模型中过表达NEDD4可显著促进CRC生长转移。反之,HERC3在体内外均可发挥抑制CRC细胞迁移、侵袭的作用,其分子机制可能为HERC3的HECT结构域与EIF5A2结合继而促进EIF5A2的K27和K48链泛素化修饰及降解,并通过EIF5A2/TGF-β/SMAD2/3信号通路抑制CRC细胞的迁移、侵袭[22],见Fig 3。

Fig 3 Classification of HECT E3 ligases and their roles in CRC

3.3 HECT型E3泛素连接酶参与调控CRC细胞化疗敏感性有研究证据表明[23],STK35能够显著降低CRC细胞的5-FU化疗敏感性,而STK35又能被E3连接酶NEDD4L泛素—蛋白酶体降解,提示NEDD4L可能在CRC细胞的5-FU化疗敏感性调控中发挥积极作用。敲低SMURF1可明显增强化疗药物吉西他滨和顺铂对CRC细胞HCT116凋亡的诱导作用;且在HCT116细胞来源和CRC患者肿瘤组织来源的异种移植瘤模型中,低表达的SMURF1均可显著增强吉西他滨和顺铂的抗肿瘤效果[24]。类似地,有研究发现敲低WWP1可增加CRC细胞中TAp63a的蛋白表达水平,进而增强CRC细胞对阿霉素和顺铂的敏感性[25],见Fig 3。

4 E3泛素连接酶靶向抑制剂—富有前景的肿瘤治疗方案

多种肿瘤的发生发展与E3泛素连接酶表达异常和功能失调密切相关,且相比于通用的泛素蛋白酶体抑制剂,E3泛素连接酶靶向抑制剂特异性更强、毒副作用更小[4]。因此,E3泛素连接酶靶向抑制剂被视为一种很有前景的肿瘤治疗方案。这些靶向抑制剂通常都是针对肿瘤中广泛异常表达且发挥关键致癌作用的E3泛素连接酶,如:MDM2、SKP2等[4]。Nutlin是首个发现的MDM2靶向抑制剂,其主要通过与MDM2结合来破坏MDM2与P53之间的相互作用,从而发挥肿瘤抑制作用;相比于Nutlin,二代MDM2抑制剂RG7388的靶向抑制效果更好且毒性更小[4,26]。研究表明经SMIP004(SKP2抑制剂)处理的乳腺癌细胞在放射处理后表现出更低的细胞增殖能力和集落形成能力;研究者在移植瘤模型中也同样观察到明显的SMIP004联合放射治疗的肿瘤抑制作用[27]。Watt等[28]分离出了WWP2靶向抑制剂NSC288387,但其对WWP2同家族成员WWP1和NEDD4也有一定的抑制作用。Peter等通过高通量筛选方法找到两种能够抑制HUWE1活性的小分子化合物(BI8622和BI8626),但对其他HECT型E3泛素连接酶活性无明显抑制作用,提示其可能是HUWE1的特异性抑制剂[29-30]。此外,研究者发现这两种HUWE1靶向抑制剂能够抑制CRC细胞中MYC依赖的转录激活,提示其具有良好的抗肿瘤效果[30]。尽管目前E3泛素连接酶靶向抑制剂的相关报道较少,且研究尚不够深入。但鉴于E3泛素连接酶在CRC调控中的关键作用及其靶向抑制剂自身特异性强、毒副作用小等优势,E3泛素连接酶靶向抑制剂很可能成为未来CRC临床治疗方案的重要组成部分。

5 结论与展望

综上所述,RING型和HECT型E3泛素连接酶在CRC细胞增殖、凋亡、迁移、侵袭及化疗敏感性等方面均发挥重要调控作用。尽管其分子调控机制尚未完全阐明,但这些E3泛素连接酶很可能成为CRC预后标志物和潜在治疗靶点。另一方面,随着对E3泛素连接酶靶向抑制剂的进一步深入研究和开发,我们相信其将在不远的未来为CRC患者的个性化治疗带来福音。