dCTP焦磷酸酶1调节肿瘤细胞核苷酸代谢及表型的研究进展

李 婧，张玫瑰，白仲添

(兰州大学第一临床医学院， 甘肃 兰州 730000)

无限增殖及强DNA合成能力是肿瘤细胞的重要特征之一，其对高强度DNA复制压力下的基因组的稳定性维持尤为需要。脱氧核苷三磷酸池(deoxyribonucleoside triphosphate pool， dNTP)的平衡是DNA正确复制和修复的必要条件，其失衡会增强诱变作用，诱导基因重组、染色体异常、DNA断裂和细胞死亡[1]。阐明肿瘤细胞增殖过程中dNTP池的稳态维持机制，有望为靶向治疗药物研发提供新策略。三磷酸脱氧胞苷焦磷酸酶1(dCTP pyrophosphatase 1, DCTPP1)在肿瘤细胞dNTP池的平衡调节中的作用已经引起了研究者的注意，同时它亦参与调节肿瘤进程及耐药性产生。因此，本文对DCTPP1在肿瘤细胞中的功能进行总结分析，以期为DCTPP1作为肿瘤药物靶点及调节耐药方面的深入研究提供思路。

1 DCTPP1的结构及定位

DCTPP1属于核苷三磷酸焦磷酸酶(NTP-PPase)超家族。在所有脊椎动物、绿色植物、单曲霉菌和赤霉菌中均检测到高度保守的DCTPP1直系同源物[2-3]，这种进化过程中的保守性提示着它在生命过程中的重要性。

DCTPP1的单体结构由4个α螺旋组成(α1、α2、α3和α4)，最终由两个二聚体通过α2和α3螺旋的17对疏水残基相互作用形成四聚体，α3和α4之间有一个Mg2+的结合残基[2]。

NCBI的GEO数据库中的转录微阵列分析和SAGE数据表明，DCTPP1在肝、肾、卵巢和睾丸的胚胎和增殖细胞中高度表达，广泛存在于细胞核、细胞质和线粒体中。但是，在稳定细胞中DCTPP1主要分布于线粒体内。

2 DCTPP1与肿瘤细胞中的核苷酸代谢

2.1 在dCTP代谢中的核心作用

DCTPP1在三磷酸脱氧胞苷(dCTP)的平衡和修饰性脱氧胞苷的代谢中起着核心作用。DCTPP1作为dCTP焦磷酸酶，具有水解dCTP为相应的脱氧胞苷单磷酸(dCMP)和焦磷酸(PPi)的基本功能，反应终产物反向调节DCTPP1水平。人成纤维细胞MRC-5 和人宫颈癌细胞HeLa中下调DCTPP1后，细胞内dCTP增加，同时对核苷类似物5-甲基-2′-脱氧胞苷(5-Me-2′-dC)和5-碘-2′-脱氧胞苷(5-I-2′-dC)的敏感性增强，提示DCTPP1能够削弱修饰性脱氧胞苷的毒性作用[4]，即DCTPP1抑制剂可增加核苷类似物的细胞毒性作用。但是，在人慢性粒细胞白血病HAP1中，DCTPP1敲除并未发现dCTP积累增多[5]，提示DCTPP1并不是调控dCTP的唯一酶类。DCTPP1缺失的情况下，CTP合成酶、脱氧胞苷激酶dCK、SAMHD1、AK9等也参与了dCTP水平的调控[6-7]。

胞嘧啶甲基化形式是调控高等脊椎动物基因正确表达的关键，基因组甲基化与肿瘤相关基因启动子的异常激活或抑癌基因的异常失活有关。DCTPP1对5-甲酰基-dCTP、5-甲基-dCTP和5-卤代-dCTP等修饰性dCTP有高度的水解活性[4]，以保护新合成的DNA不被表观修饰后的胞嘧啶掺入。5-氯-dCTP有助于甲基化敏感的DNA结合蛋白与DNA结合，也可以将人类甲基化酶错误地定向到未甲基化的CpG位点，DCTPP1通过降解5-氯-dCTP阻止了蛋白-DNA复合物形成导致的DNA双链断裂以及CpG岛的甲基化，从而在DNA修复机制中发挥关键作用[8]。

2.2 维持dTTP和dUTP稳态

DCTPP1还参与了其他嘧啶核苷酸的稳态。细胞中缺失DCTPP1可引起dTTP的合成减少以及dUTP的增加，使得三磷酸脱氧尿嘧啶/三磷酸脱氧胸腺嘧啶(dUTP/dTTP)比值增大[9]。一方面，高度增殖的细胞具有强的核苷酸从头合成能力。而DCTPP1对dTTP的从头合成至关重要，尤其在缺乏dCTP或dTTP的情况下。DCTPP1水解dCTP生成dCMP，而后被dCMP脱氨酶(deoxycytidine monophosphate deaminase, dCMP deaminase)脱氨生成脱氧尿苷单磷酸(dUMP)，在胸苷酸合成酶(TS)的作用下转化为脱氧胸苷单磷酸(dTMP)，经胸腺核苷酸激酶(thymidylate kinase,TMPK)和核苷二磷酸激酶(nucleotide diphosphate kinase, NDK)磷酸化，最终合成dTTP。缺乏DCTPP1时，细胞高度依赖于dTTP的挽救合成[5]。另一方面，缺失DCTPP1可导致细胞易于积累尿嘧啶(dUTP)，DCTPP1可消除过量的dUTP防止尿嘧啶掺入DNA代替胸腺嘧啶。大多数DNA聚合酶无法区分胸腺嘧啶和尿嘧啶，dUTP和dTTP的相对水平成为dUTP是否掺入DNA的主要影响因素。当尿嘧啶掺入DNA链后，细胞通过简单的修复途径来切除错误掺入的尿嘧啶。尿嘧啶-DNA糖基化酶可识别并去除尿嘧啶，保留无碱基位点， dAMP和dCMP可优先掺入这些无碱基位点，因此尿嘧啶的消除具有潜在的诱变作用。此外，在维持高dUTP/dTTP比的细胞中，修复过程中依旧会掺入dUTP，这将产生无用的切割和合成循环，最终由于发夹塌陷而导致 DNA链断裂。这种因尿嘧啶(dUTP)积累引起的DNA双链断裂表现为以持久性γ链断裂为特征的广泛性基因组损伤[9]。因此，DCTPP1在维持细胞dNTP池的平衡及保持基因组稳定性过程中具有重要的调控作用。

3 DCTPP1与肿瘤

3.1 DCTPP1与肿瘤细胞恶性表型

DCTPP1在乳腺癌[6]、胃癌[8]、前列腺癌[10-11]、B细胞急性淋巴细胞白血病[12]和神经母细胞瘤[13]等多种肿瘤中高表达。与配对的癌旁组织相比，DCTPP1在癌细胞的核蓄积现象尤为明显，且与组织学分型相关：与胃管状腺癌/鳞癌、食管鳞癌/小细胞癌、非小细胞肺癌/肺鳞癌相比，胃癌印戒细胞癌/未分化癌、食管腺癌、小细胞肺癌细胞核中DCTPP1富集度更高[14]。DCTPP1表达水平升高与各种癌的不良预后相关。乳腺癌、前列腺中DCTPP1的上调与癌的复发率低、总生存期呈负相关，且与更高的肿瘤分期和分级相关[10]。胃癌中DCTPP1的高表达与浸润深度，淋巴结转移及癌进程显著相关[8]。

DCTPP1表达水平下调，尤其是缺乏dCTP或dTTP的情况下会可阻滞癌细胞增殖。一方面，高度增殖的肿瘤细胞需要招募大量的DNA合成前体，此过程离不开DCTPP1对dNTP池稳态的调节；另一方面，DCTPP1是经典Wnt信号通路的正向调节剂，激活的DCTPP1可阻滞Wnt信号通路中β-catenin的磷酸化和降解，从而稳定地将后者转移到细胞核内，激活Wnt信号靶基因，促进癌细胞增殖[15]。此外，DCTPP1的过表达使癌细胞获得较高的迁移与侵袭、抗凋亡和降解细胞外基质的能力[16]。此外，DCTPP1敲低的肿瘤细胞中，细胞周期发生G1-S期阻滞，DNA的合成受阻[9]，在多种癌干细胞中DCTPP1表达上调，提示DCTPP1可能参与细胞周期调控，是肿瘤干细胞的潜在标志物。

3.2 DCTPP1与肿瘤治疗

细胞毒性核苷酸类似物是临床上重要的抗癌药物，其作用机制之一是通过与八种基本核苷酸竞争胞内靶点，从而诱导肿瘤细胞毒性[17]。然而，此类药物由于强的副作用和原发性/获得性耐药，在临床应用中具有明显缺陷。因此，开发强靶向性抗核苷代谢药物势在必行。另外，将靶向性强的核苷酸代谢的酶作为靶标，并联合经典的化疗方案，可能产生协同抗癌效应，这将为肿瘤治疗策略的制定提供新思路[16]。

DCTPP1作为调节dCTP的核心代谢酶受到了越来越多研究者的关注，目前已发现DCTPP1参与多种肿瘤的耐药。胞苷类似物地西他滨是DNA脱甲基和遗传毒性药物，DCTPP1通过从核苷酸池中清除5-氮杂-dCTP来抵消抗地西他滨的细胞毒性作用[18]。一方面，DCTPP1可以水解地西他滨的活化形式并且调节地西他滨诱导的DNA低甲基化；另一方面，DCTPP1缺陷细胞在其核苷酸池和基因组DNA中均表现出dUTP积累，最终导致dUTP在细胞库中的遗传毒性积累[9,19]。这也许意味着地西他滨与DCTPP1抑制剂的联合使用可以预防肿瘤细胞耐药。DCTPP1可降低人胃癌细胞对5-氟尿嘧啶(5-Fu)的敏感性[20]，其通过耐药基因MDR 1的高表达和药物转运蛋白P-gp的上调来阻止细胞将5-Fu转运至胞外，增加5-Fu的胞内蓄积，提高胃癌细胞对5-Fu的敏感性。同样，缺乏DCTPP1的肿瘤细胞对-5-氟-2-脱氧尿苷(5-F-2-dUrd)的敏感性较高，且在dUTP/dTTP比率高的细胞中尤为敏感。提示DCTPP1在肿瘤细胞中的过度表达可能是一种新的耐药机制，开发DCTPP1抑制剂有望提高核苷酸类似物的药效。

已经陆续发现了特异性抑制DCTPP1的活性分子，这些化学抑制剂可增强嘧啶核苷酸类似物的细胞毒性作用。天然产物雷公藤内酯是首个发现的DCTPP1抑制剂，可以直接与DCTPP1结合[21]。哌嗪-1-基吡啶嗪类化合物对DCTPP1表现出优越的的亲和能力，吡啶酮和嘧啶酮衍生物、3,6-二取代三氮唑、吡咯香豆素、苯并咪唑衍生物等也显示出了对DCTPP1良好的抑制性能[22]。对于DCTPP1抑制剂的细胞毒性及其与DNA合成途径中的其他因子的作用有待进一步研究。

4 问题与展望

细胞DNA的活跃复制是维持肿瘤异常增殖的基础，DNA合成相关靶向治疗也因此被视为最有前途的抗癌策略。但目前临床批准使用的药物由于毒副作用强、靶点特异性差，使针对DNA合成的抑制剂在肿瘤临床治疗中的效果令人不满。肿瘤细胞高强度DNA复制压力可异常激活染色体脆性位点(common fragile sites, CFSs)，使DNA复制不仅发生于G0/G1期，还可在M期进行，以维持基因组稳定性及质量，这是肿瘤细胞DNA复制的独有特征及缺陷。若能找到协调DNA复制压力的关键靶点，可彻底削弱肿瘤细胞DNA稳定性，继而从根本上抑制增殖。基于特异性靶向肿瘤细胞DNA合成的动态新疗法可能最有希望改善癌症治疗结局，对应的细胞周期特异性多靶点抑制剂的研发为肿瘤的临床治疗重建了希望。值得注意的是，DCTPP1对肿瘤细胞耐药的促进作用以及DCTPP1抑制剂对嘧啶类核苷酸类似物的增敏效应，有望使其成为肿瘤分子靶向治疗的新靶点。