腺苷酸激酶4在惡性腫瘤中的研究進展*

牛良晨 綜述 李力 審校

腺苷酸激酶（adenylate kinase，AK）是一種廣泛存在的催化核苷酸磷酸化交換反應的酶。迄今為止，已在脊椎動物中鑒定出8 種AK 家族同工酶（AK1～AK8）［1］，它是一個單體磷酸轉移酶，催化可逆磷?；D移反應，調節細胞內ATP 濃度。AK 的表達形成一個完整的信號網絡，連接能量的需求/供應和代謝過程。AK通過將末端磷酸基團從ATP轉移到腺嘌呤核糖核苷酸（adenosine monophosphate，AMP），形成兩個腺嘌呤核苷二磷酸（adenosine diphosphate，ADP）分子，參與核酸合成和細胞能量代謝［2］。AK 大量存在于高能源需求的細胞質中，病理情況下可溶性AK的活性高度特異性上調［3］。AK 亞型（AK1、AK2、AK4、AK6）在調控腫瘤細胞代謝、代謝信號以及細胞遷移和侵襲等方面發揮重要作用。在腫瘤初始階段，多種因素抑制AK磷酸化轉移和AMP生成，進而通過腺苷酸-活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）信號傳導，AK→AMP→AMPK 通路信號的下調可導致細胞周期、生長和增殖失去控制［4］。AK4在缺氧耐受、抗腫瘤藥物耐藥、調節線粒體活性等方面也發揮重要作用［5-6］，并被用作抗癌治療的潛在靶點。例如，AK4表達水平可以通過調節線粒體活性來影響抗癌藥物的敏感性［7］。盡管對基本功能進行了廣泛的研究，但其與腫瘤之間的AK4 關系尚未得到進一步的探索。疾病的發生發展都伴隨著能量代謝的改變，因此，對AK4的研究可以有助于了解疾病的病理機制，同時為臨床治療提供新方法、新思路，尤其是對惡性腫瘤的治療有重要意義。

1 AK4的基本功能和作用機制

人類AK4 基因于1992年被鑒定［8］，是腺苷酸激酶家族的第四種酶，目前認為其主要在心、腎、肝等富含線粒體的組織中表達［9］。Noma等［10］通過電泳分析測得AK4 的分子量為29 kDa，并測得多個AK4 轉錄本，其最長的轉錄本大小約為8.0 kb，在腎臟和心臟中表達最高，在肝臟中中度表達，在大腦中弱表達，而在胎盤和肺中，AK4 mRNA 幾乎檢測不到。進一步的亞線粒體分餾表明AK4 位于線粒體基質中，這是線粒體靶向信號的特征［10-11］。AK4 被認為是特異性地作用于能量代謝，而不是控制體內腺嘌呤核苷酸的平衡［12］。在Khatri等［13］的研究中，已知AK4參與了代謝的調控，并且AK4 的表達明顯與轉錄調控和代謝過程有關。據報道，缺氧條件下培養胚胎腎細胞，應激反應蛋白AK4 的水平有所增加［14］，提示AK4 可能在細胞缺氧耐受中發揮作用。Synnergren等［15］研究發現AK4重疊表達于表皮衍生細胞和心臟祖細胞中，在低氧暴露24小時后，AK4在該兩種細胞中被上調，進一步證實AK4 在細胞的缺氧耐受中發揮作用。但實驗均為體外細胞模型，其結果說服力有限。而在HEK293 細胞中針對AK4 的RNA 干擾（RNA interference，RNAi）可抑制增殖，促進凋亡；該研究同時表明，在缺氧條件下HepG2 細胞的AK4 水平降低，細胞增殖明顯減少，細胞凋亡增加。因此，AK4 水平的降低與細胞凋亡相關［16］。該結果可推測不同的AK4 水平反映了不同的基礎壓力水平，從而導致細胞對額外壓力的不同反應。國內有研究表明，AK4在張氏肝細胞中高表達，而沉默AK4后細胞增殖速度顯著降低，細胞周期阻滯在S期，G2期細胞明顯減少［17］，可推測促進細胞增殖是AK4 的基本功能之一。AK4被確定為線粒體RNAi篩查中細胞ATP水平的關鍵調節器，敲除AK4 使ATP 水平提高25%以上同時降低ATP/ADP 比值；AK4 可能通過感知線粒體ATP/ADP比值和調節腺苷酸轉位酶（adenine nucleotide translocase，ANT）的轉運活性來維持線粒體腺嘌呤核苷酸池；AK4 敲除可以誘導AMPK 的產生，表明AK4 的正常功能會影響細胞中AMPK 的激活［6］?？傊?，上述研究表明AK4調節細胞能量電荷和AMPK的激活，是細胞內穩態的重要調節因子。

有報道稱AK4與線粒體基質上的ADP/ATP轉位子和電壓依賴性陰離子通道（voltage-dependent anion channel，VDAC）相互作用，從而調節線粒體膜通透性和線粒體基質與細胞間ADP/ATP 交換［14］。AK4可能通過與ANT/VDAC 復合物相互作用，調節電子傳遞鏈（electron transport chain，ETC）產生的活性氧外排，從而提高細胞內活性氧水平，促進有氧糖酵解，減少體內細胞缺氧壞死［18］。研究表明，表皮生長因子受體（epidermal growth factor receptor，EGFR）蛋白的含量隨著AK4 表達的減少而減少，降低了細胞對EGFR 抑制劑的敏感性［19］。該研究先利用生物信息學系統對AK4 基因特征進行分析再以實驗驗證，使結果更有說服力?？偠灾?，AK4不但在細胞基本生理功能中發揮作用，在細胞病理過程中也扮演重要角色。

AK4在大腦中的高表達，提示其與大腦功能密切相關。有研究利用靶向蛋白質組學定量分析率先發現，AK4 與認知功能下降有關，且其作用無法用阿爾茲海默癥病理或其他病理學解釋［20］。其隨后的研究證明，AK4 的豐度越高，認知衰退更快，但AK4 蛋白與老年人運動功能無關［21-22］，該研究利用了大量臨床標本，使結果更加可信，但并未進一步證明AK4與認知功能之間的關系。其他方面，Wang 等［23］發現AK4亦是機械敏感基因，骨細胞中AK4 的表達對重力和高磁場的改變非常敏感。因此，對AK4 基因的研究將有助于了解骨量丟失的機制，為預防和治療骨量丟失或骨質疏松癥提供潛在的靶點。Tang等［24］研究發現在系統性紅斑狼瘡-誘導多能干細胞中，AK4蛋白和其mRNA 被上調，合成代謝普遍加速，這可能導致系統性紅斑狼瘡；Edhager 等［25］發現AK4 蛋白參與的能量重編程、細胞存活和增殖等，與短鏈?；o酶A脫氫酶缺乏癥和相關代謝紊亂有關?？傊?，雖然對AK4 有了初步認識，但其相關研究較少，具體作用機制仍不清楚，有待開展更多更深層次的研究。

2 AK4對惡性腫瘤發生發展的影響

腫瘤的發生都伴隨著代謝的改變，而AK4 作為能量代謝酶，在腫瘤發生發展中的作用不言而喻。研究表明，腺苷酸激酶家族蛋白在侵襲性轉化過程中異常上調［5，26］。之后有研究通過比較基因表達譜，發現AK4 在高侵襲性腫瘤中有明顯的過表達［27］，因此可以認為AK4 促進了腫瘤細胞代謝，該研究為AK4 在腫瘤領域的研究奠定了基礎。AK4 是參與多種腫瘤發生發展的關鍵酶，并被用作抗癌治療的潛在治療靶點［28］。AK4 提高細胞內活性氧水平可促進體內腫瘤細胞的轉移，且可以施加反饋調節缺氧誘導因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α），而AK4-HIF-1α 正反饋環操作取決于細胞內活性氧水平，該反饋環會穩定HIF-1α蛋白質和誘導上皮間充質轉變（epithelial-to-mesenchymal transition，EMT）；在缺氧條件下AK4 增加HIF-1α 蛋白表達和誘發EMT［18］。因此推測AK4可能通過兩種形式促進癌癥發展：一是通過增加HIF-1α表達來增加腫瘤細胞的缺氧耐受能力，二是通過增加胞內活性氧水平和糖代謝促進腫瘤細胞轉移。過表達的AK4不僅能保護腫瘤免于缺氧壞死，還能增強腫瘤的轉移能力，這與只有具有增強的抗氧化防御系統的腫瘤細胞才能利用氧化應激促進轉移的觀點一致。AK4 的過表達可能同時引發對細胞內氧化應激和抗氧化能力增加的代謝適應，進而促進HIF-1α 介導的EMT 和轉移［18］。該研究利用數據庫結合體內外實驗，較全面地分析了AK4促進癌癥進展的機制。小核仁RNA宿主基因11（small nucleolar RNA host gene 11，SNHG11）和HIF-1α 作用機制相似，SNHG11 可以與AK4 基因啟動子中的HRE位點結合，增加其轉錄，從而增加AK4表達，促進結直腸癌的侵襲和轉移［29］。Jan 等［27］的研究發現，AK4表達的缺失抑制了肺癌細胞系的侵襲潛能，而AK4過表達促進了肺癌細胞系的體內外侵襲；AK4 通過下調激活轉錄因子3（activating transcription factor 3，ATF3）的方式促進肺癌腫瘤生長、轉移及復發；此外，當AK4 在肺癌細胞中過表達時，涉及到侵襲和轉移過程的靶標基質金屬蛋白酶2（matrix metalloproteinase-2，MMP2）表達上調，提示腫瘤侵襲性增加，但對細胞的生長和增殖尚無顯著影響，因此AK4可以作為預測腫瘤轉移能力的生物標志物，可能有助于開發針對高侵襲性腫瘤的更好治療方案。綜上所述，AK4 在多數腫瘤中過表達，通過促進細胞代謝而促進腫瘤發展，且其過表達總是預示著較差的結果，因此對AK4的研究有重要的臨床意義，將有助于腫瘤早期診斷和預后評判。

3 AK4對腫瘤診斷、治療和預后的影響

隨著不斷發現AK4 在腫瘤發生發展中的作用，其在腫瘤領域的診斷、治療等方面的價值亦逐漸受到人們重視。有關肺癌的研究表明，過表達AK4 與肺腺癌預后不良有關；通過將肺腺癌細胞系中AK4 mRNA的表達狀態與藥物敏感性數據相關聯，該研究提出高水平AK4 的肺癌細胞可能對EGFR 靶向治療敏感［19］，提示AK4或可作為抗癌治療的增敏靶點，不足之處是該推測暫無相關試驗證實。Jan等［18］的研究分析發現，AK4 可以作為一個關鍵因素決定HIF-1α在預測肺癌患者預后中的作用，與單獨用HIF-1α相比，結合AK4和HIF-1α表達預測非小細胞肺癌患者預后更不理想。該研究提出，用withaferin-A 逆轉AK4基因信號可能成為治療轉移性肺癌的新策略，為轉移性肺癌的治療提供了理論依據。有報道指出，AK4 在肺癌細胞中的表達顯著升高，敲低AK4 可使肺腫瘤細胞遷移能力明顯降低，同時順鉑抑制肺癌細胞增殖和促進凋亡的作用進一步增強，即耗竭AK4可抑制肺癌進展并提高肺癌細胞對順鉑的敏感性［30］，為肺癌患者順鉑耐藥的后續治療帶來一線希望。在對胰腺導管癌的研究中，李辰運等［31］對臨床病例及標本進行分析發現，AK4的異常表達與腫瘤分期、淋巴結轉移、神經受侵、脈管內瘤栓相關，AK4的過表達提示胰腺癌患者分期較晚和預后不良。利用同樣的方法，龐亮等［32］對肌層浸潤性膀胱癌的研究發現，在不同性別、年齡、腫瘤分期和分級、淋巴結轉移和復發的患者中AK4 表達無明顯差異，AK4 僅表達于膀胱癌組織，而在癌旁組織中無表達，且AK4的表達率隨腫瘤進展而增高。該研究為AK4判斷膀胱癌患者預后提供了臨床依據，而AK4在膀胱癌診斷、治療中的作用仍未見報道，值得進一步研究。Xin等［33］發現AK4的表達與膀胱癌患者預后不良呈正相關，其研究結果表明AK4 可以促進細胞增殖，抑制AK4 可以降低膀胱癌的細胞活力；動物模型發現，小鼠膀胱癌細胞T24和5637中下調AK4可抑制腫瘤的形成和轉移，也抑制腫瘤的增殖和侵襲；AK4 消融術在體內抑制膀胱癌的增殖和轉移。該研究為AK4治療膀胱癌提供了分子生物學的理論基礎。因此，AK4可能是膀胱癌預后的潛在生物標志物，也是膀胱癌新的治療靶點。

據報道，AK4 在HER-2 過表達型乳腺癌中呈現異常高表達，且其異常過表達提示HER-2 過表達型乳腺癌患者的TNM 高分期和淋巴結轉移，提示預后不良［34］。Zhang等［35］的臨床病理研究亦支持此觀點，并進一步指出AK4表達與患者的年齡和腫瘤分級等特征無明顯相關，體外實驗表明，AK4可促進HER-2陽性乳腺癌細胞的增殖和侵襲，而AK4 消融可抑制HER-2 陽性乳腺癌細胞的增殖和侵襲。有研究表明，AK4 過度表達可增加活性氧和p38 磷酸化水平，并抑制線粒體凋亡，從而導致乳腺癌他莫昔芬耐藥；而抑制AK4 表達，可使乳腺癌細胞對他莫昔芬重新敏感［36］。以上研究表明AK4在乳腺癌的發展和耐藥中發揮重要作用，為乳腺癌的治療提供了潛在靶點，因此，更進一步的臨床研究十分必要。通過生物信息學分析，Wang 等［37］首次提出AK4 是子宮內膜癌的獨立預后標志物，其表達與較差生存顯著相關，為預測子宮內膜癌患者的生存提供了理論依據，但該分析并未加以實驗驗證。Lanning等［6］發現AK4表達和拷貝數與膠質瘤患者生存期呈負相關，推測AK4 是用于預測膠質瘤患者預后的潛在靶點。因此，認為AK4可以用來預測癌癥患者的預后，AK4過表達提示預后較差，總生存期較短。Zang 等［38］發現AK4 基因是miR-199a-3p的靶基因，miR-199a-3p負調控AK4的表達，而AK4 的表達水平與食管癌的放療耐藥呈正相關，該研究為解決食管癌放療耐藥提供了理論依據，因此，AK4 的臨床研究將會有重要的臨床應用價值。Lei等［39］證明了AK4的表達水平與骨肉瘤細胞系的多藥耐藥有關，并推測可能受miR-199a-3p的調控，該研究進一步證明AK4 表達與骨肉瘤細胞耐藥呈正相關。但是Chen等［40］在口腔癌放療抵抗的研究結果卻相反，AK4雖然促進口腔癌細胞增殖、遷移、侵襲，抑制細胞凋亡和細胞周期停滯，但卻增強了口腔癌細胞的放射敏感性。因此，AK4雖然可以促進腫瘤發展，但在不同腫瘤耐藥中的作用不能一概而論。綜上所述，可以推測AK4 可通過調控腫瘤細胞的增殖和侵襲而觸發腫瘤的進展，這可能是過表達的AK4促進腫瘤細胞生長代謝的結果。因此，AK4可以作為降低腫瘤細胞代謝的靶點，從而干預腫瘤發展，增加腫瘤細胞對藥物的敏感性，為腫瘤系統治療帶來希望。

4 小結與展望

綜上所述，AK4主要通過其表達量變化參與細胞生理和病理代謝過程。在正常細胞中，AK4可以通過調節胞內ATP、活性氧等物質的濃度來調節細胞增殖和細胞內穩態；在腫瘤細胞中，AK4通過增加細胞代謝適應、增強細胞糖代謝而避免腫瘤細胞凋亡和促進其增殖。AK4在惡性腫瘤中多為過表達，雖然其表達與多數腫瘤的分期無明確關系，但是AK4 過表達可以促進腫瘤的增殖、侵襲和遷移，改變腫瘤對治療的敏感性，且過表達多提示預后不良和生存期較短。目前的研究已表明，AK4可作為判斷惡性腫瘤預后的指標；在腫瘤治療方面，干預AK4可抑制腫瘤的增殖和侵襲，增加腫瘤細胞對藥物的敏感性。AK4的研究提供了治腫瘤療的潛在靶點，其臨床價值值得更深入的研究。