SEL1L分子及內質網相關降解途徑在腫瘤進展中的作用

劉玉侖 王永強 楊 潔 夏 圣 陳 華

SEL1L分子是SEL1L (suppressor/enhancer of lin-12-like)基因定位于人染色體14q24.3～31,在1997年從人基因組中分離,其序列與秀麗隱桿線蟲SEL1基因序列相似,在進化過程中高度保守,可能是細胞生命進程的重要決定因子[1]。它在基因組上由21個具有編碼假定蛋白質亞型的多個替代轉錄本的外顯子組成。這種結構的復雜性確保了該蛋白的靈活性和特異性。在蛋白質結構上,該蛋白由多個功能域所組成,主要包括:信號肽功能域、Pest功能域、Ⅱ型纖維連接蛋白功能域、SEL1樣重復功能域(SLR基序)、Hrd3樣motif、跨膜區和胞內富脯氨酸區[2]。研究表明,SEL1L分子參與了多種細胞過程,包括各種類型腫瘤的發生、干細胞分化以及霍亂毒素向胞質的反轉錄易位[3]。SEL1L分子還作為 E3泛素連接酶HRD1 的內質網駐留跨膜銜接蛋白,參與內質網中蛋白質的質量控制[4]。

內質網(endoplasmic reticulum, ER)是在細胞質內由生物膜組成的連續封閉的網狀管道系統,其主要功能是折疊、修飾、運輸、降解蛋白質[5]。內質網相關降解(endoplasmic reticulum -associated degradation,ERAD)是細胞中一種保守的質量控制機制,負責將錯誤折疊的蛋白質逆轉位到細胞質中,以進行蛋白酶體降解,其作用過程涉及多個步驟,包括靶蛋白識別、提取、多泛素化和降解等[6]。在ERAD的簡化模型中,分子伴侶和凝集素可以識別未折疊或錯誤折疊的新生多肽底物;隨后,未折疊蛋白與這些伴侶分子結合并進一步傳遞到ERAD配體;最后,多泛素化底物通過逆轉位通道進入細胞質,并被26S蛋白酶體降解[7]。其中,ER膜上接頭蛋白SEL1L與 E3泛素連接酶 HRD1組成的蛋白復合物是ERAD中最保守的成員,參與對上述蛋白的轉運和降解[4]。在腫瘤微環境中,ERAD不僅調控腫瘤細胞的生物學行為,也參與對免疫細胞的調節。本文現就SEL1L分子及其參與的內質網相關降解途徑在腫瘤進展與免疫調節中的作用簡要綜述。

一、SEL1L分子與腫瘤進展

目前,對于SEL1L分子的研究大多集中在腫瘤領域。研究表明,SEL1L分子的表達水平在不同種類腫瘤中并不相同,其在胰腺癌、乳腺癌中表達下調,而在胃癌、非小細胞肺癌、宮頸癌、彌漫大B細胞淋巴瘤中表達上調。在大多數新生腫瘤中,SEL1L基因通常表達正常,但在胰腺癌中,其轉錄被下調或完全抑制;對74例原發性胰腺腺癌組織進行免疫組化染色發現,有36%的腫瘤樣本SEL1L蛋白表達缺失。并且,體內外研究證實,上調SEL1L表達可以抑制胰腺癌細胞的生長和侵襲[8]。在乳腺癌研究中也有類似的發現。如對117例浸潤性乳腺癌樣本的檢測發現,約有30%病例SEL1L表達缺失,同時其表達降低與臨床患者的不良預后顯著相關;另在細胞水平的研究發現,SEL1L可以抑制MCF-7乳腺癌細胞的增殖和侵襲能力[9]。

而對96例胃癌組織免疫組化染色結果顯示,胃癌組織中SEL1L的陽性表達率為84.4%(81/96);并且分化越差,陽性率越高,提示SEL1L可能與胃癌的發生、發展密切相關[10]。在Ferrero等[11]研究報道中,76例非小細胞肺癌中63例(83%)有SEL1L蛋白表達,其亞細胞定位與腫瘤組織類型相關,即細胞質免疫反應性與鱗狀細胞癌相關,核免疫反應性與腺癌相關。對205例不同級別子宮頸上皮內瘤變、宮頸癌及正常宮頸組織SEL1L蛋白表達分析數據表明,SEL1L在CIN/腫瘤中的表達明顯升高,并且隨瘤變級別增加上調其表達,可能有助參與宮頸癌的診斷[12]。在123例彌漫大B細胞淋巴瘤(diffuse large B cell lymphoma, DLBCL)組織中SEL1L的高表達率為69.9%,明顯高于反應性淋巴組織增生,提示SEL1L可能在DLBCL發生、發展過程中起重要作用[1]。

對于35例食管鱗狀細胞癌患者的研究數據顯示,SEL1L蛋白在正常黏膜樣本中不表達,在輕度不典型增生中表達較弱,在重度不典型增生中較強,說明食管鱗狀細胞癌中的 SEL1L 可能在腫瘤形成的早期階段發揮作用[13]。類似的,在結直腸腫瘤中,SEL1L分子的表達與從腺瘤到癌的進展過程中存在顯著相關性,尤其在中-高分化腺癌高表達,而在未分化癌中表達水平明顯降低,表明其具有促進瘤癌轉化的潛能[14]。

在神經膠質瘤中,SEL1L 蛋白表達水平反映了腫瘤的增殖率、惡性程度和內質網應激狀態[15]。另一項針對110個不同分子亞型和分級的成人膠質瘤的研究發現,SEL1L在惡性程度較高的間變性膠質瘤和膠質母細胞瘤中過度表達,并且其過表達程度與TERT啟動子突變、EGFR基因擴增、10q LOH顯著相關,與IDH1/2突變相互排斥,提示SEL1L可作為TERT 突變體/EGFR 擴增/IDH-WT這些最常見膠質母細胞瘤亞組的潛在生物學標志物[4]。

目前的研究提示,依據腫瘤類型不同,SEL1L分子發揮的功能不同,其在胰腺癌、乳腺癌中發揮抑癌作用;而在消化道腫瘤、宮頸癌、神經膠質瘤中,SEL1L分子可以作為腫瘤組織分化進展、特定惡性亞組的潛在生物學標志物。同時,作為ERAD的基本組成部分,SEL1L分子調控腫瘤進展的機制可能與內質網應激及相關通路激活相關。

二、ERAD與腫瘤細胞

內質網相關降解(endoplasmic reticulum -associated degradation,ERAD)是內質網的蛋白質質量控制機制,其通過泛素蛋白酶體系統清除胞內的錯誤折疊或未折疊蛋白[6]。在某些病理生理條件下,ER 穩態遭到破壞,胞內產生的大量超出ERAD清除能力的非正常折疊蛋白質可使細胞處于“內質網應激”(ER stress)狀態,進而激活未折疊蛋白反應(unfolded protein response, UPR),以緩解胞內應激壓力,直至恢復ER穩態,在哺乳動物細胞中,UPR主要通過內質網膜上的3種跨膜傳感器:IRE1α、PERK及激活轉錄因子6(activating transcription factor 6,ATF6)發揮作用[16]。

腫瘤微環境(tumor microenvironment, TME)中因腫瘤細胞轉錄、代謝、增殖異常產生的缺氧、ATP 合成障礙、營養缺乏等不利因素會導致腫瘤細胞內發生持續的內質網應激,激活 UPR 反應。持續的 ER 應激通常會激活細胞凋亡信號通路,導致細胞死亡。而腫瘤細胞會發生遺傳學及表觀遺傳學改變,以適應其所面臨的不利環境。諸多研究表明,ERAD 參與的 ER應激可調控腫瘤細胞多種生物學行為。例如,在黑色素瘤中,MEK/ERK信號通路介導的蛋白質合成增加激活ER應激的同時,也增強細胞的增殖能力、抑制其凋亡,形成對慢性ER應激的適應增強,從而促進黑色素瘤的進展[17]。

研究表明,IRE1α-XBP1信號通路激活還可以誘導乳腺癌細胞中EMT相關轉錄因子Snail基因的轉錄,促進乳腺癌細胞發生EMT,使其遷移及侵襲能力增強[18]。在內質網應激誘導的UPR通路中,IRE1α通過直接結合細絲蛋白 A來控制肌動蛋白細胞骨架動力學并促進腫瘤細胞黏附,進而促進腫瘤細胞駐留[19]

內質網應激中IRE1α及PERK可以激活STAT3及核因子(neuclear factor,NF)-κB信號通路,促進抗凋亡基因如 Bcl-2家族基因(如Bcl-2、Bcl-XL等)、caspase-8抑制基因(如c-FLIP、MCL-1)及凋亡抑制蛋白(inhibitor of apoptosis proteins,IAP)等的表達激利于腫瘤細胞獲得更強的生存能力[20]。

內質網應激信號分子XBP1s、ATF4及ATF6f還可以通過直接結合到VEGF等促血管新生基因啟動子上,上調其轉錄水平,促進腫瘤血管新生[21]。此外,UPR信號通路還參與調解腫瘤休眠及蘇醒過程[22]。上述研究表明,ERAD 參與的 ER應激及后續激活的UPR信號通路參與調控腫瘤細胞的增殖、侵襲、轉移等諸多行為,對腫瘤進展發揮重要作用。

三、ERAD與腫瘤免疫

腫瘤微環境中有大量免疫細胞的浸潤,腫瘤的發生、發展是腫瘤細胞與免疫細胞在此條件下相互斗爭的結果。細胞免疫和體液免疫功能依賴免疫細胞的活化、增殖和再分化,這需要免疫細胞如樹突狀細胞(dendritic cells,DC)、巨噬細胞、髓源性抑制細胞(myeloid-derived suppressor cells,MDSCs)、B細胞、T細胞和自然殺傷(natural killer cell,NK)細胞大量合成各種免疫效應分子,包括各種膜免疫分子、分泌的細胞因子和抗體,這些胞內新合成蛋白質同樣需要 ER 內的 ERAD 對其進行質量控制。文獻表明,SEL1L-HRD1組成的ERAD復合體調控參與抗原遞呈細胞的MHC Ⅰ分子在內質網內的合成與折疊,也可通過Bip依賴的蛋白酶體降解途徑參與對前 B 細胞受體(pre-B cell receptor, pre-BCR)蛋白的調節,參與調控B細胞發育[23]。

因此,腫瘤微環境多種因素激活的 ER 應激一方面可以調控腫瘤細胞的生長,也會對腫瘤內浸潤免疫細胞功能產生影響,影響免疫細胞的抗腫瘤功能。

1.調節免疫細胞功能:目前的研究表明,腫瘤微環境中ER應激及激活的UPR信號通路可以調控免疫細胞功能。例如,ATF4/CHOP 通路激活上調TNF相關的凋亡誘導配體受體(TNF-related apoptosis-inducing ligand receptor,TRAILR)的表達,促進腫瘤浸潤骨髓源性抑制細胞(myeloid-derived suppressor cells,MDSCs)凋亡,調節腫瘤免疫應答[24]。腫瘤微環境中由 IRE1α-XBP1 信號驅動的 ER 應激反應可以誘導凝集素型氧化低密度脂蛋白受體1 (lectin-like low density lipoprotein receptor-1,LOX-1)的表達,從而調節MDSCs活性、抑制腫瘤免疫、促進腫瘤細胞生長。在腫瘤相關MDSCs中,活性氧(reactive oxygen species,ROS)和過氧亞硝酸鹽(peroxynitrite,PNT)可誘導CHOP通路使MDSCs聚集并促進多種癌癥小鼠模型中T細胞功能的抑制[25]。PERK激活可以增強腫瘤相關MDSCs的活性,使得T 細胞功能障礙;而MDSCs中PERK缺失則促進干擾素的產生,誘導抗腫瘤免疫反應[26]。

在卵巢癌模型中,IRE1α-XBP1持續激活導致腫瘤相關樹突狀細胞(tumor associated dendritic cells,tDCs)功能障礙,從而抑制 tDCs 支持的 T 細胞抗腫瘤免疫應答,導致卵巢癌進展[27]。在黑色素瘤中,環境傳感蛋白(general control nonderepressible 2,GCN2)調控腫瘤浸潤巨噬細胞的極化和MDSCs的功能,并且驅動ATF4在MDSC細胞中誘導的免疫抑制活性。同時,抑制PERK/CHOP也可驅動腫瘤浸潤性骨髓間充質干細胞減弱免疫抑制功能。在黑色素瘤小鼠模型中,IRE1α-XBP1 信號能維持 NK 細胞增殖能力,與野生型比較,將 B16F10黑色素瘤細胞靜脈注射到缺乏 IRE1α-XBP1 的NK 細胞條件性敲除小鼠中,會導致腫瘤內 NK 細胞浸潤減少、肺結節增加和宿主存活率降低;IRE1α-XBP1的激活也會促進免疫調節劑PDL1和精氨酸酶-1的表達,調節巨噬細胞抗腫瘤免疫功能[28]?？梢?ER應激及相關通路可以調節腫瘤微環境中不同類型免疫細胞的功能,從而影響抗腫瘤免疫效應。

2.調節免疫細胞代謝:在由腫瘤細胞的高代謝活性導致的營養物質缺乏和低氧的微環境中,腫瘤細胞與浸潤的免疫細胞之間存在代謝競爭。研究表明,ER應激及相關通路也參與了對免疫細胞代謝途徑的調節。IRE1α-XBP1信號通路激活可以誘導tDCs 中轉錄驅動的甘油三酯生物合成和脂滴形成途徑,引起脂質積累,降低tDCs的抗原遞呈能力,抑制腫瘤免疫反應[20]。在卵巢癌中,IRE1α-XBP1信號通路的激活限制了谷氨酰胺的豐度,使卵巢癌腹腔積液浸潤T細胞的線粒體呼吸受抑制,從而抑制其線粒體活性,抗腫瘤效應減弱[29]。腫瘤組織中膽固醇的積累通過內質網應激導致浸潤CD8+T細胞XBP1激活,調控PD-1和2B4的轉錄,抑制其抗腫瘤活性,同時破壞其脂質代謝,增加T細胞耗竭,進一步減弱抗腫瘤功能[30]。在小鼠癌癥模型中,CHOP可抑制腫瘤內CD8+T細胞中干擾素γ的產生,并且對CD8+T細胞的糖酵解和線粒體呼吸產生負調控,卵巢癌患者腫瘤浸潤的CD8+T細胞中在內質網應激相關的激酶PERK誘導下CHOP表達增加,使其抗腫瘤免疫能力受到抑制[31]。腫瘤微環境具有調節免疫細胞代謝的特點,其中,ER應激相關通路可以通過破壞免疫細胞代謝途徑,抑制免疫細胞抗腫瘤作用。

四、展 望

ERAD是負責轉運細胞中錯誤折疊蛋白的質量控制機制,SEL1L分子作為ERAD的重要組成部分,和包括腫瘤在內的多種疾病有著密切聯系。內質網應激引起的UPR作為調節細胞適應不利微環境的最為重要的信號通路之一,在腫瘤細胞生長、分化和維持蛋白質穩態等過程中發揮著至關重要的作用;細胞免疫和體液免疫功能依賴免疫細胞的活化、增殖和再分化,該過程同樣需要ERAD進行質量控制。腫瘤微環境中多種因素激活的 ER 應激及 ERAD 一方面可以調控腫瘤細胞的生長,另一方面也會對腫瘤浸潤免疫細胞功能產生影響,影響免疫細胞的抗腫瘤功能。

隨著單細胞分析、時空轉錄組測序及高通量多組學技術的發展,針對腫瘤微環境中相關生物學過程的研究日趨精準化。盡管許多研究已經闡明了ER 應激在腫瘤發生過程中的功能和機制,但是將腫瘤微環境作為整體,系統性評估ER 應激及 ERAD對TME中各類型細胞的具體影響,尤其是對TME中腫瘤細胞與免疫細胞代謝重編程的機制影響以及相關治療靶點的篩選是當下研究的熱點前沿。除了免疫細胞外,內皮細胞和腫瘤相關成纖維細胞(cancer associated fibroblasts,CAFs)也是TME的重要組成部分,對腫瘤進展發揮相應作用,但有關ER應激及 ERAD對這些細胞的作用了解有限[32]。因此未來進一步研究在腫瘤進展和治療過程中,ER應激在內皮細胞、CAFs和其他基質細胞中的作用也是十分必要的。

目前,以免疫檢查點抑制劑為代表的免疫治療在某些類型腫瘤(如惡性黑色素瘤和肺癌)中取得了較為顯著的臨床療效,遺憾的是,當前臨床上仍有很大比例的腫瘤患者無法從中獲益[33]。針對ER應激及UPR通路藥物的療效雖不優于標準治療,但可以一定程度破壞腫瘤細胞的侵襲特征并增強抗腫瘤免疫;同時,越來越多證據表明,對ER應激或UPR相關因素的調控可以使腫瘤對細胞毒藥物、靶向治療及免疫治療更為敏感[34]。利用人源性腫瘤異種移植模型和免疫活性小鼠模型進行更大規模的基礎以及臨床前研究,可以有助于發現改善腫瘤治療,尤其是免疫治療的新的有效組合方案,更好地服務于臨床實踐。綜上所述,未來深入了解探索腫瘤微環境中SEL1L分子及ERAD的潛在機制,為腫瘤發生、發展及免疫治療提供新理論和新靶點。