脂肪甘油三酯脂肪酶在腫瘤中的研究進展

趙 靜,洪子強,茍云久

脂肪甘油三酯脂肪酶(adipose triglyceride lipase, ATGL)是一種脂肪組織分泌的細胞因子,是甘油三酯水解釋放脂肪酸的限速酶[1]。缺氧存在于大多數惡性腫瘤中,為了適應缺氧,腫瘤細胞將其代謝從氧化磷酸化(正常細胞中的主要能量供應方式)轉變為糖酵解,稱為沃伯格效應[2]。氧化磷酸化的減弱也抑制細胞內脂肪酸β氧化以減少氧氣消耗。因此,理論上ATGL在腫瘤細胞中的活性和表達應與腫瘤細胞的活性呈負相關。在非小細胞肺癌和胰腺癌等中可以觀察到ATGL水平降低[3],而在一些癌癥中[4]ATGL對腫瘤進展具有促進作用。因此,ATGL在腫瘤細胞中的作用是不確定的,其可能取決于腫瘤類型和腫瘤發生的環境。本文綜述了ATGL在不同腫瘤中的作用和機制,以期為腫瘤的治療提供新的研究思路。

1 ATGL的結構及功能

細胞內磷酸化脂肪酶分解脂滴中儲存的甘油三酯,釋放游離脂肪酸,參與細胞內的能量代謝和信號轉導[5-6]。這些脂肪酶包括ATGL、激素敏感脂肪酶(hormone-sensitive triglyceride lipase, HSL)和單?；视椭久?monoacylglycerol lipase, MGL)[7]。其中,ATGL是甘油三酯降解的限速酶,其負責將一分子甘油三酯分解成一分子甘油二酯和一分子游離脂肪酸。同時,HSL和MGL分別負責甘油二酯和甘油一酯的分解。ATGL由人體內的Pnpla2基因編碼,對甘油三酯具有非常高的底物特異性[4]。ATGL的N端是α/β/α結構域,該片段包含Patatin樣結構域、α-螺旋結構和催化絲氨酸天冬氨酸雙鏈體(絲氨酸47和天冬氨酸166),它們對甘油三酯的底物結合和甘油三酸酯水解至關重要[4]。ATGL在其C端含有疏水性脂質結合片段以及2個潛在的AMP活化蛋白激酶(AMPK)磷酸化位點(絲氨酸404和絲氨酸428),它們負責ATGL在脂滴上的定位[7]。

2 ATGL與不同信號軸

2.1 PPAR-γ/G0S2/ATGL軸G0/G1期開關基因2(G0/G1switch2,G0S2)最早在誘導細胞周期進展后的血液單核細胞中發現,與細胞周期從G0期過渡到G1期有關[8-9]。其已被證明是ATGL的細胞內抑制劑,并且在代謝活躍的組織中大量表達,如脂肪組織、骨骼肌和心臟等[10]。G0S2通過與ATGL結合以抑制其甘油三酯的水解來實現甘油三酯調節。

首先,G0S2通過直接結合ATGL抑制其活性,參與調節細胞脂質代謝。其次,G0S2的表達也受PPAR(PPAR-α、PPAR-β/δ和PPAR-γ)的調控。Zandbergen等[11]的研究結果證明G0S2是PPAR的靶基因。在腫瘤微環境中的缺氧誘導下,腫瘤細胞增加PPAR-α和PPAR-γ的表達,從而促進其靶基因G0S2的表達,避免所需的脂肪酸發生氧化。作為ATGL的直接抑制劑,G0S2的高表達使ATGL在腫瘤細胞中功能失活,最終導致甘油三酯和脂滴在腫瘤細胞中的積累。

2.2 HIF-1α/HIG-2/ATGL軸在正常氧濃度下,HIF-1α中的脯氨酸殘基被HIF脯氨酸羥化酶(prolyl hydroxylase, PHD)羥基化,然后通過pVHL的泛素化降解[12]。在缺氧條件下,PHD活性受到抑制,因此HIF-1α能夠穩定轉移到細胞核中與特定的DNA缺氧反應元件結合,并激活大量基因的轉錄[12]。腫瘤組織所暴露的缺氧環境導致腫瘤細胞中HIF-a表達上調[13]。此外,除了缺氧誘導,原癌基因和抑癌基因的突變也可以導致HIF-1α表達上調。

HIG-2是缺氧誘導基因2,位于7號染色體上,由兩個外顯子和一個內含子組成[14]。在功能上,HIG-2調節脂肪儲存,以響應細胞外供氧不足或細胞內脂肪酸含量過高。該蛋白的功能部分依賴于ATGL和二脂酰甘油?；D移酶(diacylglycerol acyltransferase, DGAT)。Zhang等[14]通過免疫沉淀實驗證實HIG-2可以與ATGL物理結合。上述結果表明腫瘤細胞中存在缺氧誘導的HIF-1α/HIG-2/ATGL軸。因此,腫瘤細胞可能通過該軸減少脂肪酸β氧化,以減少缺氧條件下的耗氧量。

2.3 FSP-27/EGR-1/ATGL軸FSP-27是一種脂滴表面結合蛋白,是調控脂滴發育和脂質沉積的關鍵因子。Singh等[15]研究發現,在脂肪細胞中,FSP-27可與EGR-1或神經生長因子誘導蛋白-A(NGFI-A)協同抑制ATGL的表達。此外,FSP-27還可以直接抑制ATGL蛋白活性減少脂滴中脂肪酸的釋放。

在細胞中,FSP-27主要參與脂滴的形態調節[16]。脂肪細胞中FSP-27的缺失導致脂滴的碎片化。相反,當FSP-27過表達時,可以促進脂滴的融合和脂滴之間的脂質交換,導致脂滴數量減少和脂滴體積增加[17]。FSP-27已被證明具有抗脂解活性,在腫瘤細胞中,FSP-27也隨脂質代謝的變化而改變,并且是肺癌和胰腺癌的預后指標[18]。未來需要更多的研究來探索缺氧是否誘導改變FSP-27表達,HIF-1α和HIG-2在FSP-27表達中所起的作用,以及腫瘤細胞中FSP-27的表達是否與腫瘤細胞對脂質的可用性相關。

3 ATGL和自噬

自噬也是脂質同質化的關鍵調節因子,自噬介導的脂質降解為親脂性[19]。ATGL在親脂性調節中發揮積極作用,ATGL蛋白序列含有微管相關蛋白1的輕鏈3(microtubule-associated-proteinlight-chain 3, LC3)相互作用區,這是一個介導自噬受體和LC3包被的自噬體之間關聯的基序。Sathyanarayan等[20]的研究結果表明,ATGL通過肝臟中的SIRT1信號刺激自噬和脂噬。肝臟中的脂質同質化在較大程度上依賴于脂噬,其損害會促進肝脂肪變性,這是肝細胞癌發展的主要危險因素之一[20]。ATGL溶脂和噬脂活性的失調對肝臟同質化是有害的,具有潛在的致瘤作用。目前仍需深入探索,并將其擴展到脂質積聚的其他組織,如胰腺等。

4 ATGL和腫瘤免疫微環境

目前,人類15%～25%的癌癥是由慢性炎癥引起[21]。腫瘤相關巨噬細胞(tumor-associated macrophage, TAM)在慢性炎癥和癌癥之間發揮重要作用。越來越多的證據表明脂質對巨噬細胞的功能和分化有顯著影響。在TAM中也發現HIG-2表達上調和脂滴累積。脂質代謝改變巨噬細胞中脂質的積累并進一步影響其功能和分化。脂肪酸代謝對TAM的影響主要取決于脂肪酸種類,飽和脂肪酸的代謝增加具有致瘤活性,而不飽和脂肪酸的代謝增加具有腫瘤抑制活性[22]。這可能是由于在細胞中不飽和脂肪酸比飽和脂肪酸產生更多的脂質過氧化物,從而誘導細胞凋亡?？傊?TAM中甘油三酯的脂解過程在TAM和ATGL的功能和分化過程中起至關重要的作用。然而,未來仍需積累更多的研究進一步闡明ATGL在TAM中的具體機制。

5 不同腫瘤中ATGL的作用

對于不同類型的腫瘤細胞,ATGL具有不同的作用,并可以與各種細胞內因子相互作用。因此,本文總結了ATGL在不同腫瘤細胞中的作用(表1)。

表1 不同腫瘤中ATGL的作用

5.1 肺癌中ATGL的作用ATGL在肺癌中的作用尚不明確。在ATGL基因敲低的A549肺癌細胞中發現脂滴中的甘油三酯積累以及較高水平的細胞磷脂和生物活性脂質(溶血磷脂和乙醚磷脂)[23]。ATGL基因敲低的A549肺癌細胞具有更強的遷移能力,這與磷酸化Src原癌基因水平升高相關。在肺癌小鼠模型中,ATGL過表達可以促進腫瘤發展[24]。在細胞和動物水平上產生不一致的結果,可能與腫瘤細胞所在微環境差異有關。

5.2 肝癌中ATGL的作用肝癌細胞中的ATGL更多地參與腫瘤細胞增殖而非轉移。ATGL在肝癌細胞中過表達促進p-AKT磷酸化,也促進腫瘤細胞增殖,但不影響腫瘤細胞的轉移能力[25]。長鏈非編碼RNA NEAT1通過在原位肝癌小鼠模型中誘導ATGL表達來脂解驅動腫瘤細胞增殖[26]。然而,Di等[27]研究發現在人源性肝癌細胞樣品和誘導小鼠肝癌模型中,ATGL的表達低于對照組。肝癌細胞的增殖速率與ATGL表達呈負相關。這種現象歸因于由PPAR-α/p300軸介導的ATGL上調引起的腫瘤抑制因子p53的上調。

5.3 乳腺癌中ATGL的作用低氧微環境中腫瘤細胞ATGL的表達通常降低,以減少細胞內游離脂肪酸。相比之下,人類正常細胞內低游離脂肪酸通常與脂肪酸氧化降低有關。

因此,細胞可能以這種方式對缺氧環境作出反應。脂肪酸氧化和ATGL對乳腺癌有促進作用。脂肪酸氧化的促癌作用表明乳腺癌細胞需要更多的脂肪酸。此外,脂肪酸氧化的激活通常與乳腺癌細胞轉移能力的增加有關[28]。乳腺癌細胞可誘導附近脂肪細胞釋放大量脂肪酸,以甘油三酯的形式儲存,隨后通過ATGL的過表達促進非偶聯脂肪酸氧化的發生,最終增加其轉移能力[28]。在乳腺癌擴散部位,通常會為即將到來的腫瘤細胞準備大量脂質。儲存在中性粒細胞中的脂質被轉移到乳腺癌細胞中,乳腺癌細胞通過胞飲溶酶體途徑擴散,促進其增殖和存活。

5.4 前列腺癌中ATGL的作用ATGL在前列腺癌細胞中的作用受腎上腺素B2受體(EPHB2)的調節。EPHB2作為前列腺癌細胞的抑制劑,能夠通過抑制DGAT1、DGAT2的活性和促進脂解因子ATGL和PEDF發揮抑制腫瘤的作用[29]。Nardi等[30]研究發現,與正常前列腺成纖維細胞相比,前列腺癌相關成纖維細胞中ATGL和PEDF的表達較低,這表明在前列腺癌相關成纖維細胞中可能儲存了更多的脂質,以促進前列腺癌細胞的生長。

5.5 胰腺癌中ATGL的作用Grace等[5]對44例胰腺癌組織樣本進行免疫組化分析,結果顯示肥胖患者的腫瘤基質中ATGL表達升高。然而,ATGL的含量與腫瘤大小和組織學分級無相關性,因此ATGL的增加可能是肥胖誘導的胰腺癌的關鍵因素[5]。在EL-KrasG12D/色素上皮衍生因子(PEDF)缺陷小鼠中還發現了胰腺中脂肪細胞浸潤增加和脂肪細胞肥大、腫瘤組織脂滴形成相關蛋白甘露糖-6-磷酸受體結合蛋白1(TIP-47)和脂肪分化相關蛋白(ADRP)水平升高[31]。同時,EL-KrasG12D/PEDF缺陷小鼠發展為更具侵襲性的胰腺癌表型。然而,隨著PEDF的敲低,ATGL水平降低,表明胰腺癌中的ATGL可能不具有與乳腺癌相同的促轉移能力。同樣,在另一個胰腺癌小鼠模型中,ATGL的抑制并未改變Hilpda野生型和敲低細胞之間甘油三酯豐度的差異[32]。因此,在胰腺癌中,ATGL可能不是腫瘤增殖和轉移的關鍵因素,但可能是腫瘤形成的關鍵因素。

5.6 結直腸癌和頭頸鱗狀細胞癌中ATGL的作用在結腸癌細胞和結腸癌干細胞中,ATGL介導的脂滴用于腫瘤的發展[33]。Yin等[33]研究發現,ATGL對結直腸癌的促進作用是通過降解甘油三酯和促進與鞘脂代謝、輔酶A生物合成相關基因的表達來實現的。雖然ATGL與鞘脂代謝相關,但ATGL不調節與鞘脂代謝相關蛋白的表達。肖雪等[34]的研究結果顯示,頭頸鱗狀細胞癌中ATGL的表達與B淋巴細胞、CD4+T淋巴細胞、CD8+T淋巴細胞、巨噬細胞、中性粒細胞及樹突狀細胞等免疫細胞的浸潤程度呈正相關(P<0.05)。這提示頭頸鱗狀細胞癌可能通過下調ATGL來抑制免疫細胞的防御功能,從而發生免疫逃避,導致患者預后不良[34]。

6 結語

本文綜述了近年來腫瘤細胞調控ATGL介導的脂質代謝途徑,以及ATGL對不同腫瘤的影響。ATGL是細胞中脂質代謝的關鍵酶,其表達和活性直接影響細胞內能量來源是葡萄糖還是脂肪酸。ATGL的促腫瘤作用通常與腫瘤發生的位置是否能夠獲得大量脂質有關,而內源性和外源性脂肪酸可能對腫瘤細胞產生不同甚至相反的影響。因此,未來需要更多的研究來探索外源性脂質對ATGL在腫瘤中作用的影響。此外,未來也需要更多的研究來探索與正常細胞相比,腫瘤細胞中ATGL表達和降解的改變,從而有助于開發針對相關蛋白的抗腫瘤藥物。