跨膜蛋白質在惡性腫瘤中作用的研究進展

王子豪，夏小超，李 舜

川北醫學院附屬醫院，四川 南充 637000

1 跨膜蛋白質家族的結構和功能

跨膜蛋白質(transmembrane proteins,TMEMs)是構成膜蛋白質的多種蛋白質之一,是一類在核孔復合物(nuclear pore complex,NPC)中跨越生物膜脂質雙層的整個寬度并永久錨定在細胞核膜上的蛋白質,結構通常包括跨越膜的α螺旋、β折疊,負責形成膜蛋白的通道結構。其主要功能是在細胞核膜上形成通道以實現核質交換的調控,即大分子進出細胞核的運輸以及在調節基因組穩定性、DNA復制、細胞死亡等[1]。

目前對TMEMs家族中部分蛋白質結構、功能、機制的研究以及進一步表征,顯示出跨膜蛋白質是組成各種細胞器膜的成分之一,例如內質網、線粒體、溶酶體和高爾基體,跨膜蛋白質在正常的生理過程中起到表皮角化、平滑肌收縮、蛋白質糖基化和肝臟發育的作用、調控鈣池操縱Ca2+釋放激活的鈣通道[2]。目前疾病中發現跨膜蛋白質是帕金森病(Parkinson′s disease,PD)和其他神經退行性疾病相關,從患者從外周血單個核細胞中提取基因組DNA,并進行純度和定量評價,發現6個TMEMs家族成員(TMEM230、TMEM175、TMEM229B、TMEM163、TMEM240和TMEM106B)可能與PD相關[3]。

由于其在細胞中的重要作用,研究發現其不僅僅只參與核質交換,在腫瘤細胞的異常表達,且與惡性腫瘤的進展相關,其中一些跨膜蛋白質被用作預后標志物。一些跨膜蛋白通過Wnt/β-catenin、AKT等信號通路來促進惡性腫瘤細胞的進展。此外,跨膜蛋白質也有腫瘤的耐藥性有密切關系?？缒さ鞍踪|是惡性腫瘤研究的一個不可或缺的部分,因此對跨膜蛋白質的研究可能在疾病的預測以及治療有重要意義。

2 跨膜蛋白質在惡性腫瘤發生發展中的作用機制

2.1 TMEMs促進腫瘤細胞增殖

TMEM16A(也稱為ANO1、DOG1、ORAOV2或TAOS2)是鈣激活氯離子通道的關鍵分子,具有10個跨膜片段,具有高度的序列保守性[4]。目前,TMEM16A已在上皮細胞、神經元、平滑肌細胞、血管內皮細胞和心肌細胞中證實發揮生理作用。它在各種癌中的過度表達,包括頭頸鱗狀細胞癌、乳腺癌、前列腺癌、胰腺癌、胃癌、腮腺癌和結直腸癌,表明TMEM16A的過度表達可能代表促進腫瘤發生中的保守機制。

在人乳頭瘤病毒(human papilloma virus,HPV)陽性頭頸部鱗狀細胞癌(head and neck sequamous cell carcinoma,HNSCC)和HNSCC遠處轉移中觀察到TMEM16A基因啟動子區的高甲基化,它與TMEM16A的低表達相關,表明TMEM16A啟動子的高甲基化可以抑制TMEM16A轉錄,在惡性腫瘤中TMEM16A啟動子的低甲基化很有可能是促進腫瘤進展的關鍵因素[5]。此外,通過IL4/IL13-Jack-STAT3-STAT6軸的轉錄刺激、睪酮等類固醇激素、組蛋白去乙?；?histone deacetylase,HDAC)的激活、抑制性micro-RNA(miRNA-132和381)的下調以及輔酶蛋白復合物亞基β1和酪氨酸3-單加氧酶/色氨酸5-單加氧酶激活蛋白γ相互作用已被證明可以上調TMEM16A表達。在乳腺癌中,TMEM16A的過度表達與不良臨床結果有關,并且治療雌激素受體(estrogen receptor,ER)陽性乳腺癌的激素治療藥物他莫昔芬可抑制TMEM16A通道。ROCK1通過在T558處磷酸化moesin來增加TMEM16A通道活性,通過ROCK1/moesin激活促進乳腺癌T47D細胞中TMEM16A Ca2+激活的Cl -電流來促進TMEM16A的遷移和侵襲[6]。

TMEM206編碼質子激活氯離子通道,同源三聚體在質膜和內體區室上形成,在胞質外酸化中介導氯離子流動,并在巨胞質體的收縮和成熟中發揮作用[7]。TMEM206是神經元膨脹的基礎,神經元膨脹會導致神經細胞死亡,也有研究證明是某些惡性腫瘤轉移的基礎[8]。有研究證明磷脂酰肌醇二磷酸[phosphatidylinositol(4,5)bisphosphate,PIP2]位于通道外側,通過劑量依賴和PH依賴對、質子激活氯離子通道起抑制作用[9],這對于抑制TMEM206相關的惡性腫瘤的進展可能有重要關系。骨肉瘤(osteosarcoma,OS)是青少年多發最常見的原發侵襲性骨惡性腫瘤,目前主要的治療方法為手術聯合輔助化療,但臨床效果不佳。早期的OS伴隨這高發生的骨骼發育與重塑,主要是依賴于氫離子易位來溶解骨,氫的重新分配是由質子ATP酶和破骨細胞中的氯離子通道并行作支持的。TMEM206在成骨和破骨過程發揮重要作用,骨肉瘤與TMEM相關的氯離子通道關系密切[10]。TMEM206在異種腫瘤生長潛力較高的骨肉瘤細胞系中高表達更為明顯,雙熒光素酶報告基因分析TMEM206和β-連環蛋白之間存在相互作用。TMEM206通過調節腫瘤細胞與基質的相互作用,從而影響腫瘤細胞的侵襲與遷移,有望成為預后標志物與治療靶點。

TMEM98是跨膜蛋白家族中的一員,其染色體定位于17q11.2,通過促進干擾素(interferon,IFN)的分泌來抑制炎性反應。作為新型的分泌蛋白,TMEM98敲低抑制白細胞介素IL-8促進內皮細胞(endothelial cell,EC)黏附以及血管平滑肌細胞(vascular smooth muscle cell,VSMC)增殖和遷移和血管內皮和平滑肌細胞功能障礙等。TMEM98通過誘導ICAM-1/VCAM-1表達促進EC黏附,通過激活ERK和AKT/GSK3β信號通路觸發VSMC增殖和遷移。對TMEM98在惡性腫瘤的血管生成、黏附以及腫瘤轉移等惡性生物學行為提供了研究基礎[11]。TMEM98在非小細胞肺癌中過度表達上調轉移相關的依賴于Ⅳ型膠原蛋白降解酶。TMEM98 mRNA通過最后一個外顯子的8-nt基序與NF90蛋白結合在胃癌GC細胞中促進增殖和侵襲。miR-29c-5p通過調節植物和動物基因表達的轉錄后水平發揮生理作用,在頭頸鱗狀細胞癌中miR-29c-5p過表達直接靶向調控TMEM98的下調,抑制增殖和遷移,在血管方面仍可進一步明確是否有關聯[12-13]。

2.2 TMEMs抑制腫瘤細胞進展

卵巢癌(ovarian cancer,OC)是世界范圍內婦科病死率最高的惡性腫瘤,卵巢癌起病隱匿,發現時大多已經發展到晚期,而晚期生存率僅為20%～30%。值得注意的是,TMEM98在人類正常卵巢中表達高于其他正常組織,通過分析TCGA、GSE9891和GTEX數據庫,證明TMEM98在人正常卵巢組織中表達量高于OC,說明TMEM98在卵巢癌中發揮抑癌的作用[14]。TMEM98敲低組中OC細胞系的SKOV3細胞和IOSE80細胞中細胞活力明顯增加。利用基質膠模擬環境建立OC血管擬態模型,低表達TMEM98組血管擬態明顯增強,形成環形網絡,表明低TMEM98顯著促進血管生成。以上研究關于TMEM98可以作為OC患者的潛在預后標志物,在貝伐單抗對卵巢癌抗血管治療不能有效延長卵巢癌患者的總生存期的背景下,TMEM98有望成為克服抗血管治療的有效位點。

TMEM100是一種由134個氨基酸組成的蛋白,在氨基酸殘基53～75和85～107處包含兩個跨膜結構域。它在脊椎動物和哺乳動物中高度保守。在生理過程中參與動脈內皮分化和血管完整性,以及細胞凋亡、腸神經系統發育和持續性疼痛,可能在內皮分化和血管形態發生過程中BMP9/BMP10-ALK1信號下游發揮著不可或缺的作用[15]。TMEM100是典型的抑癌因子,在結腸癌、非小細胞肺癌、前列腺癌等惡性腫瘤中低表達。低表達的TMEM100促進E-鈣黏蛋白的下調以及N-鈣黏蛋白和波形蛋白的上調是轉移的關鍵特征。在結直腸癌中通過TGF- β/Smad2、3-4/Snail信號通路促進上皮細胞-間充質轉化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)過程[16]。通過下調下游因子SCNN1D的表達促進前列腺癌細胞的惡性增殖行為,以及非小細胞肺癌上游因子microRNA-106b的負向調節下調TMEM100促進細胞增殖并抑制細胞凋亡[17]。其對血管內皮的影響以及凋亡的特性,對惡性腫瘤的轉移以及凋亡的研究有重大意義,有望成為預后標志物。

3 跨膜蛋白質在惡性腫瘤中作用的信號通路

跨膜蛋白質在惡性腫瘤中起著重要的作用,其中一個重要的機制是參與信號通路的調節。目前已有一些研究證實了跨膜蛋白質通過Wnt、PI3K/Akt、JAK2/STAT3、ERK等信號通路來調控腫瘤的進展。

Wnt信號通路包括非經典通路和經典通路。經典Wnt通路主要控制細胞增殖,非經典Wnt通路則調節細胞極性和遷移。Wnt/β-catenin通路主要包括細胞外信號、膜片段、細胞質片段和核片段等四個片段。β-catenin的細胞質-核穿梭是Wnt/β-catenin通路激活的重要特征。沒有Wnt信號的情況,細胞質片段的腺瘤性結腸息肉病、AXIN、酪蛋白激酶1(casein kinase1,CK1)和糖原合酶激酶3蛋白(glycogen synthase kinase3,GSK3)組成的復合物通過磷酸化 CK1 和 GSK3 捕獲 β-catenin,從而激活β-連環蛋白降解來抑制靶基因的轉錄,Wnt信號通路啟動時,復合物會被“招募”至細胞膜上,失去降解β-catenin的能力。通過β-catenin易位至細胞核并與核片段如TCF、LEF等相互作用激活靶基因的轉錄[18]。該途徑的異常激活會導致細胞異常增殖,導致腫瘤的發生。si-TMEM168在膠質瘤U87細胞中顯著抑制Wnt/β-catenin活化并抑制U87細胞的增殖,通過LiCl激活 Wnt/β-catenin 通路,上調 β-catenin的表達及其下調靶標(c-myc、cyclin D1和survivin),回復si-TMEM168的抑制作用[19]。TMEM48的結構中有6個跨膜片段,作為最保守的膜核通道蛋白,參加大分子生物的運輸。在宮頸癌中通過Wnt信號通路參與宮頸癌細胞的增殖、侵襲。TMEM48在宮頸癌進展中的影響已在宮頸癌細胞系SiHa和HeLa中進行了研究[20]。結果表明沉默該基因會導致細胞的增殖、侵襲能力受到損害,并且會抑制Wnt/β-catenin信號通路活性的下調,并且顯著降低了HeLa細胞中下游β-catenin、TCF1和AXIN2蛋白的表達水平。TMEM88的上調抑制了膀胱癌中Wnt/β-catenin信號通路的活性[21],抑制了膀胱癌的增殖、侵襲能力,并且這種作用可能與糖原合酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3β,GSK-3β)磷酸化的下調有關。TMEM196通過Wnt/β-catenin信號通路抑制肺癌轉移,并且與下游因子MMP2和MMP7之間負相關[22]。

蛋白激酶B(AKT)信號通路是經典的惡性腫瘤的通路,AKT是一種57 kDa絲氨酸/蘇氨酸激酶,屬于protein kinase A,G,C(AGC)激酶家族,與AMP/GMP激酶和蛋白激酶C相關。它們由3個保守結構域組成,一個N端PH結構域、一個中央激酶CAT結構域和一個C端延伸,其中包含調節性疏水基序。異常的Akt激活本身具有高度致癌性,并在各種人類癌癥中觀察到。AKT信號通路的激活一般包括上游活化、AKT易位、磷酸化、以及激活下游效應器等過程。AKT的活化需要上游成纖維細胞生長因子、血管內皮生長因子、神經生長因子等誘導。下游效應器如誘導內源性Bad滯留在細胞質中阻止凋亡,激活轉錄激活因子以及調控位點Thr23磷酸化并激活致癌因子Bcl -1/A1, Bcl-2家族成員和cIAP1和c-IAP2, caspase抑制劑[23]。TMEM97通過經典惡性腫瘤PI3K-AKT-mTOR信號通路抑制腎癌細胞的惡性生物學行為。PB28是TMEM97的激動劑,通過上調TMEM97抑制PI3K-AKT-mTOR的表達,并且抑制腎癌細胞的增殖和侵襲、遷移[24]。TMEM229A 是一種7次跨膜蛋白,TMEM229A在牙齒的發育和分化中發揮著關鍵作用。下調TMEM229A促進了信號通路中ERK和AKT的磷酸化,并部分逆轉EMT關鍵分子E-cadherin、N-cadherin、MMP2和Snail1的表達水平[25]。TMEM100在非小細胞肺癌細胞中低表達,通過促進PI3K-AKT通路,抑制LC3 Ⅱ/LC3 Ⅰ 的比率并上調p62的表達水平來抑制自噬。

4 跨膜蛋白質的耐藥性

跨膜蛋白質目前在耐藥的研究取得了初步進展,順鉑是一種眾所周知的化療藥。其作用機制主要是與DNA上的嘌呤堿基進行交聯,干擾DNA修復機制,DNA損傷,最后導致癌細胞凋亡,在頭頸癌、肺癌、卵巢癌、膀胱癌等腫瘤中已經開始使用[26]。TMEM205是一種分泌跨膜蛋白,并且能夠賦予順鉑耐藥性。作為順鉑耐藥性的一個顯著特征就是耐藥細胞內的順鉑的積累減少。TMEM205在人表皮樣癌細胞系CP-r細胞中過表達,在0.3 μg順鉑/mL的濃度培養下的KB-CP.3細胞中分布于細胞表面和細胞內區室,在0.5 μg順鉑/mL的濃度培養下的KB-CP.5細胞中易位至靠近細胞核的TGN區域。與順鉑敏感的親代KB-3-1細胞進行比較,結果顯示順鉑在TMEM205過表達的KB-CP.3以及KB-CP.5細胞中的順鉑積累明顯減少,并且與TMEM205在兩種細胞中的分布趨勢一樣,可以證明TMEM205與細胞順鉑的耐藥性相關[27]。并且進一步將TMEM205轉染到KB-3-1中進一步證實了順鉑耐藥的直接相關性。TMEM98作為肝癌的一種化學抗性相關基因并且闡明了其作用機制。人轉移性肝癌細胞系MHCC97L在的順鉑以及多柔比星等梯度濃度下生長培育12個月,細胞系的耐藥性明顯增加。隨著耐藥梯度的增加,TMEM98的表達水平也相應上調。在接受動脈化療栓塞治療后,TMEM98表達水平同樣變高。進一步的研究顯示TMEM98的化學耐藥性與AKT通路的激活以及p53失活有關。TMEM97通過PI3K-AKT-mTOR信號通路抑制腎癌細胞的致瘤行為,有可能是潛在的順鉑敏感性調節位點。

5 問題與展望

目前TMEMs家族中已有一些成員在惡性腫瘤中的的作用以及作用機制有明確的研究,TMEMs家族對惡性腫瘤的增殖、侵襲、遷移、凋亡等生物學行為的影響可以為腫瘤的發生發展的理解起到幫助。TMEMs家族成員以及作用的信號通路有望可以作為腫瘤標志物以及預后預測分子甚至是治療靶點。有一部分蛋白質與化療耐藥有關,可以更精確效率的使用化療藥,但是TMEMs家族中的大多數成員的功能仍然未知,今后可以通過進一步的研究來為疾病的預測、診斷以及治療提供新思路。