跨膜蛋白质在恶性肿瘤中作用的研究进展

王子豪，夏小超，李 舜

川北医学院附属医院，四川 南充 637000

1 跨膜蛋白质家族的结构和功能

跨膜蛋白质(transmembrane proteins,TMEMs)是构成膜蛋白质的多种蛋白质之一,是一类在核孔复合物(nuclear pore complex,NPC)中跨越生物膜脂质双层的整个宽度并永久锚定在细胞核膜上的蛋白质,结构通常包括跨越膜的α螺旋、β折叠,负责形成膜蛋白的通道结构。其主要功能是在细胞核膜上形成通道以实现核质交换的调控,即大分子进出细胞核的运输以及在调节基因组稳定性、DNA复制、细胞死亡等[1]。

目前对TMEMs家族中部分蛋白质结构、功能、机制的研究以及进一步表征,显示出跨膜蛋白质是组成各种细胞器膜的成分之一,例如内质网、线粒体、溶酶体和高尔基体,跨膜蛋白质在正常的生理过程中起到表皮角化、平滑肌收缩、蛋白质糖基化和肝脏发育的作用、调控钙池操纵Ca2+释放激活的钙通道[2]。目前疾病中发现跨膜蛋白质是帕金森病(Parkinson′s disease,PD)和其他神经退行性疾病相关,从患者从外周血单个核细胞中提取基因组DNA,并进行纯度和定量评价,发现6个TMEMs家族成员(TMEM230、TMEM175、TMEM229B、TMEM163、TMEM240和TMEM106B)可能与PD相关[3]。

由于其在细胞中的重要作用,研究发现其不仅仅只参与核质交换,在肿瘤细胞的异常表达,且与恶性肿瘤的进展相关,其中一些跨膜蛋白质被用作预后标志物。一些跨膜蛋白通过Wnt/β-catenin、AKT等信号通路来促进恶性肿瘤细胞的进展。此外,跨膜蛋白质也有肿瘤的耐药性有密切关系。跨膜蛋白质是恶性肿瘤研究的一个不可或缺的部分,因此对跨膜蛋白质的研究可能在疾病的预测以及治疗有重要意义。

2 跨膜蛋白质在恶性肿瘤发生发展中的作用机制

2.1 TMEMs促进肿瘤细胞增殖

TMEM16A(也称为ANO1、DOG1、ORAOV2或TAOS2)是钙激活氯离子通道的关键分子,具有10个跨膜片段,具有高度的序列保守性[4]。目前,TMEM16A已在上皮细胞、神经元、平滑肌细胞、血管内皮细胞和心肌细胞中证实发挥生理作用。它在各种癌中的过度表达,包括头颈鳞状细胞癌、乳腺癌、前列腺癌、胰腺癌、胃癌、腮腺癌和结直肠癌,表明TMEM16A的过度表达可能代表促进肿瘤发生中的保守机制。

在人乳头瘤病毒(human papilloma virus,HPV)阳性头颈部鳞状细胞癌(head and neck sequamous cell carcinoma,HNSCC)和HNSCC远处转移中观察到TMEM16A基因启动子区的高甲基化,它与TMEM16A的低表达相关,表明TMEM16A启动子的高甲基化可以抑制TMEM16A转录,在恶性肿瘤中TMEM16A启动子的低甲基化很有可能是促进肿瘤进展的关键因素[5]。此外,通过IL4/IL13-Jack-STAT3-STAT6轴的转录刺激、睾酮等类固醇激素、组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDAC)的激活、抑制性micro-RNA(miRNA-132和381)的下调以及辅酶蛋白复合物亚基β1和酪氨酸3-单加氧酶/色氨酸5-单加氧酶激活蛋白γ相互作用已被证明可以上调TMEM16A表达。在乳腺癌中,TMEM16A的过度表达与不良临床结果有关,并且治疗雌激素受体(estrogen receptor,ER)阳性乳腺癌的激素治疗药物他莫昔芬可抑制TMEM16A通道。ROCK1通过在T558处磷酸化moesin来增加TMEM16A通道活性,通过ROCK1/moesin激活促进乳腺癌T47D细胞中TMEM16A Ca2+激活的Cl -电流来促进TMEM16A的迁移和侵袭[6]。

TMEM206编码质子激活氯离子通道,同源三聚体在质膜和内体区室上形成,在胞质外酸化中介导氯离子流动,并在巨胞质体的收缩和成熟中发挥作用[7]。TMEM206是神经元膨胀的基础,神经元膨胀会导致神经细胞死亡,也有研究证明是某些恶性肿瘤转移的基础[8]。有研究证明磷脂酰肌醇二磷酸[phosphatidylinositol(4,5)bisphosphate,PIP2]位于通道外侧,通过剂量依赖和PH依赖对、质子激活氯离子通道起抑制作用[9],这对于抑制TMEM206相关的恶性肿瘤的进展可能有重要关系。骨肉瘤(osteosarcoma,OS)是青少年多发最常见的原发侵袭性骨恶性肿瘤,目前主要的治疗方法为手术联合辅助化疗,但临床效果不佳。早期的OS伴随这高发生的骨骼发育与重塑,主要是依赖于氢离子易位来溶解骨,氢的重新分配是由质子ATP酶和破骨细胞中的氯离子通道并行作支持的。TMEM206在成骨和破骨过程发挥重要作用,骨肉瘤与TMEM相关的氯离子通道关系密切[10]。TMEM206在异种肿瘤生长潜力较高的骨肉瘤细胞系中高表达更为明显,双荧光素酶报告基因分析TMEM206和β-连环蛋白之间存在相互作用。TMEM206通过调节肿瘤细胞与基质的相互作用,从而影响肿瘤细胞的侵袭与迁移,有望成为预后标志物与治疗靶点。

TMEM98是跨膜蛋白家族中的一员,其染色体定位于17q11.2,通过促进干扰素(interferon,IFN)的分泌来抑制炎性反应。作为新型的分泌蛋白,TMEM98敲低抑制白细胞介素IL-8促进内皮细胞(endothelial cell,EC)黏附以及血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cell,VSMC)增殖和迁移和血管内皮和平滑肌细胞功能障碍等。TMEM98通过诱导ICAM-1/VCAM-1表达促进EC黏附,通过激活ERK和AKT/GSK3β信号通路触发VSMC增殖和迁移。对TMEM98在恶性肿瘤的血管生成、黏附以及肿瘤转移等恶性生物学行为提供了研究基础[11]。TMEM98在非小细胞肺癌中过度表达上调转移相关的依赖于Ⅳ型胶原蛋白降解酶。TMEM98 mRNA通过最后一个外显子的8-nt基序与NF90蛋白结合在胃癌GC细胞中促进增殖和侵袭。miR-29c-5p通过调节植物和动物基因表达的转录后水平发挥生理作用,在头颈鳞状细胞癌中miR-29c-5p过表达直接靶向调控TMEM98的下调,抑制增殖和迁移,在血管方面仍可进一步明确是否有关联[12-13]。

2.2 TMEMs抑制肿瘤细胞进展

卵巢癌(ovarian cancer,OC)是世界范围内妇科病死率最高的恶性肿瘤,卵巢癌起病隐匿,发现时大多已经发展到晚期,而晚期生存率仅为20%～30%。值得注意的是,TMEM98在人类正常卵巢中表达高于其他正常组织,通过分析TCGA、GSE9891和GTEX数据库,证明TMEM98在人正常卵巢组织中表达量高于OC,说明TMEM98在卵巢癌中发挥抑癌的作用[14]。TMEM98敲低组中OC细胞系的SKOV3细胞和IOSE80细胞中细胞活力明显增加。利用基质胶模拟环境建立OC血管拟态模型,低表达TMEM98组血管拟态明显增强,形成环形网络,表明低TMEM98显著促进血管生成。以上研究关于TMEM98可以作为OC患者的潜在预后标志物,在贝伐单抗对卵巢癌抗血管治疗不能有效延长卵巢癌患者的总生存期的背景下,TMEM98有望成为克服抗血管治疗的有效位点。

TMEM100是一种由134个氨基酸组成的蛋白,在氨基酸残基53～75和85～107处包含两个跨膜结构域。它在脊椎动物和哺乳动物中高度保守。在生理过程中参与动脉内皮分化和血管完整性,以及细胞凋亡、肠神经系统发育和持续性疼痛,可能在内皮分化和血管形态发生过程中BMP9/BMP10-ALK1信号下游发挥着不可或缺的作用[15]。TMEM100是典型的抑癌因子,在结肠癌、非小细胞肺癌、前列腺癌等恶性肿瘤中低表达。低表达的TMEM100促进E-钙黏蛋白的下调以及N-钙黏蛋白和波形蛋白的上调是转移的关键特征。在结直肠癌中通过TGF- β/Smad2、3-4/Snail信号通路促进上皮细胞-间充质转化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)过程[16]。通过下调下游因子SCNN1D的表达促进前列腺癌细胞的恶性增殖行为,以及非小细胞肺癌上游因子microRNA-106b的负向调节下调TMEM100促进细胞增殖并抑制细胞凋亡[17]。其对血管内皮的影响以及凋亡的特性,对恶性肿瘤的转移以及凋亡的研究有重大意义,有望成为预后标志物。

3 跨膜蛋白质在恶性肿瘤中作用的信号通路

跨膜蛋白质在恶性肿瘤中起着重要的作用,其中一个重要的机制是参与信号通路的调节。目前已有一些研究证实了跨膜蛋白质通过Wnt、PI3K/Akt、JAK2/STAT3、ERK等信号通路来调控肿瘤的进展。

Wnt信号通路包括非经典通路和经典通路。经典Wnt通路主要控制细胞增殖,非经典Wnt通路则调节细胞极性和迁移。Wnt/β-catenin通路主要包括细胞外信号、膜片段、细胞质片段和核片段等四个片段。β-catenin的细胞质-核穿梭是Wnt/β-catenin通路激活的重要特征。没有Wnt信号的情况,细胞质片段的腺瘤性结肠息肉病、AXIN、酪蛋白激酶1(casein kinase1,CK1)和糖原合酶激酶3蛋白(glycogen synthase kinase3,GSK3)组成的复合物通过磷酸化 CK1 和 GSK3 捕获 β-catenin,从而激活β-连环蛋白降解来抑制靶基因的转录,Wnt信号通路启动时,复合物会被“招募”至细胞膜上,失去降解β-catenin的能力。通过β-catenin易位至细胞核并与核片段如TCF、LEF等相互作用激活靶基因的转录[18]。该途径的异常激活会导致细胞异常增殖,导致肿瘤的发生。si-TMEM168在胶质瘤U87细胞中显着抑制Wnt/β-catenin活化并抑制U87细胞的增殖,通过LiCl激活 Wnt/β-catenin 通路,上调 β-catenin的表达及其下调靶标(c-myc、cyclin D1和survivin),回复si-TMEM168的抑制作用[19]。TMEM48的结构中有6个跨膜片段,作为最保守的膜核通道蛋白,参加大分子生物的运输。在宫颈癌中通过Wnt信号通路参与宫颈癌细胞的增殖、侵袭。TMEM48在宫颈癌进展中的影响已在宫颈癌细胞系SiHa和HeLa中进行了研究[20]。结果表明沉默该基因会导致细胞的增殖、侵袭能力受到损害,并且会抑制Wnt/β-catenin信号通路活性的下调,并且显著降低了HeLa细胞中下游β-catenin、TCF1和AXIN2蛋白的表达水平。TMEM88的上调抑制了膀胱癌中Wnt/β-catenin信号通路的活性[21],抑制了膀胱癌的增殖、侵袭能力,并且这种作用可能与糖原合酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3β,GSK-3β)磷酸化的下调有关。TMEM196通过Wnt/β-catenin信号通路抑制肺癌转移,并且与下游因子MMP2和MMP7之间负相关[22]。

蛋白激酶B(AKT)信号通路是经典的恶性肿瘤的通路,AKT是一种57 kDa丝氨酸/苏氨酸激酶,属于protein kinase A,G,C(AGC)激酶家族,与AMP/GMP激酶和蛋白激酶C相关。它们由3个保守结构域组成,一个N端PH结构域、一个中央激酶CAT结构域和一个C端延伸,其中包含调节性疏水基序。异常的Akt激活本身具有高度致癌性,并在各种人类癌症中观察到。AKT信号通路的激活一般包括上游活化、AKT易位、磷酸化、以及激活下游效应器等过程。AKT的活化需要上游成纤维细胞生长因子、血管内皮生长因子、神经生长因子等诱导。下游效应器如诱导内源性Bad滞留在细胞质中阻止凋亡,激活转录激活因子以及调控位点Thr23磷酸化并激活致癌因子Bcl -1/A1, Bcl-2家族成员和cIAP1和c-IAP2, caspase抑制剂[23]。TMEM97通过经典恶性肿瘤PI3K-AKT-mTOR信号通路抑制肾癌细胞的恶性生物学行为。PB28是TMEM97的激动剂,通过上调TMEM97抑制PI3K-AKT-mTOR的表达,并且抑制肾癌细胞的增殖和侵袭、迁移[24]。TMEM229A 是一种7次跨膜蛋白,TMEM229A在牙齿的发育和分化中发挥着关键作用。下调TMEM229A促进了信号通路中ERK和AKT的磷酸化,并部分逆转EMT关键分子E-cadherin、N-cadherin、MMP2和Snail1的表达水平[25]。TMEM100在非小细胞肺癌细胞中低表达,通过促进PI3K-AKT通路,抑制LC3 Ⅱ/LC3 Ⅰ 的比率并上调p62的表达水平来抑制自噬。

4 跨膜蛋白质的耐药性

跨膜蛋白质目前在耐药的研究取得了初步进展,顺铂是一种众所周知的化疗药。其作用机制主要是与DNA上的嘌呤碱基进行交联,干扰DNA修复机制,DNA损伤,最后导致癌细胞凋亡,在头颈癌、肺癌、卵巢癌、膀胱癌等肿瘤中已经开始使用[26]。TMEM205是一种分泌跨膜蛋白,并且能够赋予顺铂耐药性。作为顺铂耐药性的一个显著特征就是耐药细胞内的顺铂的积累减少。TMEM205在人表皮样癌细胞系CP-r细胞中过表达,在0.3 μg顺铂/mL的浓度培养下的KB-CP.3细胞中分布于细胞表面和细胞内区室,在0.5 μg顺铂/mL的浓度培养下的KB-CP.5细胞中易位至靠近细胞核的TGN区域。与顺铂敏感的亲代KB-3-1细胞进行比较,结果显示顺铂在TMEM205过表达的KB-CP.3以及KB-CP.5细胞中的顺铂积累明显减少,并且与TMEM205在两种细胞中的分布趋势一样,可以证明TMEM205与细胞顺铂的耐药性相关[27]。并且进一步将TMEM205转染到KB-3-1中进一步证实了顺铂耐药的直接相关性。TMEM98作为肝癌的一种化学抗性相关基因并且阐明了其作用机制。人转移性肝癌细胞系MHCC97L在的顺铂以及多柔比星等梯度浓度下生长培育12个月,细胞系的耐药性明显增加。随着耐药梯度的增加,TMEM98的表达水平也相应上调。在接受动脉化疗栓塞治疗后,TMEM98表达水平同样变高。进一步的研究显示TMEM98的化学耐药性与AKT通路的激活以及p53失活有关。TMEM97通过PI3K-AKT-mTOR信号通路抑制肾癌细胞的致瘤行为,有可能是潜在的顺铂敏感性调节位点。

5 问题与展望

目前TMEMs家族中已有一些成员在恶性肿瘤中的的作用以及作用机制有明确的研究,TMEMs家族对恶性肿瘤的增殖、侵袭、迁移、凋亡等生物学行为的影响可以为肿瘤的发生发展的理解起到帮助。TMEMs家族成员以及作用的信号通路有望可以作为肿瘤标志物以及预后预测分子甚至是治疗靶点。有一部分蛋白质与化疗耐药有关,可以更精确效率的使用化疗药,但是TMEMs家族中的大多数成员的功能仍然未知,今后可以通过进一步的研究来为疾病的预测、诊断以及治疗提供新思路。