蛋白质的翻译过程是细胞中至关重要的步骤,调节着基因表达和大多数耗能过程。异常的上游信号通路和翻译机制导致的成分表达异常或功能异常引起的转录调节异常在肿瘤中十分常见。2018年《CURR OPIN GENET DEV》发表了《Cross-talk between protein synthesis, energy metabolism and autophagy in cancer》的综述,主要讨论了尚未被广泛关注的翻译信号,并聚焦于肿瘤细胞中蛋白质合成、自噬和能量代谢的作用。
肿瘤细胞中mRNA翻译的调节异常非常常见,癌基因(如MYC,RAS,PI3KCA)和抑癌基因(如PTEN、LKB1、TSC1/2,p53)都可以影响翻译相关元件。肿瘤细胞中翻译机制成分的表达改变或基因突变(如eIFs,核糖体蛋白)也时常发生。翻译是调节基因表达的至关重要的步骤,尽管翻译组是否在蛋白质组的构成中起到贡献仍待争论,至少在某些情况下翻译在调节基因表达中起到主要作用。比如,在肿瘤生长超过血液供应能力时,肿瘤细胞的生长就会受到多种因素(如缺氧,营养剥夺)的干扰,因此假定翻译在塑造恶性肿瘤蛋白质组中发挥着重要作用是合理的。翻译也是一个非常耗能的过程,一些关键的信号节点(如mTOR和AMPK)与翻译调节和能量平衡都有关联(图1)。因此,本文重点关注与蛋白质合成和能量平衡有关的信号通路的作用。
图1 蛋白质合成、能量代谢和自噬调节示意图
mTOR/4E-BP/eIF4F 轴协调细胞翻译和肿瘤能量
肿瘤细胞通过调整细胞合成来适应外界环境的养份和氧份的缺乏。蛋白质合成的起始阶段被认为是其调节的关键阶段,eIF4F复合体的装备过程是起始阶段中的一个限速步骤。eIF4F在mTOR的调节下,招募mRNA到核糖体。mTOR是一种丝氨酸/苏氨酸合成酶,能对多种刺激做出反应并通过调整生长速率对细胞能量状态做出反应,在哺乳动物中分为mTORC1和mTORC2两种亚型。除外mTOR,AMPK对能量调节的维持也发挥着重要作用。普遍认为AMPK在AMP/ATP比值上调时被激活,但是近来研究发现,如果肿瘤微环境中发生糖分剥夺,AMPK可以在AMP/ATP比值上调之前即被激活。
mTORC1使翻译后抑制因子4E-BPs磷酸化,磷酸化的4E-BP将eIF4E从其结合位点中解离出来,从而促进eIF4E/eIF4G分子的相互作用和eIF4F组装。在恶性肿瘤中mTORC1活性上调,并可见eIF4E过表达从而导致其分子水平升高。许多研究表明高eIF4F水平与化疗和靶向治疗的耐药性有关,并可预测患者预后。mTORC1在肿瘤中的过度激活不仅增加了蛋白质的合成,而且还可导致蛋白翻译后的重新编程。研究证实,mTORC1至少部分地促进核编码的mRNA翻译,使其成为具有线粒体功能的蛋白质(如TFAM,ETC复合物成分)。这些研究均指出mTORC1 / 4E-BP通路可通过协调线粒体ATP产生和蛋白质合成速率,借由mTORC1激活后增加能量消耗,影响线粒体数量、功能和动力学,并通过4E-BP介导的的蛋白质mRNA的增强翻译来维持能量平衡(图1)。
核编码线粒体蛋白合成的调节
目前,变构mTOR抑制剂(如雷帕霉素等)已被应用于各类肿瘤的治疗,也正在进行有关第二代mTOR抑制剂作用于其活性位点的临床试验,同时靶向作用于变构位点和活性位点的第三代二价mTOR抑制剂也已被开发利用。然而,在大多数肿瘤细胞系中,mTOR抑制剂具有抗增殖作用,而非细胞毒性作用。大量新兴研究数据显示,mTOR抑制的抗增殖作用表现为在抑制能量产生的同时也减少能量的消耗,从而导致细胞代谢处于休眠状态,其作用可能与用于治疗糖尿病的二甲双胍的抗肿瘤作用相似。二甲双胍通过减少线粒体ATP的产生,增加细胞应激反应,在缺失LKB1不能诱导AMPK表达的细胞中更加显著的抑制mTOR,从而减少能量消耗,导致能量缺乏和细胞死亡。抑制mTOR可以导致对编码具有线粒体功能的蛋白质(即ETC亚单位)和保护线粒体完整性蛋白质(即BCL-2家族成员)的mRNA翻译的同步抑制,从而导致线粒体数量的减少和线粒体呼吸链受到抑制,其可能作用机制是通过减少蛋白质合成和促进自噬,从而抑制细胞质再循环的过程。
eIF4A抑制剂通过调节翻译过程抑制BCL-2家族成员和生存素,从而诱导细胞死亡,而非通过抑制ET编码mRNA的翻译或mTORC1活性过程,此过程可以诱导线粒体去极化和Bax/Bak介导的凋亡。因此,尽管mTOR抑制剂同时抑制参与线粒体功能的蛋白质和保护线粒体完整性的mRNA编码的翻译,从而导致细胞代谢休眠和生长抑制,但是eIF4A抑制剂至少部分通过选择性抑制蛋白质合成用以保护线粒体完整性,而不降低mTOR活性,从而导致细胞能量不足和死亡(图1)。
eIF2和营养感应
实体肿瘤细胞多存在于营养物质(如葡萄糖,氨基酸)有限的环境中,在这种情况下,eIF2a磷酸化被认为是一种促生存机制。eIF2a磷酸化主要通过四种激酶限制三元复合物回收,即GCN2、PERK、PKR和HRI。GCN2是一种主要的eIF2a激酶,可以感知营养应激。在酵母中,GCN2通过一种与组氨酰-tRNA合成酶相关的蛋白质结构域直接与不带电的tRNA结合而激活,诱导其激酶结构域发生自磷酸化和去阻遏。eIF2a磷酸化抑制eIF2B的GEF活性,从而限制三元复合物水平。在前列腺癌细胞中可见多种氨基酸转运蛋白的表达增加,包括L型氨基酸转运蛋白家族成员,这些成员参与摄取中性侧链的氨基酸,包括L-亮氨酸。L-亮氨酸1是雄激素不敏感的PC3细胞生长所必需的氨基酸,转录因子ATF4可以刺激其表达。ATF4还刺激编码自噬因子的基因的表达以增加氨基酸可用性。因此,ATF4已被认为是多种恶性肿瘤的潜在靶标。重要的是,许多研究表明mTOR,eIF2a磷酸化和/或ATF4 之间存在交叉作用。这将eIF2和ATF4定位为调节蛋白质合成、自噬和能量代谢,并维持肿瘤细胞能量平衡的调节网络的中心节点(图1)。
肿瘤中能量的延伸作用
由于mTORC1和ERK在肿瘤中表达上调,因此肿瘤中蛋白质合成率的增加有部分是由eEF2K失活导致的。考虑到在肿瘤形成中蛋白质合成速率升高,因此推测eEF2K的失活可以使肿瘤细胞具有增殖优势。事实上,在APC驱动缺失的自发性肠癌模型中,mTORC1/S6K轴中的eEF2K因子失活,从而导致细胞周期蛋白D3水平增加,进而支持异常的WNT信号传导通路。eEF2K的消除减轻了mTORC1失活对肠上皮细胞增殖的影响,这表明eEF2K具有抑制肿瘤特性。但与之相反的是,目前认为eEF2K在能量缺乏的条件下,可以防止肿瘤细胞死亡。例如,研究发现在营养缺乏的条件下,eEF2K可能在细胞培养和异种移植模型中表现出保护肿瘤的作用。在肿瘤中eEF2K的这种看似矛盾的作用使人联想起AMPK在肿瘤发生和发展中的作用。AMPK似乎阻碍了肿瘤的形成,但是当肿瘤达到营养和氧份的限制时,AMPK就起到了细胞保护作用。通过类推,eEF2K抑制肿瘤形成,而在肿瘤达到一定质量和营养物质条件时,eEF2K通过减少翻译机制的能耗反应从而促进肿瘤存活。由于eEF2K不是正常细胞生存的必需基因,因此eEF2K在肿瘤形成中发挥的确切作用受到日益关注,这对促进eEF2K抑制剂在临床上的应用也具有重要意义。
自噬和蛋白质合成之间的相互作用
虽然mTORC1能够刺激蛋白质合成,但它是自噬的主要负调节因子。营养缺乏可导致mTORC1抑制从而诱导自噬发生,进而提供合成关键蛋白所需的游离氨基酸。事实上,以酵母为例,当氨基酸限制时,自噬过程可维持蛋白质合成。ULK1是一种丝氨酸/苏氨酸激酶,位于启动子复合体中,调节其他自噬因子如AMBRA,ATG9和BECN1,从而刺激自噬体形成。在人体中,mTORC1通过在S758和S638将其磷酸化来抑制ULK1功能,而通过在Ser317和Ser556的AMPK磷酸化导致ULK1激活。此外,mTORC1也可磷酸化和灭活其他自噬蛋白,包括AMBRA和ATG13。
多个自噬蛋白也可反馈性调节mTORC1,从而间接影响蛋白质的合成。例如,自噬受体蛋白SQSTM1/p62将泛素化底物带到自噬体上,与mTOR、raptor和RAG GTP酶相互作用。一旦自噬体形成,它必须与溶酶体融合,降解其内容物,导致游离氨基酸的释放。这意味着一旦足够的细胞质内容被回收,自噬可以通过其后期阶段通过调节mTORC1以及刺激蛋白质合成来自我调节。
eIF水平和/或活性的变化也被证实会对自噬产生。例如,增加的eIF4G1水平通过与细胞存活相关的mRNA的翻译活化相平行,从而防止自噬和细胞凋亡。此外,eIF2a/ATF4轴可上调许多自噬基因,包括p62,ATG16L,LC3B,ATG12,ATG3和BECN1。mTOR和eIF2a磷酸化的交叉调节也可影响自噬。简要来说,抑制 mTORC1可依赖PP6C磷酸酶激活GCN2从而导致eIF2a磷酸化;消耗PP6C磷酸酶反过来减弱了被mTORC1抑制所致的自噬。因此,自噬产生用于蛋白质合成的氨基酸并且消耗氨基酸。这两个过程都由相同的通路(mTORC1,AMPK和GCN2)控制,以保持能量平衡。
总结
新近的研究表明,mTOR、AMPK和eIF2a激酶在细胞能量代谢和自噬中发挥协调作用,可以同时调节蛋白质组并维持能量平衡。随着对翻译与能量代谢相互关系的分子基础进行更加深入的探索,新的调节位点不断被发现。eIF3是一种大型的多蛋白复合物,在核糖体募集mRNA中发挥作用,增加了编码线粒体组分mRNA的翻译。mRNA甲基化的改变也影响翻译组的变化。总体而言,本综述重点阐述了通过不同信号通路对营养感应、能量代谢、翻译和自噬的复杂交叉调控。未来的研究需要剖析这些信号通路在机体稳态中如何进行调节,及其失调导致肿瘤发生发展的分子机制。
(编译 王家强,;审校 缪长虹)
参考文献:
Lindqvist LM, Tandoc K, Topisirovic I, Furic L. Cross-talk between protein synthesis, energy metabolism and autophagy in cancer. Curr Opin Genet Dev. 2017;48:104-111. doi: 10.1016/j.gde.2017.11.003.
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