G 蛋白信號轉導調節因子在癌癥中的新興作用

張煊赫 ,葉青 ,張舒珊

1珠海市婦幼保健醫院乳腺外科 廣東省珠海市,519000

2中山大學附屬第五醫院病理科 廣東省珠海市,519000

1 RGS 蛋白家族的結構和下游調控機制

G 蛋白偶合生物過程對人類疾病的發展很重要,GPCRs 被配體激活后,其構象的改變導致G 蛋白改變,使Gα 亞基與Gβγ 二聚體解離,促進Gα 亞基的GDP 轉換為GTP,使信號在胞內傳遞[1]。解離的具有活性的Gα-GTP 和游離的Gβγ 二聚體激活下游效應器,從而引起生物化學和細胞生理的改變[2]。RGS 是直接與激活的Gα 亞基結合,發揮GAPs (GTPase 激活蛋白) 作用,加速GTP 水解(＞1 000 倍),從而終止G 蛋白信號轉導通路的一類分子大小不同,多功能的蛋白質家族[3](圖1)。

1.1 RGS 蛋白家族的分類和結構域

所有的RGS 蛋白都包含一個120～130 個氨基酸的保守區域,形成9 個α 螺旋束的分子域被稱為RGS-box[4],它與活性的Gα-GTP 接觸來加速活化態Gα 亞基回到非活化狀態[5]。根據一級序列同源性和其他結構域的存在,RGS 蛋白家族可分為8個明顯不同的亞家族: A/RZ、B/R4、C/R7、D/R12、E/RA、F/GEF、G/GRK 以 及H/SNX。另外,D-AKAP2 和RGS22 (PRTD-NY2) 兩種特殊RGS 蛋白含有多種RGS 框,不能被分配到8 個家族中的任何一個。A/RZ 和B/R4 亞家族成員分子較小,結構簡單,分子中只有一個RGS 結構域[6]。而C/R7、D/R12、E/RA 和F/RL 亞家族成員另外擁有亞家族特異結構域。C/R7 亞家族成員擁有DEP 結構域,R7H 結構域以及GGL 結構域。D/R12 家族擁有RBD 結構域和GoLoco 結構域。E/RA 亞家族含有結合糖原合成酶激酶3β 結構域(GSK3β),一個β-catenin 結合位點(Cat),一個蛋白磷酸酶2A (PP2A) 同源區結構域以及一個二聚體結構域(DIX)。在F/RL 亞家族中,RhoGEF蛋白含有DH 和PH 結構域。GRK 蛋白含有Ser/Thr 激酶催化結構域;而RGS-PX1 含有Phox 同源(PX) 結構域和Phox 相關(PXA) 結構域。每個RGS 個體還擁有各自的特異結構特點,不同結構域的組合創造了高度調控、多功能的蛋白質家族(圖2)。

圖2 RGS 蛋白家族成員和相關結構域示意圖

1.2 RGS 蛋白的下游機制和RGS-Gα 識別模式選擇性

RGS 蛋白參與G 蛋白信號轉導通路介導的許多細胞內過程,RGS 蛋白調控Gα 亞基具有高度選擇性[7]。人體表達4 種類型的Gα 亞基,分別命名為Gαi/o、Gαq/11、Gα12/13、Gαs,這4 種類型的亞基都可以被GPCRs 激活,但是RGS 只與Gi/o和Gq/11 的亞基相互作用發揮GAP 功能[8],最近有研究發現RGS 蛋白也可與G12/13 亞基結合。對RGS 家族幾個成員的研究表明,R4 家族成員都表現出與Gi/o 和Gq/11 蛋白結合,基于細微的結構差異,RGS2 對Gq 有更大的選擇性,而RGS4 對Gi 有更大的選擇性。RZ 家族的所有成員都可以與Gi 和Gq 亞家族結合。目前理論上的Gα-RGS 配對有上百種(約300 種組合) (圖3),R4 和RZ 亞型調節Gα 亞基更廣泛,R4 和RZ 成員共同調節所有Gq 和Gi/o 類型,同時R7 和R12 亞型的選擇性較窄,其成員只調節Gi/o 類型。上述的這種RGSGα 選擇性將對GPCR 信號下游產生影響,RGS-Gα選擇性的全局模式將進一步影響GPCR 的下游信號通路。我們已知哺乳動物基因組編碼16 個Gα 亞基,每個都具有獨特的信號關聯和選擇性參與信號通路的能力,包括腺苷酸環化酶、磷脂酶C 同工酶、Rho 鳥嘌酸核苷酸交換因子(GEF) 和離子通道[9]。根據不同的Gα 亞基鑒定了4 種異三聚體G蛋白復合物: ①Gαi/o,其主要活性是抑制腺苷酸環化酶(AC),減少第二信使環AMP 的產生;②Gαq,激活磷脂酶C,導致細胞溶質Ca2+增加;③Gα12/13,激活Rho 家族的單體GTP 酶,導致細胞骨架重組;④Gαs,激活AC 并增加CAMP,與趨化信號無關[10]。此外,一些RGS 蛋白也可以通過作為Gs 激活的腺苷酸環化酶或Gq 激活的磷脂酶的“效應拮抗劑” 來抑制GPCR 信號的傳導。RGS還可以競爭性抑制Gα-效應器的相互作用,激活Gβγ 介導的信號轉導途徑[11]。

2 RGS 蛋白與腫瘤

2.1 RGS 蛋白家族發揮促癌和抑癌作用

目前,大多數研究認為GPCR 途徑和G 蛋白的過度激活有利于致癌生物過程。因此,RGS 蛋白家族介導的GAP 可能在抑制G 蛋白活化方面發揮作用,被認為是腫瘤抑制基因,并且相信“RGS盒” 中的突變將是癌癥驅動事件(表1)[12]。

表1 RGS 蛋白變化和腫瘤致癌的作用關系

RGS2、RGS6、RGS7、RGS10 和RGS16 通常被認為是腫瘤抑制基因。RGS2 在乳腺、前列腺[13]、卵巢和結直腸癌中的表達下調,RGS2 還與前列腺癌癥疾病的分期有關,其表達在早期和中期下調,但隨著疾病的進展,其表達逐漸增加。因此,RGS2 可以被認為是前列腺癌的預后指標[14]。RGS12 在前列腺癌[15]和口腔鱗狀細胞癌中起腫瘤抑制作用。在胰腺癌患者中,RGS16 通過p53 和pRb/RB130 抑制腫瘤轉移和侵襲。低水平RGS7 被認為是黑色素瘤的驅動因素。RGS10 與癌癥、癌癥和急性髓細胞白血病的不良預后有關[16]。

然而,RGS 家族的一些成員表現出致癌基因的作用。一些人認為,這種相反的作用可能與非RGS 結構域的非GAP 功能有關。RGS1、RGS3、RGS4、RGS5、RGS11、RGS17、RGS19 和RGS20 被認為是致癌基因。RGS17 在肺、結直腸、乳腺、前列腺和肝細胞癌中高度表達[17]。RGS5 在腎透明細胞癌、肺癌、胃癌、肝癌和舌鱗狀細胞癌[18]中增加。RGS1、RGS3、RGS4、RGS11、RGS19 和RGS20 在黑素瘤、胃癌、前列腺癌、視網膜母細胞瘤、卵巢癌和宮頸癌中上調[19-20]。它們可以通過促進細胞增殖、遷移和上皮-間質轉化(EMT) 來促進腫瘤,并在化療耐藥性和腫瘤免疫中發揮重要作用。

此外,一些RGS 蛋白具有復雜的功能。RGS2、RGS12、RGS6、RGS26、RGS17、RGS5 在促進和抑制癌癥方面發揮雙重作用。RGS2、RGS12、RGS6、RGS16 通常被認為是一種腫瘤抑制基因,但RGS2在套細胞淋巴瘤(mantle cell lymphoma,MCL)[21]和纖維板層癌[22]中發揮致癌基因作用。RGS16 在膠質瘤[23]中起促癌作用。RGS17 和RGS5 目前被認為是致癌基因,但RGS17 在鼻咽癌中起抑制癌癥的作用[24];RGS5 在人類肺癌中同樣發揮抑癌作用。

2.2 RGS 蛋白家族的在泛癌中的作用特征

接下來我們將總結RGS 蛋白家族在泛癌中復雜調控網絡的一些特征。首先,我們發現相同的RGS 蛋白在不同的腫瘤中起相反的作用。例如,在肝細胞癌中,RGS5 通過下調Gαi 亞基促進細胞的遷移和轉移[25],但在非小細胞肺癌中,它激活Gαq 和Gαi 亞基,進而抑制癌癥血管浸潤和淋巴結轉移[26]。RGS6 同樣具備雙重作用,即促進ROS誘導的乳腺癌細胞的凋亡,同時抑制卵巢癌的主要生長因子溶血磷脂酸受體2 (LPA2) 的信號轉導。因此,RGS 蛋白在不同的組織和器官中結合不同的Gα 亞基,影響不同的下游途徑,從而在癌癥中發揮多樣的功能。

其次,我們發現不同RGS 蛋白在某種癌癥中有相反的變化。例如,RGS2 和RGS6 在乳腺癌中低表達,而RGS3 和RGS17 高表達[27]。在卵巢癌癥中,RGS17 和RGS2 下調,而RGS1、RGS19、RGS5 和RGS6 上調。然后RGS 的這種差異表達被認為與細胞的補償機制有關。因為多種RGS 蛋白可以在同一細胞中表達,并且一種RGS 蛋白的上調可能代表另一種RGS 蛋白下調的補償機制。此外,RGS 蛋白發揮其主要功能的方式更多地取決于整體細胞表達的“主導作用”。例如,在癌癥中,RGS2/3 的轉錄水平降低了75 %,但RGS1/4/5/18 的表達增加了7～9 倍,因此后者的影響可能更大[28]。

最后,我們還發現相同的RGS 蛋白也可能在一個腫瘤中發揮多種作用。例如,RGS10 可以通過Rhb-GTP 和mTOR 途徑[29]抑制卵巢癌癥,同時還調節參與化療耐藥反應的炎癥信號卵巢癌癥。RGS16 在癌癥中也發揮著多重作用,RGS16 可以通過抑制PI3K 依賴性乳腺上皮細胞的生長而發揮抑癌作用,同時RGS16 的缺失增強了HER2 的激活和對化療藥物的耐藥性[30]。在非小細胞肺癌中,RGS5 的表達與腫瘤細胞的分化有關,并且RGS5還抑制癌癥血管浸潤和淋巴結轉移[31]。因此,某種RGS 蛋白可以影響腫瘤的進展,也可以對耐藥性、炎癥或血管生成發揮不同的作用。

2.3 RGS 蛋白家族調節腫瘤異質性

癌癥中RGS 蛋白家族具有高度的多樣性,這種復雜的變化與RGS 的結構多樣性和復雜性密不可分,分析原因如下: ①器官特異性和不同的內分泌調節機制導致RGS 蛋白通過不同的信號通路進行選擇性調節。例如,RGS6 在癌癥和乳腺癌中起著不同的作用。②由于RGS 蛋白具有不同的GAP 活性,RGS 蛋白可以調節下游信號級聯,從而進一步對癌癥細胞進行編程。例如,相同的RGS 蛋白激活腫瘤中不同的信號通路。③RGS 家族成員也有多個結構域,如PDZ、PH 等。因此,RGS 蛋白還可以發揮效應蛋白和支架蛋白的作用,連接受體、G 蛋白和效應物,獲得復雜的信號復合物。例如,RGS3 可以通過PDZ 結構域調節TGF-β信號傳導,從而潛在拮抗TGF-b 對癌癥細胞的抗增殖作用[31]。④RGS 蛋白也是高度可調節的。RGS 蛋白主要受蛋白穩定性、轉錄調節或表觀遺傳學調節的調節。這些組合機制允許RGS 水平的急性和慢性調節以響應多種信號。例如,在卵巢癌癥中,耐藥卵巢癌癥細胞中RGS10 啟動子的甲基化增加。

3 RGS 蛋白家族在腫瘤免疫微環境中的作用

RGS 蛋白在腫瘤微環境中的潛在作用。眾所周知,免疫系統可以識別并摧毀新的腫瘤。鑒于許多RGS 蛋白在腫瘤微環境中的控制作用,RGS 蛋白的上調可能導致抗腫瘤免疫力下降和腫瘤生長增強。

大多數免疫細胞類型表達多種RGS 蛋白[32],尤其是在白細胞趨化性方面[33]。白細胞活化和趨化性是由趨化因子與多種趨化因子受體結合介導的,趨化因子在免疫細胞募集到特定腫瘤微環境中發揮核心作用[34]。趨化因子受體家族屬于7 個跨膜GPCR 家族,一些研究表明,敲低RGS 蛋白[35]后白細胞趨化性顯著增強。另一項研究指出,Gi和RGS 蛋白之間的相互作用導致趨化因子受體的變化,并導致白細胞重新分布[36]。RGS1 最初被用作B 細胞的早期激活基因,RGS1 調節B 細胞在淋巴結微環境中的歸巢和運動[33]。RGS1 也可以調節T 細胞,Gαi2 和RGS1 表達之間的平衡可能控制T細胞在胃腸道粘膜中的滯留[37]。另一項研究發現,RGS1 導致癌癥中T 細胞(TH1 和CTL) 浸潤減少,并形成了免疫抑制性微環境,而RGS1 與乳腺癌癥患者生存期縮短相關[38]。RGS1 還調節巨噬細胞的積聚和滯留,以影響主動脈瘤的形成和破裂[39]。RGS5 也發揮著相似的作用,RGS5 的降低會增加免疫細胞的趨化性和黏附性,從而導致炎癥組織的中性粒細胞的招募和動員[40]。因此,我們推測RGS 可以驅動趨化因子受體的內化、脫敏和信號終止,從而協調腫瘤微環境中白細胞的運輸和重新分布。另一方面,RGS 蛋白也可以通過影響血管生成來影響腫瘤的進展。有學者研究了RGS2在髓源性抑制細胞(MDSCs) 中的作用。MDSCs中的RGS2 通過產生MCP-1[41]來增加腫瘤血管生成。在另一項研究中,RGS5 在腫瘤衍生的內皮細胞(EC) 中高度表達,并參與微環境中的血管重塑,從而增加腫瘤血管生成并促進腫瘤進展[42]。相反,最新研究報道了RGS 蛋白與T 細胞的耗竭和抑制抗腫瘤T 細胞相關,通過抑制T 細胞上的RGS16 聯合PDL-1 阻斷治療,可有效改善T 細胞免疫治療,達到有效抑制腫瘤的作用[43]。綜上,RGS 蛋白家族在腫瘤微環境中的作用尚不清楚,由于腫瘤微環境細胞成分復雜、微環境中豐富的細胞因子和腫瘤血管疾病的存在,將導致RGS 蛋白家族在不同腫瘤微環境中發揮不同的作用。

RGS 從一種潛在的新型GPCR 信號調節器發展為一個具有特征生化機制、結構、細胞信號和表達作用的蛋白質家族,這種重要的調節分子是一種尚不甚了解的致癌原因,它們損害了G 蛋白的功能,而G 蛋白是一個功能多樣的信號轉導家族,它構成了生命本身無數生物學層面的基礎。自從RGS家族被發現以來,RGS 蛋白將G 蛋白與細胞生長和分化、細胞運動和細胞內轉運相關的信號通路相結合,在生理學中起著至關重要的作用,可以成為疾病的理想靶點。目前對RGS 的研究還只是初步的,只能簡單描繪出RGS 的結構特點、生物學效應及調節機制。相信隨著研究的不斷深入,RGS蛋白的全部功能意義將會逐步明晰,將成為未來癌癥治療的新靶點。