Sarco/内质网atp酶(SERCA)将钙离子运输到内质网(ER),在调节细胞内钙水平中起着重要作用。SERCA抑制剂已被证明可诱导胞质钙水平升高和内质网耗竭,触发内质网应激、未折叠蛋白反应(UPR)和可导致细胞死亡的各种途径。这导致了用于癌症治疗的SERCA抑制剂的发展。本文对这方面的研究现状进行了综述。
SERCA,癌症,耐药性,钙
Sarco/内质网ATP酶(SERCA,一种钙泵)利用ATP水解所获得的能量,将钙离子沿浓度梯度从细胞质运输到内质网(ER),内质网是细胞内主要的钙存储细胞器。SERCA是唯一能转运钙的蛋白质2 +进入急诊室,并在所有急诊室被检测到。SERCA和其他Ca2 +通道/泵和紧密调节细胞钙2 +体内平衡;因为胞质游离钙的水平2 +控制许多细胞过程,包括细胞增殖,基因转录和细胞死亡。在正常细胞静息的胞质钙2 +而内质腔内的钙含量则在微摩尔范围内,细胞外钙含量则在微摩尔范围内2 +浓度通常在毫摩尔范围内。正常钙的改变2 +水平可以表示由于调节中的化学或信号转导变化引起的疾病状态[1,2]。
SERCA存在于几种亚型中。SERCA基因的选择性剪接ATP2A1 2 a2、a3给出多个异构体[3]。通常这些SERCA亚型有~75%的序列同源性[4]。像许多其他蛋白质一样,SERCA亚型的表达依赖于细胞类型。SERCA1a和1b主要在骨骼肌中表达。SERCA2a主要在心肌细胞中表达。SERCA2b在所有细胞类型中均可检测到。SERCA2c在非肌肉细胞中检测到。SERCA3有六种已知的异构体,通常在许多组织中与SERCA2b共表达。然而,SERCA3在造血源细胞[3]中有较高的表达。这些异构体也有不同的钙2 +其中SERCA2b的亲和力最高,SERCA3的亲和力最低2 +亲和力[3,5]。
随着SERCA泵送Ca2 +进入急诊室,急诊室,Ca2 +能被肌醇-1,4,5-磷酸受体(IP3.R)和利yanodine受体(RyR)或钙渗漏。Ca2 +ER的释放可导致线粒体Ca的产生2 +吸收[6]。线粒体钙的增加可通过促凋亡的Bax和bak蛋白引起线粒体外膜(MOMP)的通透性,随后释放细胞色素C,激活caspase 9,导致[6]凋亡。ER Ca2 +释放也会引起胞质钙的增加2 +水平,可以激活钙调磷酸酶去磷酸化/激活坏。去磷酸化Bad抑制抗凋亡bcl -2家族蛋白,导致类似的线粒体外膜通透,随后发生凋亡[7]。胞质钙的增加也会引发其他形式的细胞死亡,包括坏死、坏死性凋亡(坏死)和自噬。例如,当er Ca2 +在小鼠胚胎成纤维细胞(mef)中释放,由于缺乏促凋亡的Bak和Bax导致细胞凋亡不足,细胞发生坏死[8]。胞质钙的增加2 +浓度也stimulatesCa2 +/钙调素依赖性激酶-β (CaMKKβ),它激活amp激活激酶(AMPK), AMPK反过来抑制mTORC1,诱导自噬[9]。
除了钙的增加2 +在线粒体和细胞质中,内质网中钙的消耗也可以直接触发程序性细胞死亡。特别是内质网中钙的减少会导致内质网应激反应(ERS)和未折叠蛋白反应(UPR)。正如在HeLa细胞中所见,内质网应激可导致m-calpain切割和激活前-caspase 12,然后激活后续的caspase,导致细胞凋亡[10,11]。参与蛋白质折叠的钙调蛋白和钙调蛋白的功能需要适当的内质网钙水平。ER钙的耗竭2 +储存导致错误折叠蛋白的增加,导致ER UPR[12]。UPR激活减少蛋白质合成的途径,启动自噬以挽救,并增加蛋白质降解和折叠[13]。这些反应的延长激活导致细胞凋亡[14]。
除了直接启动细胞程序性死亡外,SERCA还参与控制细胞存活的其他调控途径。例如,SERCA被鉴定为Notch1信号通路[15]的关键调控蛋白。鉴于SERCA在细胞钙调控和细胞增殖/死亡中的关键作用,它是一个潜在的抗癌靶点。
许多SERCA抑制剂已被鉴定出具有不同的效力、选择性和首选结合状态。迄今为止,SERCA最具选择性和最强效的抑制剂是Thapsigargin (TG)(图1)。TG是从植物中分离出来的倍半萜内酯Thapsia garganica。TG增加胞质钙浓度,同时消耗内质网钙储存。它在影响Ca的化学计量量上抑制SERCA2 +和atp酶活性[16]。TG抑制Ca2 +SERCA在低纳摩尔浓度下的自由态,形成一个死端络合物[17]。TG结合SERCA在其跨膜螺旋M3, M5和M7中。尽管SERCA异构体具有高比例的同源性,但它们对当前SERCA抑制剂具有不同的敏感性。TG能有效抑制SERCA1b我SERCA2b为1.3±0.05nM, SERCA3a为12±6nM。TG的所有类似物都被证明比母化合物[16]的效力要小。有趣的是,用TG进行细胞处理会导致短期(15分钟)胞质中钙浓度的大量增加,刺激细胞凋亡,随后是长期(48小时)胞质中钙浓度的轻微增加,从而启动第一次休克[6]后存活的细胞增殖。
图1所示。SERCA的抑制剂
其他选择性但效力较弱的SERCA抑制剂包括环piazonic Acid (CPA)和2,5,-二(t-丁基)对苯二酚(BHQ)(图1)。它们对SERCA亚型1b、2b和3a具有不同的抑制效力。K我SERCA1b的CPA为90±30nM, SERCA2b为2.5±0.05μM, SERCA3a为600±200nM。K我SERCA1b的BHQ为7±4μ m, SERCA2b为2.6±1.3μM, SERCA3a[4]为1.7±1μM。
位点定向突变数据表明,相对于TG, CPA和BHQ在SERCA上与不同的位点结合。SERCA中的突变F256V使TG抑制效力降低了200倍,SERCA1b降低了5倍,SERCA3a降低了100倍。而CPA和BHQ在K上的差异不大我野生型和突变型[4]之间的值。后来的研究证实,这些小分子在SERCA上的结合位点与TG不同,这种结合使SERCA稳定在低Ca状态2 +亲和状态,导致SERCA抑制[16]。
姜黄素是姜黄的天然产物,在临床试验中被研究其对结直肠癌的抗癌活性(图1)[18]。姜黄素抑制SERCA与K我15μM。它与ATP竞争性结合,与Ca非竞争性结合2 +[16]。姜黄素在SERCA亚型中具有一定的选择性。抑制SERCA1b(5.8±1.6μM)和3a(8.6±2.5μM), K值相近我但抑制SERCA 2b,[4]的效力显著降低(53±6μM)。F36是姜黄素的一种更活跃的哌酮类似物,并被证明主要通过靶向SERCA2表达[19]更有效地抑制结直肠癌细胞系的增殖。
Saikosaponin-d (Ssd),从该植物中分离得到的一种三萜皂苷银柴胡L。已证明可通过抑制SERCA诱导自噬(图1)。这导致胞质钙水平升高,导致内质网应激和UPR。有趣的是,Ssd在缺乏caspase-3/-7/-8或Bax/Bak蛋白的细胞中表现出类似的微摩尔细胞毒性,这些蛋白通常与野生型细胞一样存在凋亡缺陷。这表明Ssd的细胞毒性可以绕过凋亡通路的缺陷,并可用于靶向凋亡通路[20]的药物耐药的癌症。
SBF-1是一种甾体糖苷,被发现在宫颈癌HeLa细胞中引起内质网应激和UPR(图1)。它在纳摩尔浓度下结合并抑制SERCA2。然而,SBF-1也结合质膜钙运输atp酶1,PMCA1,这可能也有助于其抗癌潜力[21]。
我们的实验室已经确定了一个稳定的HA 14-1衍生物(sHA 14-1)作为Bcl-2和SERCA蛋白的双重抑制剂。sHA 14-1通过内质网应激和钙诱导细胞死亡2 +释放[22]。通过对sHA 14-1结构活性关系的探索,发现了2-氨基乙基-6-(3,5-二甲氧基苯基)-4-(2-乙氧基-2-氧乙基)- 4h -铬-3-羧酸酯(CXL017)(图1)及其类似物。CXL017在耐多药HL60/MX2和CCRF-CEM/CT癌细胞株中表现出优先的细胞毒性。CXL017在与标准化疗药物(包括长春新碱、紫杉醇和米托蒽醌)联合治疗MDR细胞[23]时也显示出细胞毒性协同作用。有趣的是,CXL017还显示出与一般SERCA抑制剂TG、BHQ和CPA在抑制SERCA活性和诱导细胞毒性[24]方面的强协同作用。这些数据支持CXL在SERCA上的一个独特的绑定位点。然而,CXL017对SERCA的确切绑定位点/状态仍有待确定,这可能有助于合理化其独特的活动配置文件。
和许多蛋白质一样,SERCA在癌症中的表达水平也会发生变化。SERCA3在细胞分化过程中被诱导表达,但在结肠癌和乳腺癌[25]等癌症的发生过程中表达降低。SERCA3和2b亚型在骨髓性白血病、结肠癌、乳腺癌[25]中的表达与正常细胞不同。除了结肠癌、肺癌、结直肠癌和甲状腺癌外,鳞状细胞癌中SERCA2的表达也降低[26,27]。SERCA3在APL细胞中表达增加,而在结直肠癌、胃癌和乳腺癌中表达降低[3,12,28]。这种降低被认为可能增加了恶性肿瘤的诱导,并提供了证据Ca2 +调控在癌细胞中被修饰以防止细胞凋亡[12,29]。敲除小鼠,杂合的SERCA2,显示出对鳞状细胞癌发展的敏感性增加,表明细胞内Ca2 +调控可导致癌症发展[26,30]。尽管一些SERCA亚型在许多癌症中普遍下调,SERCA仍可能是癌症治疗的潜在靶点。SERCA 2b和3通常在细胞中共同表达,一种亚型的表达减少并不一定意味着两种亚型的表达都减少。SERCA 2b和SERCA 3有不同的周转率和Ca2 +亲和性,使它们在不同水平的胞质钙上活跃2 +[25]。钙的重塑2 +在癌细胞中的调节仍然没有被很好地理解,但必须有足够的SERCA来维持ER Ca2 +维持蛋白质合成的水平。最后,SERCA抑制剂如TG已被证明在这些SERCA表达减少的癌细胞中具有细胞毒性。
胞质钙2+在癌细胞中也会发生变化,部分原因是ER膜蛋白的表达变化,如SERCA和IP3.R和调节钙稳态的Bcl-2家族蛋白[31]IP3.R和SERCA受抗凋亡蛋白Bcl-2的调控,Bcl-2在许多癌症中高度表达。Bcl-2对IP的调制3.R已被证明促进增殖和抑制自噬[32]。Bcl-2也参与了SERCA的调控,减少了Ca的数量2 +泵入急诊室来防止钙的释放2 +足以触发细胞凋亡[6]。
然而,抑制SERCA作为一种癌症治疗手段并非没有风险。ER Ca降低2 +水平导致心力衰竭[33]。此外,由于不同的细胞类型和癌症有不同的SERCA异构体表达水平,异构体特异性抑制剂可能是实现组织靶向治疗和减少不良反应的必要条件。根据目前针对SERCA亚型的抑制剂的不同效力及其结合位点的不同,有可能发现SERCA亚型选择性抑制剂。
生物结合是另一种策略。例如,为了增加选择性和降低毒性,TG与一种可以被前列腺表面抗原PSA切割的肽结合,形成了治疗前列腺癌的TG前药。PSA是一种丝氨酸蛋白酶,在前列腺癌细胞中表达增加,使TG有选择性地靶向前列腺细胞。目前,这些前体药物正处于治疗前列腺癌的临床试验中[34,35]。
SERCA在细胞Ca中起着重要作用2 +监管。SERCA抑制导致胞质和线粒体Ca的增加2 +这可能会触发几种信号通路,导致细胞死亡。SERCA抑制剂已被证明在体外对癌细胞产生细胞毒性有效,但组织选择性和心血管风险仍需在体内和临床进行评估。
这项工作得到了NIH (CA163864, CX)的资助。
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