凋亡抑制蛋白XIAP与肿瘤多药耐药.docx

1、凋亡抑制蛋白XIAP与肿瘤多药耐药凋亡抑制蛋白XIAP与肿瘤多药耐药【摘要】 XIAP（X-linked inhibitor of apoptosis protein）是凋亡抑制蛋白（inhibitors of apoptosis protein，IAP）家族中最有效的内源性凋亡抑制因子，可以通过直接抑制caspases或者参与信号转导途径抑制细胞凋亡。研究发现，XIAP与肿瘤多药耐药有密切关系，并且有可能成为逆转肿瘤多药耐药提高化疗效果的治疗新靶点。 【关键词】 XIAP 细胞凋亡 抗药性 多药 凋亡抑制蛋白（inhibitors of apoptosis protein，IAPs）是细胞内

2、一类重要的凋亡抑制因子，包括XIAP（X-linked inhibitor of apoptosis protein）、Hiap-1、Hiap-2、NAIP、Survivin、apollon和livin等，与其他可抑制上游caspases的蛋白不同，IAPs是惟一的内源性caspases抑制物。在IAP家族中，XIAP是最有效的内源性caspases抑制因子1，可以直接抑制caspases并参与其他的细胞功能活动，例如调节受体介导的信号转导和蛋白泛素化等，能够通过多种途径调节细胞凋亡。许多研究表明，XIAP与以诱发细胞凋亡为主的肿瘤多药耐药（multi-drug resistance，MDR）

3、密切相关，并且有可能成为提高肿瘤化疗效果的治疗新靶点。 1XIAP的结构、表达及调节 XIAP又称作MIHA/hILP/BIRC4，基因定位于Xq25。XIAP含有3个BIR（baculovirus IAP repeat）结构域和1个RING锌指结构域。BIR结构域位于XIAP的N末端，是含有3个保守的半胱氨酸和1个保守的组氨酸序列的锌结合结构域，是IAP家族抑制caspases活性、发挥抗凋亡作用必不可少的结构。RING锌指结构域，位于XIAP的末端,有E3泛素连接酶活性，能催化自身及靶蛋白通过泛素化而降解，是IAP家族分子另一特征性结构域,也是IAP家族抗凋亡重要的结构。 XIAP广泛表达

4、于大多数成年及胚胎组织中，其mRNA全长约9 kb，其中5和3非翻译区（untranslated regions,UTRs）分别长为1.5 kb和6 kb，这种长的UTRs有可能干扰有效的翻译。5UTR的IRES（internal ribosome entry sequence）可以促使mRNAs在不利的应激条件下（如病毒感染、生长因子去除、低氧、照射等）被翻译表达2。因此，IRES可能是促使XIAP的mRNA有效翻译表达的一个重要机制，能够显著保护细胞，避免凋亡。 XIAP的负性调节蛋白有XAF1（XIAP associated factor 1）和Smac/DIABLO（second mi

5、tochondrial activator of caspases/direct IAPbinding protein with low pI）等。XAF1定位于细胞核,过表达的XAF1能促进XIAP从细胞质向核移位，并结合XIAP拮抗其对caspases的抑制，中和XIAP抗凋亡的能力。Smac/DIABLO定位于线粒体，在凋亡信号刺激后释放，并与XIAP的BIR3结合，抑制XIAP与caspases的结合。丝氨酸蛋白酶Omi/HtrA2在收到凋亡信号后也可从线粒体释放入胞质，降解XIAP等IAP家族成员，这可能是Omi/HtrA2激活caspases诱导凋亡的一个机制。 2XIAP的抗凋亡

6、途径 XIAP在肿瘤中的抗凋亡作用已被大量实验所证实，它对凋亡的拮抗主要是通过以下几种途径来实现。 2.1通过抑制caspases拮抗凋亡XIAP分子可以直接结合和抑制启动性的caspase-9和效应性的caspase-3和caspase-7，但是不能抑制caspase-1、caspase-6、caspase-8和caspase-10。这种对caspases选择性是由BIR结构域上保守氨基酸残基和BIR区间连接区linker的特点决定的。BIR1和BIR2间的连接区linker能与caspase-3及caspase-7的活性中心结合，竞争性抑制两者的活性，BIR2区能够稳定XIAP-caspa

7、se复合物。XIAP的BIR3可结合caspase-9形成异源二聚体，使之丧失催化活性。 在被诱导发生凋亡的细胞中发现XIAP蛋白被切割为两个片段，端部分含有BIR1-Linker-BIR2结构域，能够拮抗Fas诱导的凋亡，但是这种作用不如完整的XIAP蛋白有效，而C端含BIR3和RING锌指结构的片段没有抗Fas诱导的凋亡的能力，但是可以几乎完全拮抗Bax诱导的凋亡。XIAP的蛋白酶切也许可以更好的调节抑制细胞凋亡的作用范围，以适应各种不同的凋亡刺激。 蛋白降解是细胞发挥正常功能、维持正常的细胞周期、激活转录因子、去除损伤和错误折叠的蛋白的必要环节。被降解的蛋白需与泛素分子耦连,这个过程由泛

8、素激活酶1、偶联酶2和泛素连接酶3等参与。XIAP具有RING锌指结构介导的3泛素连接酶活性，能催化自身泛素化和其靶分子的泛素化降解过程。因此XIAP还可以特异性靶向caspases，使其被泛素化降解，保护细胞避免凋亡。而RING区的突变可使E3连接酶活性丧失，使XIAP不能发生自体泛素化降解，抑制了细胞凋亡。 2.2通过参与信号转导途径抑制凋亡XIAP是一种多功能生物分子,能参与受体介导的信号转导。XIAP的BIR区介导了和BMP（bone morphogenic protein）的作用，并通过RING锌指结构和BMP受体相互作用。这种相互作用能够介导下游信号分子TAB1（属MAPKKK成员

9、）的活化，这是其他IAPs家族蛋白所无法代替的。活化的TAB1可激活TAK1（TGF- activated kinase 1）信号途径。这表明XIAP可作为一种TAB1-TAK1的接头蛋白。 XIAP还可选择性激活MAPK信号途径另一个激酶JNK1（c-jun N-terminal kinase 1），这种作用依赖BIR结构和BIR间的连接区。XIAP和BMP受体结合后,激活了TAB1-TAK1-JNK1级联反应途径,这可能介导了对caspase-1诱导凋亡的抑制。 当有外界刺激时，XIAP等的表达能诱导NF-B的活化，保护细胞免受炎症因子TNF，IL-1，LPS等介导的细胞凋亡4。此外， X

10、IAP与细胞存活激酶途径PI3K（phosphoinositide 3 kinase）/Akt的相互作用也是促使细胞逃避凋亡的机制之一。 3XIAP与肿瘤多药耐药的关系 肿瘤产生的耐药性是肿瘤术后化疗失败的只要原因之一6。肿瘤多药耐药，即一种药物作用于肿瘤使之产生耐药性后，该肿瘤同时对另一些未接触过的、化学结构无关、作用机制完全不同的多种抗肿瘤药物也产生交叉耐药性的现象。大量研究表明诱导细胞凋亡是许多化学结构不同、作用靶点各异的化疗药物杀伤肿瘤细胞的共同通路。XIAP的表达和活性异常可能作用于肿瘤细胞拮抗化疗药物诱导的凋亡，因此，肿瘤细胞通过逃逸凋亡或拮抗凋亡获得生存这一途径，或许对于解释肿瘤

11、MDR更具有普遍意义7。 研究发现，过表达高半胱氨酸蛋白61（cysteina rich 61，Cyr61）的乳腺癌MCF-7细胞能拮抗紫杉醇、表柔比星以及beta-lapachone等多种药物诱导的凋亡，其中XIAP的mRNA及蛋白均有明显的增加，而使用XIAP反义寡核苷酸治疗后，XIAP水平下调能够明显逆转该细胞对多种药物诱导凋亡的拮抗8。在移行细胞癌细胞中也发现升高的XIAP是发生多药耐药的一个重要因素9。Mansouri等10、Sasaki等1发现XIAP可能是决定卵巢癌的化疗敏感性的关键因素。黑色素瘤是最富侵袭性的皮肤癌,对多种抗癌药物高度耐药，在其中也观察到XIAP的广泛表达2，研

12、究发现XIAP能够保护黑素瘤细胞避免肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体（TNFrelated apoptosisinducing ligand，TRAIL）介导的凋亡3。对比研究人HL-60细胞系和它的多药耐药变异株HL-60R细胞系，发现HL-60R中XIAP的mRNAs和蛋白显著过表达14。Campone等15用亚致死剂量的表柔比星持续作用于HL-60细胞，使之发生获得性化学耐药,能同时耐受P-gp和非P-gp作用物介导的凋亡，而这种对凋亡的拮抗证明是源于诱导了细胞内XIAP的表达。这些结果均证明XIAP的表达和活性异常的确对肿瘤细胞的多药耐药的产生有明显影响。 4通过抑制XIAP逆转肿瘤多药耐

13、药 细胞中过表达的XIAP导致了对凋亡的抑制，这在肿瘤化疗发生多药耐药中起着重要作用，特异性XIAP抑制剂可使肿瘤细胞的凋亡增加，逆转肿瘤对化疗药物的耐药性。从理论上说，可以从不同的生物学水平实现对XIAP表达的抑制。 4.1在核酸水平抑制XIAP反义技术、RNA干扰技术等都是通过不同的方式把与XIAP的mRNA互补的DNA或RNA小分子导入恶性肿瘤细胞，以抑制其蛋白翻译，诱导其mRNA分子的降解。 以腺病毒为媒介转导反义XIAP，能够降低XIAP蛋白的水平，增加细胞对化疗药物诱导的凋亡的敏感性11-14。但是由于这种方法有感染的风险，在临床上的应用受到限制。相比而言，反义寡核苷酸更安全更易于

14、使用。在对不同细胞系的研究中（膀胱癌、乳腺癌、卵巢癌、非小细胞性肺癌、急性髓细胞性白血病、前列腺癌等），均发现XIAP反义寡核苷酸的使用下调了XIAP的mRNA水平，导致细胞对几种常用化疗药的耐药性明显降低16-19。可见反义核酸技术在逆转肿瘤多药耐药的应用中有着很好的前景。 双链RNA在体内被加工成1923 bp大小的片段，这些片段被称为小片段干扰RNA（siRNA）， 并与许多胞内RNA诱导沉默复合物（RISC）蛋白，在siRNA 的指导下，RISC可以识别并降解目的mRNA，高效、特异地阻断体内特定基因表达20。研究发现，siRNAs可以阻断XIAP对药物诱导凋亡的抵抗，增加细胞凋亡，在

15、逆转人乳腺癌MCF-7细胞以及人胶质瘤细胞的化疗耐药中起到重要作用21，22。因此，siRNAs可能会是逆转多药耐药的有力工具。 另外，5端的IRES序列能够促使XIAP的mRNA在各种应激如放疗和化疗中有效的翻译表达以拮抗凋亡，这使其也成为一个有吸引力的治疗靶点。 4.2调节或阻断XIAP蛋白的功能抑制XIAP蛋白的功能，通常是设计适当的小分子，使其能够特异性连接靶蛋白，抑制其生物学功能。一种途径是在XIAP高表达的肿瘤细胞中使用单克隆抗体，干扰XIAP的抗凋亡作用，从而诱导凋亡。另一种途径是利用XIAP的负性调节因子，如XAF1、Smac以及Omi等，抑制XIAP的表达，诱导凋亡，逆转肿瘤

16、的化疗耐药。研究发现，当用XAF1阻断XIAP的活性时，XIAP的表达下调，显著增强了肿瘤细胞的凋亡，改善了其对化疗药物的低敏感性3。Smac也能够拮抗XIAP，降低细胞对化疗药物的耐药性。近来发现的新的XIAP小分子拮抗剂，结构类似于Smac，含有与Smac N末端残基处相同的AVPI序列，能够通过氢键与XIAP的Bir3结构域结合，抑制XIAP表达，诱导细胞凋亡，可能对于治疗由于XIAP过表达而抵抗药物诱导凋亡的癌症有重要作用4。但是，应用于临床前，必须对其蛋白水解的稳定性、细胞通透性和药动学等方面做进一步的改进。 当前，一种新途径引起了更多关注，即使用组合化学文库挑选能够作为XIAP拮抗

17、剂的药理学小分子。有研究发现一种广谱抗肿瘤活性的小分子，能够逆转XIAP介导的对caspase 3的抑制作用，增加肿瘤细胞对化疗的敏感性5。 此外，XIAP作为NF-kappaB的激活目的基因之一，能被NF-kappa B的抑制剂I-kappa B所抑制。在hl60的多药耐药变异株HL-60R中，发现抑制NF-kappa B可能是阻断XIAP上调的有效的方法，改善了细胞对药物诱导凋亡的拮抗4。而在乳腺癌MCF-7细胞使用DN-Ikappa B阻断NF-kappa B活性也能有效的降低升高的XIAP水平，逆转细胞对多种药物诱导凋亡的不敏感8。因此，这也是一个值得尝试的抑制XIAP逆转MDR的方向

18、。 5结语 XIAP介导的凋亡抑制可能是肿瘤细胞发生MDR的一种机制，同时也提示XIAP基因及其表达产物可能成为逆转肿瘤细胞MDR、提高化疗效果的新靶点。尽管许多化合物具有体外逆转MDR，的作用，但是在临床应用中,未能取得满意结果。多药耐药是目前肿瘤治疗中的一个难题，逆转肿瘤多药耐药，尚需进一步的研究和探索。【参考文献】 1 Holcik M, Korneluk RG. XIAP, the guardian angelJ. Nat Rev Mol Cell Biol, 2001,2（7）: 550-556.2 Holcik M, Gibson H, Robert G, et al. XIAP:

19、 apoptotic brake and promising therapeutic targetJ. Apoptosis, 2001,6（4）: 253-261.3 Suzuki Y, Nakabayashi Y, Nakata K, et al. X-linked inhibitor of apoptosis protein（XIAP） inhibits caspase-3 and -7 in distinct modesJ. J Biol Chem, 2001,276（29）:27058-27063.4 Hofer-Warbinek R, Schmid JA, Stehlik C, et

20、 al. Activation of NF-kappa B by XIAP, the X chromosome-linked inhibitor of apoptosis, in endothelial cells involves TAK1J. J Biol Chem, 2000, 275（29）:22064-22068. 5 Zhang J, Li Y, Shen B. PI3-K/Akt pathway contributes to IL-6-dependent growth of 7TD1 cellsJ. Cancer Cell Int, 2003,3（1）:1-8.6 赵旭，陈孝平，

21、何松青，等. TRAIL联合表柔比星诱导肝癌耐药株凋亡的实验研究J.消化外科，2005，4（3）：202-207.7 Hannun YA. Apoptosis and the dilemma of cancer chemotherapyJ.Blood, 1997, 89（6）:1845-1853.8 Lin MT, Chang CC, Chen ST, et al. Cyr61 expression confers resistance to apoptosis in breast cancer MCF-7 cells by a mechanism of NF-kappaB-dependent

22、 XIAP up-regulationJ. J Biol Chem, 2004,279（23）: 24015-24023.9 Bilim V, Kasahara T, Hara N, et al. Role of XIAP in the malignant phenotype of transitional cell cancer （TCC） and therapeutic activity of XIAP antisense oligonucleotides against multidrug-resistant TCC in vitroJ. Int J Cancer, 2003,103（1

23、）: 29-37.10 Mansouri A, Zhang Q, Ridgway LD, et al. Cisplatin resistance in an ovarian carcinoma is associated with a defect in programmed cell death control through XIAP regulationJ. Oncol Res, 2003,13（6-10）:399-404.11 Sasaki H, Sheng Y, Kotsuji F. Down-regulation of X-linked inhibitor of apoptosis

24、 protein induces apoptosis in chemoresistant human ovarian cancer cellsJ. Cancer Res, 2000,60（20）:5659-5666.12 Soengas MS, Lowe SW. Apoptosis and melanoma chemoresistanceJ. Oncogene, 2003, 22（20）: 3138-3151.13 Zhang XD, Zhang XY, Gran CP, et al. Tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligan

25、d-induced apoptosis of human melanoma is regulated by smac/DIABLO release from mitochondriaJ. Cancer Res, 2001, 61（19）: 7339-7348.14 Notarbartolo M, Cervello M, Poma P, et al. Expression of the IAPs in multidrug resistant tumor cellsJ. Oncol Rep, 2004,11（1）:133-136.15 Campone M, Vavasseur F, Le-Cabe

26、llec MT, et al. Induction of chemoresistance in HL-60 cells concomitantly causes a resistance to apoptosis and the synthesis of P-glycoproteinJ. Leukemia, 2001,15（9）:1377-1387. 16 Li J, Feng Q, Kim JM, et al. Human ovarian cancer and cisplatin resistance: possible role of inhibitor of apoptosis prot

27、einsJ. Endocrinology, 2001,142（1）:122-130.17 Hu Y, Cherton-Horvat G, Dragowska V, et al. Antisense oligonucleotides targeting XIAP induce apoptosis and enhance chemotherapeutic activity against human lung cancer cells in vitro and in vivoJ. Clin Cancer Res, 2003, 9（7）:2826-2836.18 Carter BZ, Milella

28、 M, Tsao T, et al. Regulation and targeting of antiapoptotic XIAP in acute myeloid leukemiaJ. Leukemia, 2003, 17（11）:2081-2089.19 Amantana A, London CA, Iversen PL, et al. X-linked inhibitor of apoptosis protein inhibition induces apoptosis and enhances chemotherapy sensitivity in human prostate can

29、cer cellsJ. Mol Cancer Ther, 2004,3（6）: 699-707.20 高鹏.肿瘤多药耐药及其基因治疗J.中国现代普通外科进展，2005，8（2）：72-75.21 Lima RT, Martins LM, Guimaraes JE, et al. Specific downregulation of bcl-2 and XIAP by RNAi enhances the effects of chemotherapeutic agents in MCF-7 human breast cancer cellsJ. Cancer Gene Ther, 2004,11

30、（5）: 309-316.22 Hatano M, Mizuno M, Yoshida J. Enhancement of C2-ceramide antitumor activity by small interfering RNA on X chromosome-linked inhibitor of apoptosis protein in resistant human glioma cellsJ. J Neurosurg, 2004,101（1）:119-127.23 Yang L, Cao Z, Yan H, et al. Coexistence of high levels of

31、 apoptotic signaling and inhibitor of apoptosis proteins in human tumor cells: implication for cancer specific therapyJ. Cancer Res, 2003 ,63（20）:6815-6824.24 Cheol-Min P, Chaohong S, b Edward T, et al. Non-peptidic small molecule inhibitors of XIAPJ. Bioorg Med Chem Lett, 2005,15（3）: 771-775.25 Schimmer AD, Welsh K, Pinilla C, et al. Small-molecule antagonists of apoptosis suppressor XIAP exhibit broad antitumor activityJ. Cancer Cell, 2004,5（1）:25-35.