细胞外atp驱动的入侵过程的突破

关键字

ATP, HIF信号;癌症,入侵

评论

最近，一篇题为《细胞外ATP通过缺氧诱导因子2α信号通路促进乳腺癌侵袭和上皮-间质转化》的原创文章发表在cancer Science [1]。在本文中，我们首次证明了细胞外ATP在常氧条件下也能上调HIF-1/2α和HIF信号相关基因。此外，通过transwell入侵实验，我们证实HIF-2α介导了atp驱动的入侵。此外，我们发现ATP可以通过P2Y2-AKT-PGK1通路调控HIF-2α，激发HIF-2α靶基因，LOXL2和MMP-9介导ATP驱动的侵袭，E-cadherin和Snail介导ATP诱导的上皮-间充质转化(EMT)。我们还通过异种移植模型证明了HIF-2α在促进肿瘤生长和转移中的作用。此外，参与ATP-HIF信号通路的分子与乳腺癌的临床进展相关，这表明ATP-HIF信号通路可能是乳腺癌治疗的潜在靶点(图1）.

介绍

细胞外ATP积聚在肿瘤部位

ATP是人类细胞中最常见的能量分子，介导多种生物功能[2]。细胞外ATP在健康组织中可以忽略不计[3.，4]同时在肿瘤部位大量积累[5，6]在肿瘤微环境(TME)中可能达到数百μmol/L [4，5]。肿瘤微环境中的细胞外ATP主要由死亡的肿瘤细胞释放[6，7]。早在2008年，Pellegatti等人使用质膜荧光素酶报道，当信号饱和于700 μM ATP以上时，肿瘤间质中ATP的浓度在数百微摩尔范围，甚至可能更高^{［8]。此外，Virgilio等人使用pmeLUC探针明确证明，在组织损伤、炎症、TME和肿瘤转移部位，细胞外ATP也可能高达数百微摩尔[7]。近年来，所有用于测量细胞外ATP浓度的技术都给出了相同的答案:在健康组织中ATP水平非常低，而在刺激或病变组织中ATP水平可达数百μmol/L，这对肿瘤生物学产生了重大影响［9，10]。}

细胞外ATP在癌症中的先前研究

我们的团队首次证明了细胞外ATP在癌症中的促侵袭功能^{［11，12]。1992年，方WG报道细胞外ATP可通过p2 -嘌呤能受体抑制雄激素非依赖性前列腺癌细胞的生长。他们发现，100μM ATP刺激可使前列腺癌细胞Ca2+动员达到最大，从而引起下游信号转导[12]。在此之后，我们的团队开始研究参与ATP信号传导的下游效应子，并在ATP驱动的入侵机制方面取得了很大进展。2005年，Chen等报道细胞外ATP可通过G蛋白偶联P2Y嘌呤受体激活ERK1/2和p38蛋白激酶信号通路，促进前列腺癌细胞侵袭[11]。这项工作为细胞外ATP-P2受体的下游信号通路促进癌细胞侵袭提供了重要线索。进一步，为了研究介导ATP驱动侵袭过程的靶基因，Li等利用P2Y2- sirna处理前列腺癌细胞进行cDNA微阵列，发现ATP可以促进IL-8和Snail的表达，同时通过P2Y2受体抑制E-cadherin和cladin -1水平，调节肿瘤EMT和侵袭[13]。他们还证明了P2Y2受体和EGFR的合作通过ERK1/2途径促进前列腺癌细胞的侵袭[14]。已知P2X7受体也是癌细胞高表达的重要通道，介导多种肿瘤生物学功能[15，16]。Qiu等利用P2X7-siRNA处理前列腺癌细胞，发现EMT/侵袭相关基因Snail、E-cadherin、cladin -1、IL-8和MMP-3以及PI3K/AKT和ERK1/2信号通路发生显著改变，这些基因在癌症侵袭转移中起着至关重要的作用[17]。}

近年来，我们发现除了前列腺癌，细胞外ATP在乳腺癌细胞中也起着重要作用。2017年，Zhang等报道了通过ATP-P2Y2信号通路刺激Wnt信号及其下游靶基因CD44、c-Myc和cyclin D1，促进乳腺癌细胞在体外和体内的侵袭[18]。2018年，Liu等人开始探索细胞外ATP在肿瘤细胞和周围成纤维细胞上的功能，这两者都被认为是TME的主要组成部分[19]。因此，我们发现ATP除了通过上调癌细胞胞内S100A4刺激乳腺癌细胞运动外，还增强了乳腺癌细胞将成纤维细胞转化为癌症相关成纤维细胞(CAF)样细胞的能力，从而分泌S100A4进一步促进癌细胞运动。本工作将ATP治疗中乳腺癌细胞与成纤维细胞之间的相互作用联系起来，首次证明了两者的合作促进了乳腺癌的侵袭和转移。

虽然细胞外ATP促进肿瘤侵袭的机制已被研究，但仍涉及多个基因或信号，有待进一步研究。

HIF-2α介导肿瘤侵袭的前期研究

低氧诱导因子2α (HIF - 2α)是一个包含转录因子的基本螺旋-环-螺旋/PAS结构域的成员，显示出与低氧诱导因子1α (HIF - 1α)高度同源性[20.]。众所周知，HIF-1α主要介导快速(急性)反应，HIF-2α介导晚期(慢性)缺氧反应[21]。HIF‐1α和HIF‐2α均可通过激活不同的靶基因介导低氧胁迫下的基因转激活，并介导肿瘤侵袭过程[22，23]。HIF‐1α的功能在以前已经被很好地描述，但尚未发现HIF-2α的专属信号，近年来HIF‐2α在肿瘤中的显著影响成为一个相对较新的话题[21]。此外，有证据表明，O2水平可以决定hif的伴侣蛋白和靶基因[24]，表明在缺氧和常氧条件下HIF-2α信号的调控甚至可能有所不同。基于我们之前的结果，KEGG通路分析表明，在无缺氧的ATP处理下HIF-2α信号通路富集。常氧条件下HIF-2α信号通路的调控尚不清楚，也有待进一步探索。

视角

细胞外ATP前侵袭功能和HIF信号之间的新联系

Yang等在本文中首次证明了在常氧条件下细胞外ATP可以刺激HIF信号通路^{［1]。利用cDNA芯片，我们发现HIF2A和其他参与HIF信号通路的靶基因可以被调控}

24小时ATP处理。事实上，值得注意的是，HIF-1α是短暂稳定的，主要介导急性反应，而HIF-2α是逐渐积累的，并支配长时间的基因激活^{［21]。我们假设HIF-1α也可能通过细胞外ATP在某些指定的时间点上调，可能早于24小时ATP治疗。事实上，我们证明了细胞外ATP在常氧条件下可以在不同时间点激活HIF-1α和HIF-2α信号，这为ATP信号通路和HIF信号通路在无缺氧胁迫下存在新的联系提供了重要线索。}

事实上，hif经常在肿瘤中共表达[25]，从而提出了它们在ATP介导的肿瘤侵袭转移中的具体作用。答案不仅在于哪些基因被HIF-1α或HIF-2α转录，而且在于HIF-1α和HIF-2α稳定、具有转录活性并随后被缺氧调节基因利用的条件[21，26]。我们研究的另一个新发现是，虽然HIF-1α和HIF-2α都对ATP处理有反应，但我们首次证明了HIF-2α及其靶基因介导了ATP驱动的EMT和侵袭功能。值得注意的是，有证据表明，肿瘤在体内的侵袭和转移活动是一个复杂的过程，包括原发肿瘤细胞-细胞粘附的丧失、迁移、侵袭和植入形成继发肿瘤^{［27]。因此，除了transwell侵袭实验外，我们还研究了EMT过程，这两项实验都为HIF-2α参与ATP驱动的肿瘤侵袭提供了有力证据。}

细胞外ATP调控HIF信号通路的新机制

本文通过银条染色和质谱分析，发现PGK1蛋白在常氧条件下可以与HIF-2α相互作用。此外，我们证明PGK1也可以调节HIF-2α，这很有趣，因为PGK1已被证明是许多细胞中的hif -1α靶基因[28，29]。我们证明了AKT信号，而不是HIF-1α，在ATP治疗中介导PGK1- HIF-2α。事实上，早在2005年，我们团队的研究就已经揭示了AKT信号通路在常氧条件下参与bFGF驱动的HIF‐1α激活[30.]。在这里，我们想要解释的结果是，由于HIF‐1α和HIF‐2α具有48%的氨基酸同一性和相似的蛋白质结构，因此它们在分子信号通路中可能显示出独特和重叠的模式^{［31]。综上所述，我们团队的两项工作都为HIF信号通路的机制提供了重要的指导，为阐明常氧条件下HIF的调控铺平了道路，这一领域目前还没有得到很好的研究。}

ATP- HIF-2α靶基因的新发现

hif与大多数缺氧诱导基因的调控直接或间接相关。此前世界范围内的研究已经在一些不同的O2系列中验证了hif -2α调控基因。例如，Holmquist-Mengelbier等人证明SERPINB9在5%氧条件下可以作为HIF-2α靶基因，与转移性黑色素瘤相关，并预测间变大细胞淋巴瘤的不良预后^{［21]。此外，还有多个作为hif缺氧反应靶基因的基因，如DEC1/BHLHB2、NDRG1、STC1、VEGF和TRIO［32-34]。然而，很少有研究涉及接近生理氧张力的hif。}

在本文中[1]，我们重点研究了ATP驱动的过程，并证明了HIF-2α直接结合到入侵相关基因LOXL2和MMP‐9的启动子，以及EMT相关基因E‐cadherin和Snail，直接明确地表明HIF-2α高度参与了ATP驱动的生理氧紧张过程的调节。事实上，我们发现HIF-2α及其靶基因都与乳腺癌的临床进展有关，这表明我们研究中ATP- HIF-2α靶基因的信号通路可能在不久的将来为临床乳腺癌治疗提供重要的靶点。”

局限性和未来应用

本研究的局限性在于，我们尚未研究P2Y2受体介导ATP- HIF-2α信号通路的详细机制。事实上，有几种P2受体可以介导细胞外atp驱动的入侵，如P2X7 [17]。而P2Y2受体如何调控下游HIF信号通路以及是否有其他受体参与这一过程尚不清楚，还需要进一步的实验来探索这一ATP-P2受体-HIF信号通路。在这里，我们认为我们的文章中最重要的新奇之处是发现了ATP-HIF信号，我们将在不久的将来继续研究P2受体。

尽管本研究存在一定的局限性，但我们在细胞外ATP驱动的入侵过程方面取得了突破性进展。

结论

综上所述，我们首次证明了在常氧条件下细胞外ATP与HIF信号通路之间的联系，并阐明了其中的机制，包括HIF-2α相互作用蛋白和靶基因。而本文研究的机制无疑将加深对HIF信号通路的认识，ATP- HIF-2α轴靶点的研究将为临床乳腺癌治疗提供思路。

利益冲突

作者宣称他们没有竞争利益。

结论

本研究得到国家自然科学基金项目(no . 81872382和81621063)田欣霞和方伟刚的资助。

参考文献

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