Elafin具有独特的结构域和调控特性,主要功能体现在对中性粒细胞来源的弹性蛋白酶抑制。人中性粒细胞弹性蛋白酶(HNE)是由中性粒细胞释放的一种蛋白酶,可以消化、降解细胞外基质。在生理条件下HNE可以协助清除异源性物质,促进吞噬细胞消除有害病菌,并帮助消化受损组织,有助于伤口的愈合和组织再生。病理环境下,HNE不受控制的产生与各种炎症状态以及肿瘤的增殖和转移有关[1,2]。Elafin作为其抑制剂可以在一定程度上减轻HNE对人体的伤害。

在过去的二十几年里,不同的研究小组证明了elafin在控制炎症与抵抗微生物等方面具有重要作用,我们对elafin的这些功能做了一个归纳。炎症与肿瘤的发生发展息息相关,近几年有文献报道了elafin在癌症方面的作用。Elafin在多种不同的肿瘤中表达水平不一,对肿瘤细胞的增殖、迁移和侵袭以及肿瘤的预后等多种方面具有影响,提示elafin可能作为一些肿瘤的治疗靶标。本文分析了elafin与癌症之间存在关系的相关证据,以期望为癌症治疗提供新思路。

1、Elafin的特征

1.1Elafin的分子结构

Elafin最初由WIEDOW等人在银屑病患者的皮肤中发现[3],随后被SALLENAVE等人从肺炎病人的痰液中分离出来,并将其命名为弹性蛋白酶特异性抑制剂[4]。Elafin是由位于人第22号染色体q12-13的PI3基因编码。PI3基因最开始编码一个由117个氨基酸构成的elafin前体蛋白原,前体蛋白原降解N端前22个氨基酸(信号肽)形成前体蛋白(pre-elafin/trappin-2)。前体蛋白由N端和C端两个结构域组成:C端由57个氨基酸组成,具有乳酸清蛋白(WAP)结构域,该结构域由四个二硫键组成,热稳定性好,且能在强酸强碱中稳定存在,抗肽酶活性完全包含在WAP结构域中,因此C端主要负责弹性蛋白酶的抑制。N端由38个氨基酸组成,包含五个富含谷氨酰胺和赖氨酸的重复序列[5],它提供谷氨酰胺转胺酶的底物,谷氨酰胺和赖氨酸分别作为酰基供体和受体,使细胞外基质(ECM)中的elafin能够通过组织特异性转谷酰胺酶而相互交联,并可能作为HNE的组织结合抑制剂存在于细胞外基质中。谷氨酰胺转氨酶底物区和WAP/4-二硫化物的这种结合与其他的被称为“trappins”的蛋白有相似之处。Elafin主要来源于黏膜,尤其是上皮细胞、体腔内细胞以及炎性细胞,在肺、皮肤、生殖道等黏膜表面也有表达[6]。Elafin结构示意图见图1。

图1Elafin结构示意图

1.2Elafin生物学功能

1.2.1抗炎症反应

结构决定功能,elafin蛋白的C端具有抑制弹性蛋白酶的结构。在炎症反应过程中,中性粒细胞被激活刺激弹性蛋白酶的释放。弹性蛋白酶在启动和维持炎症中起着关键作用。Elafin对弹性蛋白酶的抑制将炎症反应控制在适当的程度,避免过度的炎症反应对组织机体的损伤。

Elafin的表达明显受宿主炎症状态的影响,并进一步影响炎症反应的进程。文献报道在银屑病患者的血清中elafin水平显著增高[7]。在皮肤的移植物抗宿主病中,所有患者的免疫组化结果elafin表达呈阳性[8,9]。在这两种疾病中,elafin可能起到抵抗炎症的作用,作为皮肤损伤的保护剂。活动性炎症性肠病(IBD)患者elafin降低,且与疾病活性呈负相关。Elafin可作为评价IBD患者疾病活性的指标[10]。进一步研究表明肠道中elafin水平的升高可以保护肠道免受炎症过度反应的伤害[11]。来自Inserm和Inra的科学家们设计出了能产生elafin的遗传工程细菌,并成功得到能表达elafin的乳酸乳球菌和干酪乳杆菌两种食品级乳酸菌。在急性和慢性结肠炎的小鼠模型中,口服表达elafin的乳酸菌降低了肠道炎症反应,进一步的研究表明肠道中的elafin降低了弹性蛋白酶的分解活性,促进了细胞愈合从而帮助肠道恢复稳态[12,13]。文献报道高氧诱导弹性蛋白酶表达增加,导致肺弹性蛋白降解,引起肺泡发育异常。Elafin可以防止弹性蛋白降解造成的肺结构损伤[14]。此结论在小鼠体内取得证实,重组elafin通过抑制小鼠肺弹性蛋白酶活性使p-EGFR和klf4(kruppel样因子4)表达从而促进肺生长[15,16]。研究报道在脂多糖(LPS)诱导的肺炎症小鼠模型中,elafin重组蛋白显著抑制肺炎小鼠支气管肺泡灌洗液(BAL)中的巨噬细胞炎性蛋白-2(MIP-2)和角质形成细胞化学引诱物(KC)表达水平,抑制高达84%的中性粒细胞流入肺泡腔[17]。有研究报道将编码elafin的基因引入嫁接后的血管中,可有效减少血管嫁接早期的炎症发生和细胞外弹性蛋白量,提示elafin具有防止血管粥样硬化的效果[18,19]。这些结果提示elafin在多种疾病中控制炎症反应过程,在抑制过度炎症损伤中发挥着重要作用。

1.2.2抗微生物

SIMPSON和他的团队最先发现,elafin除了抑制蛋白酶的功能外还表现出抗微生物的特性。与抗蛋白酶活性不同的是,抗蛋白酶活性仅存在于elafin的C端结构域,而抗微生物活性部位则在N端[20,21]。这种抗微生物特性可能源于elafin是高度阳离子性质的蛋白质。阳离子肽段可以与细胞外膜结合,改变外膜的稳定性,增加对其他杀菌化合物的敏感性[20]。文献报道elafin对铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌有抗菌活性[20,22],对其他呼吸道病原体如肺炎克雷伯菌、流感嗜血杆菌、肺炎链球菌、卡他莫拉菌、致病性真菌烟曲霉和白色念珠菌也有显著的抗菌活性[21]。研究证实利用腺病毒介导的elafin基因过表达可显著提高细胞对金黄色葡萄球菌的清除[23,24]。不仅如此,ROUSSILHON等人报道elafin还具有抗寄生虫特性,在脑型疟疾小鼠模型中具有体内保护作用[25]。

Elafin除了抗细菌真菌寄生虫等作用外,还具有抗病毒的功能。文献报道与HIV-1易感性工作者(CSWs)相比,HIV-1抵抗性工作者(HIV-R)的宫颈阴道灌洗液(CVLs)含有大量elafin[26,27]。宫颈阴道灌洗液是抗HIV-1因子的天然来源,elafin可能是CVL中主要的抗HIV-1分子[25,26,27,28]。LQBAL等研究人员证实elafin在HIV感染的自然保护中发挥着重要作用。虽然其作用机制目前尚未明确,但研究人员根据elafin在维持组织完整性中的作用猜测,其可能有助于维持完整的生殖器黏膜屏障[29]。JASINGHE等人证明重组elafin在HIV病毒复制周期的早期阶段干扰其复制[30]。DRANNIK等人发现elafin可降低IL-8的分泌、抑制NF-κB信号的激活、抑制HIV的附着和胞吞[27]。以上的结果显示elafin在抗微生物和抗病毒中均发挥一定的作用。

2、Elafin与肿瘤

炎症在肿瘤发展的不同阶段起着重要作用,包括起始、进展、恶性转化、侵袭和转移[31,32,33]。肿瘤通常是由基因突变导致的,炎症微环境能够增加细胞突变的频率,并增加突变细胞的增殖能力[34]。中性粒细胞是炎症环境中的重要组成成分,在肿瘤组织中,中性粒细胞可通过降解细胞外基质、增加肿瘤细胞增殖和转移、增强血管生成等多方面作用来促进肿瘤进展[35]。Elafin具有抗炎症反应的功能,这种抗炎症作用在肿瘤的发生发展抑制中发挥着重要作用。一方面elafin可以抑制中性粒细胞来源的弹性蛋白酶降解基质,抑制肿瘤细胞的侵袭和转移,从而抑制肿瘤的扩散[36]。另一方面elafin可能保护细胞周期蛋白E不被细胞弹性蛋白酶水解,从而调节细胞周期的进展[36]。我们猜想中性粒细胞弹性蛋白酶/elafin失衡可能参与了肿瘤的进展。

2.1Elafin与乳腺癌

乳腺癌是女性常见的恶性肿瘤之一,乳腺癌细胞的转移更是导致女性患者死亡的主要原因[37]。在乳腺癌中,弹性蛋白酶具有降解细胞外基质的作用,可以帮助肿瘤细胞从原发部位发生转移[38]。Elafin作为弹性蛋白酶抑制剂可以在一定程度上影响乳腺癌的进展。

Elafin在大多数乳腺癌细胞中低表达[39]。研究表明MCF-7和T47D等乳腺癌细胞系中过表达elafin可抑制细胞的生长[39]。HUNT等发现elafin是通过抑制弹性蛋白酶的功能来抑制乳腺癌肿瘤细胞的增殖、迁移和侵袭,并通过裸鼠成瘤实验证实了elafin的肿瘤抑制作用[40,41]。有研究报道乳腺癌细胞中弹性蛋白酶可以刺激细胞周期蛋白E(CyclinE)裂解成低分子量的亚型,从而促进细胞增殖[42,43]。Elafin可能通过保护CyclinE不被细胞弹性蛋白酶水解,从而调节细胞周期的进展。CyclinE高表达可促使细胞通过G1期,过度增殖形成肿瘤,其在多种肿瘤中有基因扩增和过表达,被证实是一种癌基因。CARUSO[44]和他的团队同样发现elafin在乳腺癌细胞中具有抑癌作用,elafin在乳腺癌细胞中的表达导致乳腺癌细胞周期阻滞或细胞凋亡。成视网膜细胞瘤(Rb)基因,是一种重要的肿瘤抑制基因,在Rb功能正常的乳腺癌细胞中,elafin可导致G0-G1细胞周期阻滞。当Rb丢失或失活时,elafin导致caspase-3依赖性细胞凋亡[45]。

CARUSO等[44]在elafin敲除的正常人乳腺上皮细胞(HMECs)中加入中性粒细胞弹性蛋白酶(NE)后,这些细胞对NE的促生长作用变得更为敏感。该结果提示乳腺癌中elafin的缺失可能导致NE活性增强从而促进肿瘤生长[41]。有报道显示转移相关蛋白(MTA)家族成员MTA1的过表达可下调elafin,激活NE促进乳腺癌进展[46]。虽然elafin在乳腺癌中低表达,但仍有60%的乳腺癌组织中存在elafin阳性细胞。这些患者的肿瘤分期分级以及复发率往往更高,患者的无复发生存期(RFS)和总生存期(OS)明显降低[39]。总而言之,NE和它的抑制剂elafin之间的不平衡可能是乳腺癌中一个重要的治疗靶点。

2.2Elafin与卵巢癌

卵巢癌是女性生殖系统常见的恶性肿瘤,发病率居第二,死亡率居第一,大部分患者在手术和药物治疗后18月复发,最终导致化疗耐药[47]。与乳腺癌不同的是,elafin在卵巢癌中的表达水平与疾病的进展呈正相关,与患者的生存率呈负相关。有elafin表达的卵巢细胞是具有侵袭性的,这些患者通常预后不良[39]。高级别浆液性卵巢癌(HGSOC)是卵巢癌的主要组织学类型[48],恶性程度高,容易出现转移。文献报道elafin在HGSOC细胞中过表达,且与HGSOC患者生存期缩短有关。Elafin通过激活MEK-ERK信号通路,特别是激活JNK亚群中ATF-2和c-JUN的磷酸化诱导卵巢癌细胞增殖[49]。划痕实验证实过表达elafin的卵巢癌细胞迁移率增加[49]。这些结果提示elafin在卵巢癌中具有促肿瘤作用。在卵巢癌中,elafin表达的增高往往也与化疗耐药相关,Elafin下调增加了顺铂介导的caspase的激活以及最终的细胞凋亡,elafin的上调降低了上皮性卵巢癌细胞(EOC)对顺铂的敏感性[50]。最近的研究提示,elafin与细胞因子和淋巴因子的产生有关[51]。在化疗前和化疗后对EOC样本进行免疫组织学检查,可检测出elafin的表达以预测哪些患者不太适合再服用顺铂和其他的类似药物。监测血清中的elafin也可以为临床提供参考。然而,elafin如何增加细胞耐药的机制尚不清楚,elafin与药物作用之间的相关性值得关注。

2.3Elafin与结直肠癌

结直肠癌是与炎症性肠病(IBD)密切相关的癌症,这种病程模式被广泛认为是“炎症-异型增生-癌”,炎症状态显示结直肠癌的风险增加[52,53]。多项研究已经证实外源性提供elafin可能是治疗IBD的一种方法。在结肠癌中,LIU等研究证明elafin在癌组织中的表达明显高于邻近非癌组织,这与TCGA数据库上的结果是一致的[54],这可能是由elafin在炎症状态下的适应性升高所导致。进一步研究显示elafin的表达与临床分期在蛋白水平上相关,elafin在结直肠癌的早期表达升高。这可能导致外源性elafin治疗结直肠癌的局限性。作者将elafin高表达组和低表达组患者进行生存分析,并没有发现统计学差异[54]。目前关于elafin在结直肠癌中的报道很少,elafin在结直肠癌发生发展中的作用有待进一步基础研究。

2.4Elafin与黑色素瘤

恶性黑色素瘤具有高转移性,对药物诱导的细胞凋亡具有耐药性,对生命威胁极大。研究表明elafin在黑色素瘤组织的表达降低,在黑色素瘤细胞中过表达elafin基因具有促进细胞凋亡的作用,且对正常的黑色素细胞没有影响。进一步的实验证明elafin是通过p53依赖的内在凋亡通路诱导黑色素瘤细胞凋亡[55]。在黑色素瘤细胞移植瘤小鼠模型中,用elafin治疗使小鼠肿瘤体积明显变小。YU[55]等发现elafin的表达是通过转录因子Foxa2的表观遗传学调控表达来调控的,elafin启动子中的Foxa2结合位点对启动子的激活至关重要。用DNA甲基转移酶抑制剂可诱导elafin的表达从而治疗黑素瘤。这些研究成果都对未来黑色素瘤的治疗提供了新的方向。

2.5Elafin与食管癌

在食管癌中,elafin表达与肿瘤的分化程度显著相关。Elafin在角化明显的鳞状表型肿瘤细胞巢中有较强的表达,在中分化或低分化的鳞状细胞癌中未发现表达[56]。在肿瘤细胞巢中,具有elafin表达的细胞中常常观察到DNA降解片段,提示elafin可能会诱导鳞状细胞癌细胞的分化和凋亡。研究发现基质金属蛋白酶9(MMP9)在食管癌中高表达并通过调控snail影响食管鳞癌EMT进程和侵袭转移[57]。Elafin作为MMP9的抑制剂可能在一定程度上抑制食管癌的侵袭和转移[22,58]。Elafin可能成为治疗食管癌的新方法。

3、小结与展望

目前elafin在抵抗微生物和抵抗炎症反应方面的作用已经得到了大量实验的证实。现有研究显示在临床中尝试补充蛋白酶抑制剂的方案是合理的[59],elafin作为治疗剂可进一步治疗肺部和肠道的慢性炎症。未来的挑战是如何在炎症的情况下改进给药方法,以及如何筛选更有可能适合elafin等蛋白酶抑制剂使用的患者。

本综述中我们总结了elafin蛋白在多种肿瘤中的作用,包括细胞的增殖和迁移等多个方面。目前部分研究结果并不是完全一致,比如,elafin在乳腺癌中是低表达,而在卵巢癌、结直肠癌和黑色素瘤中表达增加。在乳腺癌细胞中,elafin可以抑制细胞的增殖,研究表明这是通过抑制弹性蛋白酶发挥的作用。然而在卵巢癌中,elafin又激活MEK-ERK信号通路促进了细胞的增殖。Elafin在不同的肿瘤中对细胞的生长作用不尽相同,还需要多个实验来探索和验证其分子机制。细胞增殖方面,有研究者报道在角化细胞培养中,添加弹性蛋白酶会释放转化生长因子α(TGFα)使表皮生长因子受体(EGFR)激活。Elafin可以抑制这种弹性酶诱导的角化细胞活化和增生[60,61,62]。Elafin抑制增殖的作用在小鼠体内也得到了证实。总而言之,elafin通过多方面的作用影响着细胞生长。Elafin在肿瘤中的多效性表达,其在肿瘤中发挥着不同的作用机制,需要在不同的肿瘤中验证。关于elafin如何影响肿瘤发生发展的分子机制研究的还比较少,进一步的研究可多从不同肿瘤中研究elafin对肿瘤的增殖、侵袭和耐药方面的作用及其机制。Elafin可能成为临床中肿瘤治疗的潜在靶点。

蒋静,屈佳肴,王丽,李香凝,贺荣章,罗迪贤.Elafin的功能及在肿瘤中的研究进展[J].现代肿瘤医学,2021,29(07):1275-1279.

基金:国家自然基金(编号:81372825);湖南省自然科学基金项目(编号:2019JJ50022,2017JJ2003);湖南省自然科学杰出青年基金(编号:B2018JJ1021);湖南省临床医疗技术创新引导项目(编号:2017SK51101)