Research and Therapeutic Advances of 26S Proteasome Subunit in Non-small Cell Lung Cancer

TL;DR

This paper reviews the role of 26S proteasome subunits in non-small cell lung cancer and explores the potential of proteasome inhibitors as treatments.

Contribution

The paper provides a comprehensive overview of proteasome subunit functions and inhibitor mechanisms in NSCLC.

Findings

26S proteasome subunits regulate tumor progression through multiple signaling pathways in NSCLC.

Proteasome inhibitors show anti-tumor effects when combined with conventional chemotherapy.

Toxicity and tumor heterogeneity limit the clinical use of proteasome-targeted therapies.

Abstract

肺癌是全球最常见的癌症之一，也是癌症死亡的第一大原因。肺腺癌是最常见的肺癌类型。由于在肺腺癌的增殖和转移过程中缺乏有效的生物标志物及治疗靶点，肺腺癌的总体治疗不容乐观。因此，需要寻找肺腺癌治疗的新思路及方法。26S蛋白酶体是一种负责降解错误折叠蛋白并维持细胞内蛋白质稳态的多蛋白复合物。在非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer, NSCLC）的发展过程中，26S蛋白酶体的调节颗粒亚基通过调节肿瘤相关蛋白、免疫细胞以及相关信号通路，促进肿瘤的恶性进展。蛋白酶体核心颗粒是降解蛋白质的关键亚基，其抑制剂在与常规化疗药物联合使用时显示出良好的抗肿瘤效果。然而，受限于毒副作用和肿瘤异质性，目前针对26S蛋白酶体的靶向抑制剂在NSCLC治疗中的应用仍不广泛。本文综述了26S蛋白酶体调节颗粒亚基和核心颗粒亚基在NSCLC的作用机制及相关治疗研究，探讨了这些抑制剂在临床应用中的潜力。

Names and functions of proteasome subunits associated with the pathogenesis of non-small cell lung cancer

Targets and mechanisms of action of proteasome inhibitors

Tables

表 1. 与非小细胞肺癌发病机制相关的蛋白酶体亚基的名称及功能

Proteasome subunit	Another name	Change in NSCLC	Function	Reference
Rpn3	PSMD3	Upregulation	Inhibition of ILF3 degradation and regulation of proliferation and metastasis	[22]
Rpn5	PSMD12	Upregulation	Promotion of Nrf2 nuclear translocation; regulation ofTrxR1 transcription and promotion of proliferation and metastasis	[23]
Rpn11	PSMD14	Upregulation	Degradation of p53 protein and inhibition of apoptosis	[24]
Rpn8	PSMD7	Upregulation	Degradation of p53 protein and promotion of proliferation	[25]
Rpn1	PSMD2	Upregulation	Regulation of p21 and immune cells to promote proliferation and metastasis	[26,27]
Rpn2	PSMD1	Upregulation	Regulation of ECM-receptors and immune cell infiltration	[28]
Rpt4	PSMC6	Upregulation	Promotion of proliferation by degrading Axin1 and activating the Wnt signalling pathway	[29]
PSMA7	-	Upregulation	Controversial	[30]

表 2. 蛋白酶体抑制剂的作用靶点及机制

Target	Inhibitor	Mechanism	Reference
Rpn11	8TQ, OPA, THL	Inhibition of deubiquitinating enzyme activity	[40]
Rpt4	RIP-1	Inhibition of protein unfolding activity of 19S regulatory particle	[54,55]
Rpn13	RA190	Inhibition of substrate recognition by 19S regulatory particle	[56]
Rpn6	TXS-8	Integrity of the 26S proteasome	[57]
PSMB5	Bortezomib, Carfilzomib	Inhibition of protein hydrolyzing activity of 20S core particle	[58]

Full text

肺癌是全世界范围内影响人类健康的重要疾病，据统计2022年肺癌新发病例和死亡率均居全球肿瘤第一位^[1]^。中国肺癌的发病率和死亡率均超过全球平均水平，在所有肿瘤中位居第一位^[2]^。从病理学的角度肺癌被划分为非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer, NSCLC）和小细胞肺癌^[3]^，其中NSCLC占80%左右^[4]^。近年来，NSCLC的治疗方式包括手术切除、化疗、放疗、分子靶向及免疫治疗^[5]^，但由于个体差异、肿瘤异质性、药物的毒副作用和耐药等问题，使得患者平均5年生存率仍不足20%^[6]^。因此，寻找新的肿瘤标志物和有效的药物治疗靶点对NSCLC患者的早期诊断、精准治疗及预后具有重要意义。

泛素蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system, UPS）是真核细胞中降解错误折叠蛋白质的主要途径^[7]^。该系统由泛素、泛素酶、去泛素化酶以及26S蛋白酶体组成^[8]^。26S蛋白酶体凭借其独特的结构及功能，在维持蛋白质稳态和调控细胞过程等方面发挥着重要作用^[9]^。受基因组不稳定性和快速增殖性等因素影响，恶性肿瘤在发生、发展过程中可产生大量破坏及错误折叠的蛋白质，这对肿瘤细胞而言往往是致命的^[10]^。为缓解这一蛋白毒性压力，肿瘤细胞内26S蛋白酶体活性普遍增强^[11]^。因此，抑制26S蛋白酶体的活性可为NSCLC的治疗提供新的思路^[12]^。然而，要实现26S蛋白酶体抑制剂在NSCLC治疗上的广泛应用，仍需要克服肿瘤异质性、药物安全性及耐药性等挑战。本文将综述26S蛋白酶体在NSCLC进展中的机制与功能，并展望其在NSCLC发展中的研究方向及临床应用。

1 26S蛋白酶体的分子结构和生物学功能

26S蛋白酶体是一种相对分子量为2.5 MDa的蛋白水解复合物。它由两部分组成，分别是19S调节颗粒和20S核心颗粒^[13]^。20S核心颗粒由4个堆叠的七聚体环构成，形成α_1-7_-β_1-7_-β_1-7_-α_1-7_的立体结构。位于20S核心颗粒内部的蛋白酶体亚基β型5（proteasome subunit beta type 5, PSMB5）、PSMB6和PSMB7分别具有凝乳胰蛋白酶、半胱天冬酶及胰蛋白酶样蛋白水解活性^[14]^，是蛋白质降解的主要功能亚基。19S调节颗粒由“盖子”（lid）和“底座”（base）构成，并结合于20S核心颗粒的两端^[15]^。19S调节颗粒依赖腺苷三磷酸（adenosine triphosphate, ATP）水解供能，识别泛素标记的靶蛋白并将其转运至核心颗粒中，最终将蛋白质水解为小肽段^[16]^。目前越来越多的研究发现，26S蛋白酶体不仅是UPS降解异常蛋白质的关键环节^[17]^，还广泛参与多种生理过程，包括细胞周期、DNA复制、转录、信号传导、应激反应和炎症机制等^[13]^。研究^[18??-21]^还表明，26S蛋白酶体通过影响肿瘤相关蛋白[如p53、p21和PTEN诱导激酶1（PTEN induced putative kinase, PINK1）等]及转录因子的降解过程，参与NSCLC侵袭转移、增殖和免疫逃逸等多种恶性生物学行为（表1）。

表 1: 与非小细胞肺癌发病机制相关的蛋白酶体亚基的名称及功能

2 19S调节颗粒亚基在NSCLC中的研究进展

“盖子”由9个调节颗粒非ATP酶亚基（regulatory particle non-ATPase subunit, Rpn）构成^[31]^，包括Rpn3、Rpn5-9、Rpn11、Rpn12和Rpn15^[32]^。除了Rpn15之外，其余亚基的C-末端具有较高的保守性，能够形成螺旋束，在盖子组装过程中发挥指导作用^[33]^。调节颗粒的“底座”由两种类型的亚基构成，一类由Rpn1、Rpn2、Rpn10和Rpn13组成，其中泛素受体Rpn1、Rpn10和Rpn13可以结合被泛素标记的蛋白；另一类是由6个不同的调节颗粒AAA ATP酶（regulatory particle triple ATPase, Rpt）构成的六聚杂环（Rpt1-Rpt2-Rpt6-Rpt3-Rpt4-Rpt5）。它们在ATP的帮助下，对泛素受体识别的底物施加“拉力”，并将其展开并转运到核心颗粒的肽酶腔中^[34]^。在此过程中，19S调节颗粒亚基（如Rpn1^[35]^、Rpn2^[36]^、Rpn3^[22]^、Rpn5^[23]^、Rpn8及Rpn11^[37]^）已被证实通过调控肿瘤相关蛋白稳定性及免疫微环境参与NSCLC恶性进展。

2.1 Rpn3与Rpn5促进NSCLC细胞增殖与转移

Rpn3位于染色体ch17q21区域，该区域与多种肿瘤的恶性进展相关^[38]^。研究^[22]^发现，NSCLC组织中Rpn3表达显著升高，且与肿瘤侵袭、转移及患者不良预后相关。白介素增强结合因子3（interleukin enhancer binding factor 3, ILF3）与表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor, EGFR）在NSCLC中高表达，并促进NSCLC的恶性进展，两者呈正相关关系^[39]^。Zhang等^[22]^研究发现，Rpn3通过抑制ILF3的降解，促进NSCLC细胞的增殖及转移。然而，Rpn3是否通过ILF3调控EGFR的表达，仍需要进一步研究。另有研究^[23]^表明，Rpn5通过抑制核因子E2相关因子2（nuclear factor E2 related factor, Nrf2）的降解并促进其核易位，激活硫氧还蛋白还原酶1（thioredoxin reductase 1, TrxR1）转录，从而促进NSCLC细胞的增殖和转移。

2.2 Rpn8与Rpn11通过促进p53蛋白的降解促进NSCLC细胞增殖

Rpn8与Rpn11是19S调节颗粒中具有去泛素化功能的关键亚基。它们通过形成异源二聚体，共同催化底物蛋白去泛素化过程，是26S蛋白酶体中泛素化底物高效率降解的重要组成部分^[40]^。同时，它们通过影响靶蛋白稳定性和细胞内信号传导，参与NSCLC的恶性进展^[37]^。Lei等^[41]^发现，在184例NSCLC患者中Rpn11高表达与淋巴结转移、肿瘤原发灶-淋巴结-转移（tumor-node-metastasis, TNM）分期及患者不良预后呈正相关，提示其可作为独立预后因子。Zhang等^[24]^通过癌症基因组图谱（The Cancer Genome Atlas, TCGA）数据库分析，也证实了这一结果。肿瘤抑制因子p53的降解高度依赖于Rpn11^[42,43]^。进一步研究^[24]^发现，敲除Rpn11后，p53的蛋白稳定性显著增加，导致肺腺癌细胞周期阻滞、细胞凋亡和衰老。类似地，敲除Rpn8后，也能增加p53蛋白的表达，进而抑制NSCLC的恶性进展，但其具体作用机制尚不明确^[25]^。值得注意的是，两者协同作用可能构成p53蛋白稳态的双重调控网络。

2.3 Rpn1和Rpn2对NSCLC预后及免疫微环境的影响

肿瘤微环境（tumor microenvironment, TME）是肿瘤细胞赖以生存和发展的细胞环境，包括免疫细胞、成纤维细胞、细胞外基质（extracellular matrix, ECM）等^[44]^。免疫微环境的重新编辑能够通过释放促生长信号、中间代谢物和重塑组织结构等途径，在NSCLC的发生、进展和转移中起关键作用^[45]^。由于26S蛋白酶体亚基可以通过调控免疫细胞以及ECM进而影响TME的功能紊乱，这可能是目前针对肺癌为主的恶性肿瘤相关免疫治疗效果不佳的重要原因^[46]^。因此，深入研究26S蛋白酶体在NSCLC TME中的作用，对提高免疫治疗的效果具有重要的意义。

研究^[35]^表明，Rpn1在肺腺癌中的表达显著升高，与肿瘤转移及不良预后有关。进一步研究^[26]^发现，Rpn1过表达通过抑制p21蛋白，促进NSCLC细胞的增殖与迁移。此外，Rpn1通过与免疫细胞相互作用，促进了包括乳腺癌^[47]^和NSCLC^[48]^在内的多种肿瘤的细胞增殖。Zhang等^[27]^发现，Rpn1表达水平与NSCLC中免疫浸润细胞的类型及浸润程度有关：在肺腺癌中Rpn1促进M0/M1型巨噬细胞极化并抑制B记忆细胞浸润，而在肺鳞癌中Rpn1负向调控CD8^+ ^T细胞及中性粒细胞浸润。这些差异提示，Rpn1可能通过影响免疫细胞浸润，从而影响NSCLC预后。然而，TME是一个复杂的动态系统，Rpn1的具体作用机制仍需进一步研究验证。

ECM是TME的重要组成部分，包含纤维蛋白、多糖和胶原蛋白等。Rpn2通过与ECM-受体相互作用，激活磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B（phosphoinositide 3-kinase/protein kinase B, PI3K/Akt）、Wnt、Src-FAK和Rho-GTPases等通路，促进NSCLC的发生和发展^[36]^。此外，Rpn2通过结合配对相关同源盒转录因子2（pair-related homeobox transcription factor 2, PRRX2），调节CD4^+^ T细胞、中性粒细胞和树突状细胞的表达，进而改变TME，提示其可能通过调控ECM和免疫细胞浸润的相互作用，影响NSCLC的预后^[28]^。

2.4 Rpt亚基在NSCLC中的研究进展

Rpt4作为19S调节颗粒中的一个关键亚基，扮演着“引导”底物进入20S核心颗粒进行降解的关键角色。Wnt信号通路对细胞的生长、分化至关重要，轴抑制蛋白1（axis inhibition protein 1, Axin1）是Wnt信号通路的一个重要抑制因子。在NSCLC中Rpt4的表达水平与NSCLC的临床特征（淋巴结转移、肿瘤分期等）密切相关^[49]^。更具体地说，Rpt4通过降解Axin1，进而激活Wnt信号通路，使得NSCLC细胞得以加速生长和转移^[29]^。此外，Rpt家族中的其他成员（如Rpt1^[50]^）在NSCLC中高表达，并与肿瘤分化程度呈正相关，但具体机制有待深入研究。

3 20S核心颗粒在NSCLC中的研究进展

当泛素标记的底物由19S调节颗粒识别并转运至20S核心颗粒的肽酶腔后，腔内的PSMB5、PSMB6和PSMB7亚基将底物催化裂解成小的肽段。然而，目前关于20S核心颗粒与NSCLC直接相关的研究较少。通过TCGA数据库分析，Li等^[51]^研究发现蛋白酶体α7亚基（proteasome subunit α7, PSMA7）在肺腺癌中显著高表达，并且患者的总生存期更差。但在异种移植模型中，PSMA7却表现出抑癌作用^[30]^，这可能与PSMA7介导的泛素蛋白酶体系统降解癌基因和抑癌基因在内的降解平衡有关，但其在NSCLC中的作用仍存在争议，需要进一步深入研究。

4 26S蛋白酶体抑制剂在NSCLC治疗中的应用及临床转化进展

4.1 19S调节颗粒在NSCLC中的靶向治疗研究进展

近年来研究^[52]^发现19S调节颗粒内一些在肿瘤细胞中高表达的亚基，具有除了蛋白酶体本身降解蛋白以外的促癌功能。深入探索其在NSCLC中的调控机制，可为肿瘤治疗提供新靶点。随着对19S调节颗粒结构及其分子机制的解析，针对其关键靶点（如泛素受体、去泛素化酶^[53]^）的抑制剂逐渐成为研究热点（表2^[40,54???-58]^）。例如，调节颗粒抑制肽-1（regulatory particle inhibitor peptoid-1, RIP-1）通过结合Rpt4，阻碍底物的展开与转运^[54]^，抑制p27降解并诱导G_1_/S期细胞周期阻滞^[55]^；双苄叉基哌啶酮（bisbenzylidinepiperidinone, RA190）与Rpn13结合，导致多泛素化蛋白质的积累，并最终引起细胞死亡。近年来，研究^[56]^发现，利用蛋白水解靶向嵌合体技术，将RA190等多种药物与E3泛素连接酶偶联，对Rpn13进行靶向降解，显著降低耐药性并增强抑瘤效果；8-巯基喹啉（8-thioquinoline, 8TQ）、1,10-菲罗啉（O-phenanthroline, OPA）和硫藤黄素（thiolutin, THL）通过螯合Zn^2+^抑制Rpn11的活性^[40,52]^；小分子探针（如TXS-8）特异性结合Rpn6，有效干扰并破坏26S蛋白酶体的组装稳定性^[57]^。尽管上述抑制剂在体内外模型中展现出显著抗肿瘤活性，目前仍缺乏关于19S调节颗粒亚基抑制剂的临床试验报道。未来研究需进一步阐明19S调节颗粒亚基在NSCLC中的具体作用机制，建立疗效预测模型，并充分评估靶向药物的安全性。

表 2: 蛋白酶体抑制剂的作用靶点及机制

4.2 20S核心颗粒抑制剂在NSCLC治疗中的进展与挑战

目前，20S核心颗粒靶向药物的研发在晶体结构研究的支持下取得了巨大的进步，特别是部分靶向药物已进入NSCLC相关临床试验阶段（表2）。硼替佐米作为靶向PSMB5的可逆性抑制剂，是目前临床研究最深入的蛋白酶体靶向药物，尤其在多发性骨髓瘤的治疗中具有显著疗效。硼替佐米抗肿瘤作用机制具有多维度特征，其主要通过抑制蛋白酶体功能调节细胞内蛋白质的稳态，进而影响细胞周期、细胞凋亡和代谢途径^[58]^。Yang等^[59]^研究发现，硼替佐米通过磷酸化作用降低NSCLC细胞中抗凋亡基因Bcl-2的表达水平，促进肿瘤细胞的凋亡。不幸的是，硼替佐米在晚期肺腺癌患者的临床试验中未观察到客观缓解^[60]^，主要原因是硼替佐米抑制蛋白酶体活性的同时会激活核因子κB（nuclear factor κB, NF-κB）和PI3K/Akt抗凋亡通路，导致肿瘤细胞耐药^[61]^。值得注意的是，Lee等^[62]^研究发现，通过17-丙烯胺-17去甲氧格尔德霉素对NSCLC细胞进行干预后，可同时抑制NF-κB和PI3K/Akt促癌信号通路的激活，从而协同增强硼替佐米的抗肿瘤活性。这提示硼替佐米联合其他药物对治疗NSCLC具有不错的应用前景。进一步的临床研究^[63]^发现，硼替佐米联合多西他赛比单独服用硼替佐米治疗具有更长的中位疾病进展时间（4.0 vs 1.4个月）和中位无进展生存期（3.1 vs 1.5个月）。然而，部分NSCLC患者在使用硼替佐米治疗后发生了白细胞减少、神经毒性和耐药等毒副作用^[64]^。相比于硼替佐米，第二代蛋白酶体抑制剂卡非佐米的毒副作用更小，且对PSMB5的选择性更高。Yang等^[65]^研究发现，卡非佐米通过蛋白激酶B/转录因子叉头盒蛋白O3a（protein kinase B/forkhead box O3a, AKT/FOXO3a）途径上调生长阻滞和DNA损伤诱导蛋白45（growth arrest and DNA damage-inducible 45, Gadd45）的表达，促使肺腺癌细胞G_2_/M期阻滞和凋亡。另一项研究^[66]^表明，卡非佐米其联合吉西他滨，能有效抑制NSCLC细胞增殖和转移，相关机制仍需进一步研究。此外，Zhou等^[67]^研究发现，卡非佐米联合程序性死亡受体1（programmed cell death protein 1, PD-1）抑制剂可以重塑肿瘤相关巨噬细胞（tumor-associated macrophage, TAM）（M2型巨噬细胞转化为M1型巨噬细胞），从而使更多的CD8^+ ^T细胞浸润并控制体内肿瘤。然而，这些靶向药物由于缺乏合适的生物标志物、联合治疗策略的复杂性以及肿瘤异质性，使其临床应用受到了阻碍。未来的研究应进一步探索这些抑制剂在NSCLC治疗中的潜力，特别是在结合免疫治疗和分子靶向治疗的联合策略以及靶向药物疗效动态监测方面。更重要的是，新型药物的研制应降低耐药和毒副作用的临床应用限制，这将为NSCLC患者提供更加个性化的治疗方案，有望显著改善患者的预后和生存率^[68]^。

5 结语与展望

总的来说，26S蛋白酶体通过调节关键蛋白的表达或降解，在NSCLC的恶性进展中起到了至关重要的作用。II期临床试验表明，针对蛋白酶体核心颗粒的抑制剂在NSCLC治疗中展现出良好的应用前景，特别是在与常规化疗药物联合使用时表现出显著的抗肿瘤效果。然而，目前仍缺乏充分的临床证据来支持这些发现，且针对26S蛋白酶体各亚基在NSCLC相关蛋白相互作用的机制研究也较为有限。因此，未来的研究需要更加全面、深入地探讨26S蛋白酶体在NSCLC中的调控机制，并通过系统研究为蛋白酶体抑制剂在NSCLC治疗中的应用提供更为坚实的理论依据，进一步的临床研究将是验证这些抑制剂疗效并推动其临床应用的关键。