2019, Vol. 45扩展功能
文章信息
- 武丹, 曾林祥
- PTEN在特发性肺纤维化中作用的研究进展
- Progress research in role of PTEN in idiopathic pulmonary fibrosis
- 吉林大学学报(医学版), 2019, 45(01): 202-205
- Journal of Jilin University (Medicine Edition), 2019, 45(01): 202-205
- 10.13481/j.1671-587x.20190138
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文章历史
- 收稿日期: 2018-02-26
特发性肺纤维化(idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)是一种慢性、进行性和致死性纤维化肺病。IPF的特征在于肺泡上皮细胞损伤和活化，肌成纤维细胞灶形成和细胞外基质(extracellular matrix, ECM)在肺实质中的积累，最终导致肺结构的逐渐破坏[1-2]。IPF是一种罕见的肺部疾病，目前国内外对于IPF的研究多采用小样本队列研究，因此国内外对于IPF流行病学的研究存在差异。2011年美国胸科学会(ATS)/欧洲呼吸学会(ERS)/日本呼吸学会(JRS)/拉丁美洲胸科学会(ALAT) IPF临床实践指南取得了巨大进展，但是IPF的发病机制仍然不明确[3]。IPF的患病人群主要是老年人，患病率随着年龄的增加而升高，以75岁以上为最高，其死亡率与终末期肺癌相似[4]。目前研究普遍认为IPF中成纤维细胞及肺泡上皮细胞的异常增殖类似于恶性肿瘤中异常增殖过程。第10号染色体同源丢失性磷酸酶-张力蛋白基因(phosphatase and tensin homology deleted on chromosome ten，PTEN)起初被定义为染色体10q23区频繁丢失的肿瘤抑制因子，是继p53基因之后，另一个改变较为广泛且与肿瘤发生有密切关联的抑癌基因。但是最近的研究[5-7]表明：PTEN活性或者表达水平的改变参与非恶性疾病的发生，如系统性红斑狼疮、心肌、肾脏、肝脏和IPF。分析PTEN与IPF之间重要的调控网络及生理病理过程，可能为临床诊治IPF提供新的靶标。目前国内外对于PTEN在肺纤维化中作用的论述较少，侧重于上皮间质转化(epithelial-to-mesenchymal transition, EMT)、成纤维细胞表型转化和自噬等方面的论述尚未见报道。本文作者就PTEN在IPF发生中的作用进行综述。
1 PTEN在IPF中的表达许多研究[8-14]已经证实：IPF肺组织中PTEN的表达降低。XIE等[8]采用酶联免疫吸附测定(ELISA)实验分析42例中国IPF患者和42名健康对照者的血清PTEN蛋白水平发现：IPF患者血清中PTEN蛋白水平降低。GENG等[9]发现：IPF患者肺组织PTEN免疫组织化学染色较弱。在转化生长因子β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)诱导的肺成纤维细胞表型转化模型中，PTEN mRNA和蛋白水平也较低[10]。同样，IPF肺泡上皮细胞(alveolar epithelial cells，AECs)具有更低的PTEN蛋白表达水平[11]。在博来霉素诱导的IPF小鼠模型中，IPF小鼠PTEN mRNA转录水平和蛋白表达水平降低[12]。OEHRLE等[13]采用3D侵袭测定对肺成纤维细胞的侵袭表型进行检测发现：具有侵袭表型的成纤维细胞中PTEN基因水平和转录水平下调。有研究[14]表明：骨髓PTEN缺陷地小鼠能够产生更多的促纤维化细胞因子，用博莱霉素处理骨髓PTEN缺陷小鼠时，小鼠存活率降低且间质胶原沉积增加。综上所述，无论是在人、小鼠还是细胞水平，PTEN缺陷均可以在IPF中复制，可见PTEN与IPF有密切关联。
2 PTEN与肺成纤维细胞表型转化IPF的标志性病变是成纤维细胞病灶，即增殖性成纤维细胞和肌成纤维细胞的聚集体。成纤维细胞能够产生和分泌细胞外基质(extracellular matrix，ECM)的所有成分，包括结构蛋白、黏着蛋白、糖胺聚糖和蛋白聚糖[14]。成纤维细胞并不是一种终末分化的细胞类型，其保留了分化成为肌成纤维细胞的潜能。肌成纤维细胞功能活跃, 胶原合成能力较成纤维细胞明显增强, 是纤维化疾病中合成ECM的最主要的细胞类型[15]，而α平滑肌肌动蛋白(alpha smooth muscle actin，α-SMA)是肌成纤维细胞的标志蛋白[16]。随着研究的深入，现已发现PTEN可能参与成纤维细胞向肌成纤维细胞表型转化的调节。IPF患者肺组织成纤维细胞病灶中PTEN表达减少[9]。外源性给予TGF-β1处理，肺成纤维细胞中PTEN的转录水平和蛋白表达水平降低，且PTEN水平与α-SMA表达水平呈负相关关系[10]。GENG等[17]采用PTEN siRNA转染MRC-5细胞48h，与空白组细胞比较，MRC-5 PTENsi细胞中α-SMA和Ⅰ型胶原蛋白表达水平明显增高，且TGF-β1的表达和分泌明显增加。HE等[18]研究显示：过表达的PTEN通过调节磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)-蛋白激酶B(Akt)-糖原合成酶激酶3β(GSK3β)通路抑制α-SMA表达。XIE等[8]研究发现：过表达的PTEN通过抑制PI3K-Akt通路和TGF-β1/Smad3通路抑制TGF-β1的致纤维化作用，同时TGF-β1的下游靶标α-SMA和基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)低表达。
3 PTEN与EMTEMT即立方形的上皮细胞转化成成纤维样梭形细胞，同时上皮细胞标志物E-钙黏蛋白(E-cadherin)表达减少，间质标志物α-SMA和N-钙黏蛋白(N-cadherin)表达增加[19]。在IPF中，肺泡上皮细胞转化成活化的肌成纤维细胞，其分泌大量的ECM并积聚在肺组织中，最终导致肺泡结构破坏[20]。OHBAYASHI等[21]用甲氨蝶呤(methotrexate，MTX)处理小鼠诱导肺纤维化发现：小鼠肺泡上皮细胞获得成纤维细胞表型，同时间质标记物α-SMA高表达、上皮标记物E-cadherin低表达。TAN等[20]采用TGF-β1处理人肺泡上皮细胞发现：TGF-β1处理的肺泡上皮细胞高表达α-SMA，同时E-cadherin低表达。在支气管肺泡上皮特异性PTEN缺失的小鼠[11]中观察到：上皮细胞间紧密连接遭到破坏，上皮细胞来源的肌成纤维细胞数量增加。FLODBY等[22]研究显示：PTEN缺失小鼠的支气管上皮细胞和Ⅱ型肺泡上皮细胞中E-cadherin和β-连环蛋白的表达降低，同时间质标记物N-cadherin和成纤维细胞特异性蛋白1(fibroblast-specific protein-1，FSP-1)的表达明显增加。
4 PTEN与细胞自噬自噬是一个细胞内过程，主要负责蛋白质的转换和再循环，还可以通过溶酶体的消化作用来清除受损的细胞器和细胞内病原体，通过降解不必要的元素来参与维持能源和质量平衡[23-24]。自噬过程开始于隔离膜的形成以及吞噬特定细胞底物形成自噬体，随后自噬体与溶酶体融合，通过溶酶体酶的降解作用生成小分子物质，用于合成代谢途径[25]。自噬的状态通常通过在电子显微镜下观察自噬体的数量以及通过标记蛋白Beclin-1和微管相关蛋白质轻链3(LC3-Ⅱ)的水平来评估[12]。LC3和Beclin-1是酵母自噬相关蛋白(AGT)的哺乳动物同源物，为自噬过程所必需，可以作为自噬过程的标记物[26-27]。虽然自噬被认为是维持细胞体内平衡的正常生理步骤，但自噬的调节与多种人类疾病过程有关，包括IPF。AGT对于自噬体的形成至关重要，ATG5敲低介导的自噬抑制诱导表达Ⅰ型胶原和α-SMA的肌成纤维细胞分化，且与TGF-β处理诱导的肌成纤维细胞分化水平相当[28]。IM等[29]研究显示：与对照细胞比较，大多数IPF成纤维细胞中LC3B蛋白水平降低。LC3从LC3-Ⅰ(游离形式)转换为LC3-Ⅱ(磷脂酰乙醇胺缀合体)是自噬体形成的关键步骤。ARAYA等[30]用siRNA转染肺成纤维细胞，敲低LC3B和ATG5的表达水平，结果显示：LC3-Ⅰ向LC3-Ⅱ的转换减少，同时α-SMA和Ⅰ型胶原表达水平增加，表明自噬抑制可能参与肺成纤维细胞表型转化。
PTEN可能通过调控自噬参与IPF的调节。NHO等[31]研究显示：在Ⅰ型聚合胶原上培养IPF成纤维细胞，异常的PTEN/Akt轴激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)，高表达的mTOR抑制自噬活性，且IPF成纤维细胞的死亡减少。在博来霉素诱导的肺纤维化动物模型中Beclin-1和LC3基因和蛋白表达水平降低，并且低表达的PTEN激活PI3K-Akt-mTOR通路，表明PTEN可能通过PI3K-Akt-mTOR通路调控自噬从而参与IPF过程[12]。研究[29]显示：Akt下游靶标FoxO3a可以通过结合LC3B的启动子激活LC3B的转录和翻译，IPF中高活性的Akt抑制FoxO3a活性从而抑制自噬水平。PTEN诱导假定激酶1(PTEN-induced putative kinase 1，PINK1)是由PTEN诱导的丝氨酸/苏氨酸激酶，且PINK1的表达水平与PTEN的表达水平一致[32-33]。PINK1缺陷可引起线粒体形态、膜电位的异常和功能障碍，可能涉及自噬和凋亡过程[34]。PINK1可以快速通过生物功能良好的线粒体的内膜，而在功能失调的线粒体上，PINK1可以选择性地蓄积并通过泛素连接酶Parkin诱导受损线粒体的降解。采用TGF-β1处理正常人肺成纤维细胞，PINK1通过调节P62蛋白促进成纤维细胞表型转化过程及引起线粒体自噬缺陷[35]。PATEL等[36]研究发现：在IPF肺组织及TGF-β1处理的肺上皮细胞可见PINK1在损伤的线粒体中积累，这有助于理解线粒体功能障碍在IPF中的作用。IPF患者肺组织中Ⅱ型肺泡上皮细胞PINK1低表达，功能障碍的线粒体积累，自噬通量受损；同时PINK1敲低的细胞或动物更容易发生细胞凋亡而发展成IPF[37]。
5 展望IPF发病机制复杂，缺乏有效的治疗手段，目前仍是威胁人类健康的世界难题。虽然，目前有关PTEN参与IPF发病的研究取得了一定的进展，但PTEN调控IPF的具体机制尚不明确。PTEN可能通过参与调控成纤维细胞/肌成纤维细胞表型转化、EMT和自噬过程参与IPF的发生发展，但其具体机制仍有待进一步研究。
| [1] | ZHANG S, LIU H, LIU Y, et al. MiR-30a as potential therapeutics by targeting TET1 through regulation of drp-1 promoter hydroxymethylation in idiopathic pulmonary fibrosis[J]. Int J Mol Sci, 2017, 18(3): 633. DOI:10.3390/ijms18030633 |
| [2] | MEYER K C, DECKER C A. Role of pirfenidone in the management of pulmonary fibrosis[J]. Ther Clin Risk Manag, 2017, 13: 427–437. DOI:10.2147/TCRM |
| [3] | TZOUVELEKIS A, TZILAS V, PAPIRIS S, et al. Diagnostic and prognostic challenges in idiopathic pulmonary fibrosis:A patient's "Q and a" approach[J]. Pulm Pharmacol Ther, 2017, 42: 21–24. DOI:10.1016/j.pupt.2016.12.002 |
| [4] | ZHU Q Q, ZHANG X L, ZHANG S M, et al. Association between the MUC5B promoter polymorphism rs35705950 and idiopathic pulmonary fibrosis:A meta-analysis and trial sequential analysis in caucasian and asian populations[J]. Medicine (Baltimore), 2015, 94(43): e1901. |
| [5] | NIE X, FAN J, LI H, et al. MiR-217 promotes cardiac hypertrophy and dysfunction by targeting PTEN[J]. Mol Ther Nucleic Acids, 2018, 12: 254–266. DOI:10.1016/j.omtn.2018.05.013 |
| [6] | LAN R, GENG H, POLICHNOWSKI A J, et al. PTEN loss defines a TGF-β-induced tubule phenotype of failed differentiation and JNK signaling during renal fibrosis[J]. Am J Physiol Renal Physiol, 2012, 302(9): F1210–F1223. DOI:10.1152/ajprenal.00660.2011 |
| [7] | HE L, CUBBINS J, PENG Z, et al. Activation of hepatic stellate cell in Pten null liver injury model[J]. Fibrogenesis Tissue Repair, 2016, 9: 8. DOI:10.1186/s13069-016-0045-1 |
| [8] | XIE B, ZHENG G, LI H, et al. Effects of the tumor suppressor PTEN on the pathogenesis of idiopathic pulmonary fibrosis in Chinese patients[J]. Mol Med Rep, 2016, 13(3): 2715–2723. DOI:10.3892/mmr.2016.4852 |
| [9] | GENG J, HUANG X, LI Y, et al. Down-regulation of USP13 mediates phenotype transformation of fibroblasts in idiopathic pulmonary fibrosis[J]. Respir Res, 2015, 16: 124. DOI:10.1186/s12931-015-0286-3 |
| [10] | FAGONE E, CONTE E, GILI E, et al. Resveratrol inhibits transforming growth factor-beta-induced proliferation and differentiation of ex vivo human lung fibroblasts into myofibroblasts through ERK/Akt inhibition and PTEN restoration[J]. Exp Lung Res, 2011, 37(3): 162–174. DOI:10.3109/01902148.2010.524722 |
| [11] | MIYOSHI K, YANGAGI S, KAWAHARA K, et al. Epithelial pten controls acute lung injury and fibrosis by regulating alveolar epithelial cell integrity[J]. Am J Resp Crit CareMed, 2013, 187(3): 262–275. DOI:10.1164/rccm.201205-0851OC |
| [12] | CHITRA P, SAIPRASAD G, MANIKANDAN R, et al. Berberine inhibits Smad and non-Smad signaling cascades and enhances autophagy against pulmonary fibrosis[J]. J Mol Med, 2015, 93(9): 1015–1031. DOI:10.1007/s00109-015-1283-1 |
| [13] | OEHRLE B, BURGSTALLER G, IRMLER M, et al. Validated prediction of pro-invasive growth factors using a transcriptome-wide invasion signature derived from a complex 3D invasion assay[J]. Sci Rep, 2015, 5: 12673. DOI:10.1038/srep12673 |
| [14] | KENDALL R T, FEGHALI-BOSTWICK C A. Fibroblasts in fibrosis:Novel roles and mediators[J]. Front Pharmacol, 2014, 5: 123. |
| [15] | XU L, YAN D R, ZHU S L, et al. KL-6 regulated the expression of HGF, collagen and myofibroblast differentiation[J]. Eur Rev Med Pharmacol Sci, 2013, 17(22): 3073–3077. |
| [16] | KEHTONEN S T, VEIJOLA A, KARVONEN H, et al. Pirfenidone and nintedanib modulate properties of fibroblasts and myofibroblasts in idiopathic pulmonary fibrosis[J]. Resp Res, 2016, 2016(17): 14–26. |
| [17] | GENG J, HUANG X, LI Y, et al. Phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome 10 contributes to phenotype transformation of fibroblasts in idiopathic pulmonary fibrosis via multiple pathways[J]. Exp Biol Med (Maywood), 2016, 241(2): 157–165. DOI:10.1177/1535370215600100 |
| [18] | HE Z, DENG Y, LI W, et al. Overexpression of PTEN suppresses lipopolysaccharide-induced lung fibroblast proliferation, differentiation and collagen secretion through inhibition of the PI3-K-Akt-GSK3beta pathway[J]. Cell Biosci, 2014, 4(1): 2. DOI:10.1186/2045-3701-4-2 |
| [19] | BAEK A R, LEE J M, SEO H J, et al. Apolipoprotein a1 inhibits TGF-beta1-Induced Epithelial-to-Mesenchymal transition of alveolar epithelial cells[J]. Tuberc Respir Dis, 2016, 79(3): 143–152. DOI:10.4046/trd.2016.79.3.143 |
| [20] | TAN W J, TAN Q Y, WANG T, et al. Calpain 1 regulates TGF-beta1-induced epithelial-mesenchymal transition in human lung epithelial cells via PI3K/Akt signaling pathway[J]. Am J Transl Res, 2017, 9(3): 1402–1409. |
| [21] | OHBAYASHI M, KUBOTA S, KAWASE A, et al. Involvement of epithelial-mesenchymal transition in methotrexate-induced pulmonary fibrosis[J]. J Toxicol Sci, 2014, 39(2): 319–330. DOI:10.2131/jts.39.319 |
| [22] | FLODBY P, LIEBLER J M, SUNOHARA M, et al. Region-specific role for Pten in maintenance of epithelial phenotype and integrity[J]. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol, 2017, 312(1): L131–L142. DOI:10.1152/ajplung.00005.2015 |
| [23] | ROMERO Y, BUENO M, RAMIREZ R, et al. MTORC1 activation decreases autophagy in aging and idiopathic pulmonary fibrosis and contributes to apoptosis resistance in IPF fibroblasts[J]. Aging Cell, 2016, 15(6): 1103–1112. DOI:10.1111/acel.2016.15.issue-6 |
| [24] | WANG S S, CHEN Y H, CHEN N, et al. Hydrogen sulfide promotes autophagy of hepatocellular carcinoma cells through the PI3K/Akt/mTOR signaling pathway[J]. Cell Death Dis, 2017, 8(3): e2688. DOI:10.1038/cddis.2017.18 |
| [25] | MARGARITOPOULOS G A, LASITHIOTAKI L, ANTONIOU K M. Toll-like receptors and autophagy in interstitial lung diseases[J]. Eur J Pharmacol, 2016, 808: 28–34. |
| [26] | MIZUSHIMA N, YOSHIMORI T, LEVINE B. Methods in mammalian autophagy research[J]. Cell, 2010, 140(3): 313–326. DOI:10.1016/j.cell.2010.01.028 |
| [27] | RICCI A, CHERUBINI E, SCOZZI D, et al. Decreased expression of autophagic beclin 1 protein in idiopathic pulmonary fibrosis fibroblasts[J]. J Cell Physiol, 2013, 228(7): 1516–1524. DOI:10.1002/jcp.24307 |
| [28] | KOBAYASHI K, ARAYA J, MINAGAWA S, et al. Involvement of PARK2-mediated mitophagy in idiopathic pulmonary fibrosis pathogenesis[J]. J Immunol, 2016, 197(2): 504–516. DOI:10.4049/jimmunol.1600265 |
| [29] | IM J, HERGERT P, NHO R S. Reduced FoxO3a expression causes low autophagy in idiopathic pulmonary fibrosis fibroblasts on collagen matrices[J]. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol, 2015, 309(6): L552–L561. DOI:10.1152/ajplung.00079.2015 |
| [30] | ARAYA J, KOJIMA J, TAKASAKA N, et al. Insufficient autophagy in idiopathic pulmonary fibrosis[J]. AJP Lung Cell Mol Physiol, 2013, 304(1): L56–L69. DOI:10.1152/ajplung.00213.2012 |
| [31] | NHO R S, HERGERT P. IPF fibroblasts are desensitized to type Ⅰ collagen matrix-induced cell death by suppressing low autophagy via aberrant Akt/mTOR kinases[J]. PLoS ONE, 2014, 9(4): e94616. DOI:10.1371/journal.pone.0094616 |
| [32] | LIANG H, HE S, YANG J, et al. PTENalpha, a PTEN isoform translated through alternative initiation, regulates mitochondrial function and energy metabolism[J]. Cell Metab, 2014, 19(5): 836–848. DOI:10.1016/j.cmet.2014.03.023 |
| [33] | OSGERBY L, LAI Y C, THORNTON P J, et al. Kinetin riboside and its ProTides activate the parkinson's disease associated PTEN-Induced putative kinase 1(PINK1) independent of mitochondrial depolarization[J]. J Med Chem, 2017, 60(8): 3518–3524. DOI:10.1021/acs.jmedchem.6b01897 |
| [34] | MATSUDA N, SATO S, SHIBA K, et al. PINK1 stabilized by mitochondrial depolarization recruits Parkin to damaged mitochondria and activates latent Parkin for mitophagy[J]. J Cell Biol, 2010, 189(2): 211–221. DOI:10.1083/jcb.200910140 |
| [35] | SOSULSKI M L, GONGORA R, DANCHUK S, et al. Deregulation of selective autophagy during aging and pulmonary fibrosis:The role of TGFβ1[J]. Aging Cell, 2015, 14(5): 774–783. DOI:10.1111/acel.12357 |
| [36] | PATEL A S, SONG J W, CHU S G, et al. Epithelial cell mitochondrial dysfunction and PINK1 are induced by transforming growth factor-beta1 in pulmonary fibrosis[J]. PLoS ONE, 2015, 10(3): e121246. |
| [37] | BUENO M, LAI Y, ROMERO Y, et al. PINK1 deficiency impairs mitochondrial homeostasis and promotes lung fibrosis[J]. J Clin Invest, 2015, 125(2): 521–538. DOI:10.1172/JCI74942 |