ACSL4在肿瘤中的研究进展

Research Progress of ACSL4 in Cancer

摘要: ACSL4是长链酰基辅酶A合成酶家族的一员，参与机体脂肪代谢，主要催化花生四烯酸和二十碳五烯酸。其在许多肿瘤中都有不同程度的表达，且通过不同途径调控着肿瘤的发生发展，生长增殖以及侵袭迁移。本文就近年来ACSL4在肿瘤中的相关研究，包括肝癌、胃癌、前列腺癌、乳腺癌、结直肠癌、卵巢癌等方面进行阐述，为临床治疗肿瘤提供新的理论依据和指导思路。

Abstract: ACSL4 is a member of the long chain acyl-CoA synthetase family, which is involved in body fat metabolism and mainly catalyzes arachidonic acid and eicosapentaenoic acid. It is expressed in many tumors to varying degrees, and regulates the occurrence, development, growth, proliferation, invasion and migration of tumors through different ways. In this paper, the relevant studies of ACSL4 in cancer in recent years are described in liver cancer, gastric cancer, prostate cancer, breast cancer, colorectal cancer and ovarian cancer, providing new theoretical basis and guidance for clinical treatment of tumor.

1. 引言

据2022年国际癌症研究机构(IARC)最新统计，2022年有将近2000万新发癌症病例，据估计，至2050年，癌症的病例数可高达3500万[1]。作为威胁人类生命安全的主要原因之一，对癌症的研究道阻且长。研究表明脂质代谢在癌症的发生发展、转移以及治疗耐药性等方面都有着密切的关系[2]。而长链酰基辅酶A合成酶4 (Long chain acyl-CoA synthetase 4, ACSL4)在脂肪酸代谢中扮演着重要的角色。研究发现，ACSL4的异常表达会影响肿瘤的发生发展、侵袭迁移以及药物耐药性等的改变。因此本文针对ACSL4近年来在肿瘤中的作用进行综述，为ACSL4在临床上诊断治疗癌症提供新思路。

2. ACSL4

2.1. ACSL4的来源

酯酰辅酶A合成酶(Acyl-CoA Synthetase, ACS)是一种能催化脂肪酸活化反应的酶类，其催化脂肪酸和辅酶A生成酯酰辅酶A。酯酰辅酶A是一种重要的活性酯化合物，在细胞内参与多个代谢途径，在生物体内的代谢作用非常重要。它参与脂肪酸的β氧化代谢，是细胞内能量代谢的重要环节。此外，脂酰辅酶A还参与胆固醇合成、脂肪酸合成等代谢过程，在细胞的生理功能上扮演着重要角色。

长链酰基辅酶A合成酶家族(Long-chain acyl-CoAsynthetase, ACSLs)是酰基辅酶A合成酶(Acyl-CoA synthetase, ACS)的一个亚型，它可以通过催化游离脂肪酸(Free Fatty Acid, FFA)合成脂肪酸酰基辅酶A (Fatty acid Acyl Coenzyme A, FA-CoA)，在脂肪酸代谢和脂质稳态中起着至关重要的作用，其主要催化链长为12~20个碳原子的脂肪酸。该家族成员包括ACSL1、ACSL3、ACSL4、ACSL5、ACSL6等五个亚型[3]。

1997年M J Kang等人报道了一种优先使用花生四烯酸和二十碳五烯酸的新型大鼠ACS的cDNA克隆。这种新鉴定的ACS (指定为ACS4)包含670个氨基酸，与大鼠ACS3 (一种先前表征的在大脑中高表达的ACS)有68%相同。ACS4在大肠杆菌中过量产生，所得酶被纯化至同质。纯化的酶在C8~C22饱和脂肪酸和C14~C22不饱和脂肪酸中最优先利用花生四烯酸和二十碳五烯酸。动力学分析表明，该酶对花生四烯酸和二十碳五烯酸具有高亲和力，对棕榈酸具有低亲和力[4]。

1998年Cao Yang等人报道了从人脑文库中克隆人长链脂肪酸–辅酶A合成酶4的cDNA。该cDNA编码功能性人的长链脂肪酸–辅酶A合成酶4 (ACSL4)，该合成酶优先对二十碳多不饱和脂肪酸(Polyunsaturated Fatty Acids, PUFA)的亲和力高，如花生四烯酸(Arachidonic Acid, AA)、二十碳五烯酸(Timnodonic Acid, EPA)等。ACSL4被认为是PUFA代谢的重要同工酶[5]。

2.2. ACSL4的结构及定位

ACSL4是定位在人染色体Xq22.3~23上的蛋白质编码基因，全长约90 kb，有多个外显子和内含子[6]。人的ACSL4基因5'-UTR包含多个miRNA结合位点，这些miRNA可以通过调节ACSL4 mRNA的翻译和降解来调节ACSL4的表达水平[7] [8]。ACSL4蛋白含有约711个氨基酸残基，分子量约为80 kDa [9]，可分为四个结构区域，分别为N端膜结合结构域、跨膜结构域、腺苷酸结合结构域和C端催化结合结构域[10]。N端结构域的功能尚未明确，但相关研究表明，其可催化脂肪酸形成酰基辅酶A [11]。跨膜结构域最主要的功能是连接N端和C端结构域[12]。腺苷酸结合结构域是ACSL4用于连接三磷酸腺苷(Adenosine Triphosphatase, ATP)和CoA分子的腺苷相关结构域[13]。C端结构域用于催化酰化反应，形成ACSL4催化活性中心[14]。

M J Kang等研究发现ACS4转录本可在多种组织中检测到，其中肾上腺水平最高[4]。Y cao等通过Northern杂交研究ACSL4基因表达的组织分布，其在人的胎盘、脑、睾丸、卵巢、脾脏和肾上腺皮质中表达水平最高，而在胃肠道中表达水平最低[5]。

2.3. ACSL4的功能

ACSL4是机体进行脂肪酸代谢的重要调控因子。ACSL4参与脂质合成过程，可以催化长链多不饱和脂肪酸转化为脂肪酸的活化形式[15]。同时，ACSL4也是磷脂酰乙醇胺(Phosphatidyl Ethanolamine, PE)合成过程的关键辅助因子，它能将花生四烯酸和肾上腺酸分别合成为花生四烯酰CoA和肾上腺酰CoA，参与磷脂酰乙醇胺或磷脂酰肌醇等易氧化膜磷脂的合成[16]。脂肪酸是人体储能和供能的重要物质，脂类也是生物膜的重要结构成分，磷脂酰肌醇是重要的细胞信号转导分子。因此，ACSL4在维持细胞生长、增殖及死亡中起着非常重要的作用。

铁死亡是新近发现的一种区别于细胞凋亡(Apoptosis)和自噬(Autophagy)的铁依赖性的新型死亡方式，与脂质过氧化相关[17]。铁死亡与脂质过氧化的终产物丙二醛(Malondialdehyde，MDA)水平的增加等相关[18]。因此，ACSL4在铁死亡中充当重要角色。在铁死亡诱导剂RSL3等因素的诱导下，ACSL4促进长链多不饱和脂肪酸发生脂质过氧化，从而触发铁死亡[19]。同时，ACSL4还可以通过控制铁死亡来触发机体自身的抗肿瘤免疫[20]。

另外，在细胞凋亡中ACSL4起到了双刃剑的作用，一方面，它可以催化合成脂肪酰辅酶A并产生脂质自由基，介导细胞氧化应激，破坏细胞结构，发生细胞凋亡[21]，也可以直接与机体调节细胞调亡的信号通路的蛋白质协同促进细胞凋亡的发生[22]。另一方面，ACSL4可以通过介导脂肪酸的氧化来抑制细胞凋亡的发生[23]。

综上所述，ACSL4参与细胞的凋亡及铁死亡，而肿瘤的的发生发展与凋亡及铁死亡密切相关，因此，ACSL4在肿瘤细胞的分化、增殖、凋亡、迁移和侵袭中发挥着重要的调控作用，对癌症的预后和复发均有一定的影响。因此，ACSL4在一些组织或细胞中的异常表达与肿瘤的发生发展有着密不可分的关系。

3. ACSL4与肿瘤的关系

3.1. ACSL4与肝癌

肝癌以肝细胞癌(Hepatocellular Carcinoma, HCC)最为常见，研究表明ACSL4在肝癌中高表达。Li Hongquan等人发现己糖激酶2 (Hexokinase 2, HK2)可以促进肝癌干细胞的自我更新和自我维持。研究发现，在HCC细胞中沉默HK2后，ACSL4的表达明显下降，并且，敲除ACSL4后，显著抑制了HK2过表达HCC肿瘤球的形成；当对HK2进行siRNA处理后，ACSL4过表达会恢复HCC肿瘤球的形成能力，结果提示ACSL4是参与HCC中HK2调节的癌干细胞(Cancer Stem Cell, CSC)干性的下游效应因子。接着，他们通过对一些糖酵解酶的敲低处理发现其可以正调控ACSL4的表达水平，而HK2又可以正调控乙酰辅酶A的表达水平。为了进一步探讨促进HCC中ACSL4转录的潜在机制，他们通过染色质免疫共沉淀(Chromatin immunoprecipitation, ChIP)和测序发现敲低HK2显著影响了ACSL4启动子和增强子区域的H3K27ac的修饰，HK2过表达增加了H3K27ac的水平，这表明HK2可以增加乙酰辅酶A的堆积，并在表观遗传学上激活ACSL4的转录，导致脂肪酸β氧化增强[24]。

另外，ACSL4作为miR-211-5p的潜在下游靶基因，Xia Qin等人发现miR-211-5p的过表达显著降低ACSL4-WT中的荧光素酶活性，而ACSL4-MUT未观察到这种差异。为进一步验证两者之间的关系，他们将miR-211-5p模拟物或抑制剂转染到LM3和SKHep-1细胞中，其分别显著抑制或促进ACSL4的表达水平。由此可知，ACSL4是HCC中miR-211-5p的直接下游靶基因，并且miR-211-5p可以负调控ACSL4的表达水平。随后，他们通过转染、CCK-8、transwell等试验证明了miR-211-5p可以靶向ACSL4抑制HCC细胞的生长增殖和侵袭迁移[25]。因此，靶向ACSL4有望为临床肝癌的治疗提供新思路。

3.2. ACSL4与胃癌

不同于肝癌的是，ACSL4在胃癌中呈低表达。Ye Xiaojuan等人发现ACSL4在胃癌组织和胃癌细胞中的表达水平均下降。他们对胃癌细胞进行ACSL4过表达处理，发现ACSL4可以抑制胃癌细胞的生长增殖和体外迁移。为探究其分子机制，他们在蛋白印迹分析中发现，ACSL4可以负调节黏着斑激酶(Focal Adhesion Kinase, FAK)、正调节细胞周期调控因子P21 [26]。以上结果提示，ACSL4为胃癌抑制因子，有望成为胃癌的潜在治疗靶点。

流行病学研究发现，脂质代谢的激活与癌症的发生有密切的联系[27]，而脂质过氧化是铁死亡的标志[28]，在许多的癌症中都有铁死亡的出现，胃癌也不例外。CBSLR是胱硫醚β-合酶(Cystathione Beta-Synthase, CBS) mRNA稳定的长链非编码核糖核酸(Long non-coding RNA, IncRNA)。在Yang Hui等人的研究中，CBSLR可以抑制铁死亡的发生。在MKN45和MKN28细胞中，敲低CBSLR可以显著上调甲基-ACSL4的表达，且此效应可通过CBS的沉默来消除。另外，甲基化的ACSL4也伴随着细胞内ACSL4总量的上调。继而他们猜想，甲基化的ACSL4对多泛素化和蛋白酶体降解的敏感性下降，然后他们沉淀出了多泛素化的ACSL4((Ub)n-ACSL4)。研究发现，敲低CBSLR可以显著上调(Ub)n-ACSL4的表达，且此效应可通过CBS的沉默来消除。这提示，CBSLR/CBS可以通过调节ACSL4的甲基化进而影响其多泛素化。铁死亡的主要特征是高度选择性和特异性的PE过氧化，在该研究中，PE随着CBSLR的沉默而增加，随着CBS的敲低而降低，一系列研究表明，CBSLR通过调节ACSL4甲基化以多泛素化增加了胃癌细胞铁死亡的抗性[29]。

3.3. ACSL4与前列腺癌

前列腺癌在男性癌症死亡率中位列第五[30]。ACSL4在前列腺癌(Prostatic Cancer, PCa)中高表达。作为铁死亡的标志物，GuYanan等人发现在DU145细胞中，去泛素化酶CYLD可以正调节ACSL4的表达，在免疫组化中，CYLD与ACSL4等的表达也呈显著的正相关。这提示，CYLD可以增加铁死亡相关因子ACSL4的表达来调节铁死亡的发生进而影响PCa的存活[31]。Wu Xinyu等人的研究发现ACSL4与雄激素受体(Androgen Receptor, AR)水平呈负相关，在ACSL4阴性的LNCaP细胞中过表达ACSL4可引起mRNA和蛋白质水平的AR表达降低。当对LNCaP-AI细胞中ACSL4进行敲低处理后发现，AR的表达增加。目前，雄激素消融疗法仍然是复发性和转移性PCa的治疗首选，但大多数接受消融疗法治疗的患者会逐渐发展为去势抵抗性前列腺癌(Castration-Resistant Prostate Cancer, CRPC)，这是导致前列腺癌患者死亡的主要原因之一。随后他们对良性前列腺组织和前列腺癌进行了免疫组织化学分析，发现ACSL4在前列腺癌中的表达Allred评分比在良性组织中高了1.3倍，而且，高分期(III期)PCa的患者的ACSL4表达显著高于低分期(I期或II期)PCa患者。然后他们构建了LNCaP-ACSL4细胞系，发现在所有生长条件下，与对照细胞相比，LNCaP-ACSL4细胞与增殖速率呈正相关。在细胞克隆形成实验中，过表达ACSL4的LNCaP细胞的集落数量和集落大小增加了3倍；在transwell实验中，与对照细胞相比，LNCaP-ACSL4的侵袭指数为2.2，而ACSL4 siRNA组的侵袭指数为0.35。结果表明，ACSL4促进PCa的增殖和侵袭。他们后续的研究还发现，ACSL4可能通过激活PCa细胞中的赖氨酸特异性去甲基酶1 (Lysine-specific demethylase 1, LSD1)来促进PCa细胞增殖；ACSL4表达增加也会上调磷酸化蛋白激酶B (Phosphorylated protein kinase B, p-AKT) [32]，而p-AKT表达升高可能会抑制AR表达的作用[33]。以上结果提示，ACSL4表达与激素非依赖性生长密切相关，靶向ACSL4有望为CRPC的治疗提供新思路。

3.4. ACSL4与乳腺癌

铁死亡是一种铁依赖性的程序性细胞死亡形式，ACSL4是其关键调节因子，为提高铁死亡的灵敏度，Luo Jiajia等人合成了一种含二茂铁的聚合物胶束用于激活1-硬脂酰基-2-花生四烯酰基-sn-甘油-3-磷脂酰乙醇(1-stearacyl-2-arachidonicacyl-SN-glycerol-3-phosphatidylethanolamine, PE-AA)和铁的递送，以改变ACSL4缺陷肿瘤中的铁死亡耐药性。他们发现，PE-AA可以逃逸ACSL4缺陷MCF-7乳腺癌细胞中铁死亡脂质生物合成的障碍，从而提高铁死亡的敏感性。而含二茂铁的聚合物胶束可加强PE-AA的过氧化，也可以破坏氧化还原稳态并诱导ACSL4缺陷的MCF-7细胞的脂质过氧化，促进MCF-7细胞铁死亡的发生以抑制肿瘤细胞的生长增殖。另外，ACSL4 mRNA的靶向递送也可以使铁死亡耐药性肿瘤灵敏性增加[34]。不过，含二茂铁的聚合物胶束是否会引起机体产生免疫反应尚未明确，有待进一步研究。

有相关研究报道，超过90%的乳腺癌相关死亡是由于癌症的转移[35]，而癌症转移与上皮–间充质转化(Epithelial-Mesenchymal Transition, EMT)的过程有关[36]。Lin Jiamin等人发现，锌指E盒结合同源盒蛋白2 (Zinc finger E-box-binding homeobox 2, ZEB2)和ACSL4在高度浸润性乳腺癌细胞中呈高水平表达，且ZEB2与ACSL4之间呈正相关表达。随后他们构建了一个ACSL4过表达的MCF-7细胞系，发现ACSL4的过表达显著增强了MCF-7细胞的迁移和侵袭能力；同样的，过表达ZEB2也显著增强了MCF-7细胞的迁移和侵袭能力，并且，ACSL4过表达使经ZEB2敲低处理的MCF-7细胞的迁移和侵袭能力分别显着恢复了35.1%和32.4%。结果表明，ACSL4过表达在ZEB2介导的乳腺癌迁移、侵袭中扮演者重要的角色。随后，他们证明了ZEB2可以直接与ACSL4启动子结合来促进ACSL4表达，而ACSL4可以减少ZEB2泛素化并与其结合从而增强其稳定性。同时，ACSL4可以促进细胞内脂质合成和LDs堆积，还通过上调线粒体脂肪酸氧化(Fatty Acid Oxidation, FAO)限速酶和肉碱棕榈酰转移酶1亚型A (Carnitine palmitoyl transferase 1 subtype A, CPT1A)来增强FAO和ATP的产生来促进乳腺癌的肺转移。上述结果表明，ZEB2-ACSL4信号转导有望成为克服乳腺癌转移的有力治疗靶点[37]。

3.5. ACSL4与结直肠癌

奥沙利铂是一种广泛使用的化疗药物，用于晚期结直肠癌(Colorectal Cancer, CRC)患者；然而，频繁的耐药性限制其对患者的治疗效果。Zeng Kaixuan等人通过细胞及组织及体外造模研究，发现周期蛋白依赖性激酶1 (Cyclin-dependent kinase 1, CDK1)会以细胞周期非依赖性方式促进奥沙利铂的耐药性。CDK1通过抑制ACSL4阻断铁死亡的发生，从而促进奥沙利铂的耐药性。CDK1通过募集E3泛素连接酶(E3 ubiquitin ligase, UBR5)直接与ACSL4作用并使ACSL4降解，从而抑制脂质过氧化和铁死亡的发生，来抑制结直肠癌的生长增殖。这为CDK1抑制ACSL4介导的铁死亡来治疗奥沙利铂耐药性患者提供了理论依据[38]。

细胞色素P450 1B1 (Cytochrome P450 1B1, CYP1B1)是一种血红素硫代酸单加氧酶，在多种恶性肿瘤中都有表达。Chen Congcong等人的研究发现，CYP1B1的表达会使CRC细胞中脂质过氧化水平降低从而保护CRC细胞不发生铁死亡。WB结果显示，在RKO、HCT116和HT29细胞中，CYP1B1的表达与ACSL4的表达呈负相关。且ACSL4的表达可以逆转细胞对RSL3的抗性。这提示，CYP1B1对铁死亡的抑制是通过对ACSL4的依赖实现的。研究还发现，CYP1B1的表达可以增加ACSL4的多泛素化水平以促进其降解。外源性AA对RSL3诱导的铁死亡起增强作用，其代谢产物20-羟–二十烷四烯酸(20-Hydroxyeicosane Tetraenoic Acid, 20-HETE)处理RKO细胞后，ACSL4水平明显降低，同时，它逆转了CYP1B1介导的ACSL4水平的增加，另外，20-HETE还降低了沉默CYP1B1处理的RKO细胞对RSL3的敏感性。提示了CYP1B1可以下调ACSL4蛋白的表达并通过20-HETE来促进CRC细胞的铁死亡抗性[39]。研究表明，在CYP1B1对CRC细胞的作用中，ACSL4也扮演了重要的角色。

3.6. ACSL4与卵巢癌

卵巢癌是女性生殖系统中常见的恶性肿瘤之一，五年生存率仅为30%。Xia Liping等人通过CCK-8、流式细胞术等发现马齿苋多糖(Polysaccharide of Portulaca oleracea, POL)对卵巢癌细胞的增殖有明显的抑制作用，促进细胞死亡。随后通过蛋白印迹发现，POL可以增加卵巢癌细胞和小鼠体内ACSL4的表达，更重要的是，在卵巢癌细胞中敲除ACSL4后，POL介导的脂质活性氧(Lipid Reactive Oxygen Species, L-ROS)、Fe²⁺、丙二醛(Monochrome Display Adapter, MDA)的增加和谷胱甘肽(Glutathione, GSH)的减少被显著逆转[40]。因此，POL可以通过促进ACSL4介导的铁死亡来阻碍卵巢癌的发生发展。这些结果表明，通过POL上调ACSL4的表达可以为卵巢癌的治疗提供新思路。

4. 小结与展望

综上所述，ACSL4在脂肪酸代谢、β-氧化等途径影响着肿瘤的发生发展，促进肿瘤细胞铁死亡、EMT和细胞凋亡的发生或抑制，具体来说，ACSL4可以抑制肿瘤的药物耐药性、影响肿瘤的生长增殖、侵袭转移，这提示ACSL4有望为临床治疗肿瘤提供新的理论依据和思路。然而，关于ACSL4调控肿瘤发生发展的具体机制还有待研究。因此，进一步地探索ACSL4的生物学功能任重道远。

基金项目

No. ZY2023F139湖北省中医药管理局2023~2024年度中医药科研项目“福白菊挥发油对结肠癌细胞生长抑制作用及其分子机制的研究”；No. 2023KJZX26江汉大学科技类专项“基于生物信息学的WIPI2促结直肠癌细胞生长作用及机制”；No. S202211072045湖北省2022年度大学生创新创业训练计划项目“铁死亡标志物ACSL4在结肠癌中表达与生长相关性研究”；No. 2023yb140江汉大学2023年度学生科研项目“ACSL4在结肠癌铁死亡脂质代谢通路中作用及其机制研究”。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。