TNFR1：癌癥雙重作用分子，或可作為新型冠狀病毒（COVID-19）治療靶點
日期：2021-02-04 15:18:42
2021年1月7日，發表在Cancer Research雜志上的一項研究表明TNFR1介導的細胞凋亡和壞死與白血病相關 [1]。作為一個熱門的生物靶點，TNFR1具有雙重作用，大量研究證實TNFR1的表達，能促進或抑制腫瘤細胞的凋亡，同時參與自身免疫性疾病。更引人關注的是，有研究數據顯示，TNFR1抑制劑有望為成為治療COVID-19候選方案。但TNFR1復雜的生物學功能，使得TNFR1靶向藥物的研發面臨重重挑戰。去年2020年9月，全球頂級研究學者Marc Feldmann和Michael Shepard發起了一個項目，研發TNFR1特效抑制劑，該抑制劑可阻斷TNFR1，用于急性炎癥和多種癌癥治療。那么TNFR1是什么？它介導的信號通路是怎樣的？TNFR1為何與COVID-19有關？靶向TNFR1藥物研發的潛在價值如何？
1. TNFR1結構和功能
TNFR1屬于腫瘤壞死因子（TNF）受體超家族成員之一，又稱TNFRSF1A，CD120a或p55，是分子量為55 ku的I型跨膜糖蛋白 [2]。TNFR1包含胞外區、跨膜區和胞內區三個部分。胞外結構域含182個氨基酸，由4個富含半胱氨酸的結構域（CRD1-CRD2-CRD3-CRD4）組成?？缒^位于細胞外結構域和細胞內結構域之間，長約22個氨基酸（殘基183-205個）。胞內結構域長約223個氨基酸。其中，在胞外結構域有3個潛在的N-糖基化位點，其功能主要是與三聚體形式的TNF結合。N末端殘基是亮氨酸。C末端含有80個保守氨基酸序列所構成的死亡結構域（Death domain，DD），是轉導細胞死亡信號所必需的，且TNFR1的很多功能都與此結構域有關（圖1） [3, 4]。
圖1. TNFR1的蛋白質結構
*本圖來源于ResearchGate 出版物[4]。
TNFR1廣泛分布于正常細胞膜表面，也存在于多種腫瘤細胞表面 [5]。TNFR1主要介導凋亡信號，引起細胞凋亡，在抗腫瘤和抗病毒感染中發揮重要作用，同時也參與自身免疫性疾病，是誘導類風濕關節炎 [6]和系統性紅斑性狼瘡（SLE）關鍵因子 [7]。由于TNFR1參與到復雜的生物學過程，使得TNFR1精確的功能意義尚不清楚。
2. TNFR1的配體TNF
TNF是三個相同的單體亞單位組成的致密三聚體 [8]。TNF包含TNF-α和TNF-β兩種，屬于Ⅱ型膜蛋白。巨噬細胞分泌出來的TNF，即TNF-α。T淋巴細胞分泌的淋巴毒素，即TNF-β [9]。TNF總活性中，TNF-α的占比為70％～95％，所以，平時所指的TNF基本為TNF-α [10]。
TNFα在體內又以兩種形式存在，分別是跨膜型TNF-α（tmTNF-α）和可溶型TNF-α（sTNF-α）。tmTNF-α為sTNF-α的前體形式，通過TNF轉化酶（TACE，又稱ADAM17）的剪切，分泌到細胞外，形成可溶性sTNF-α（圖2）[11]。
圖2. tmTNF-α轉化為sTNF-α過程
*本圖來源于Ochsner Journal 出版物[11]。
兩型TNFα與受體（TNFR1或TNFR2）相互作用而誘導生物效應，但因TNFR2缺乏死亡結構域，TNFR1便成為介導TNF-α活動的主要受體 [12, 13, 14]。TNFR1與TNF-α的胞外段結合后而引起胞內段構像的改變，使TNFR1激活 [15]。
3. TNFR1介導的信號通路
3.1 TNFR1-sTNF-α信號通路
TNFR1與sTNF-α結合，啟動的下游信號通路已經非常明確。TNFR1作為sTNF-α的主要受體，其胞內段含有DD（death domain，死亡結構域）。在無sTNF-α刺激時，TNFR1的DD被死亡結構域的沉默子蛋白（SODD）占據，阻斷TNFR相關死亡結構域蛋白（TRADD）與TNFR1的銜接，抑制TNFR1信號通路 [16]。當sTNF-α刺激后，sTNF-α與TNFR1結合，SODD從TNFR1的DD結構域脫落，TNFR1通過其暴露的DD結構域募集TRADD，TNFR1信號通路激活（圖3）[17]。
當TNFR1/sTNF-α激活后，TRADD可以募集受體相關蛋白-1（RIP1）以及受體相關因子2（TRAF2），在胞膜上形成可激活NF-κB的信號復合物I（TNFR1-TRADD-RIP1-TRAF2），促進靶基因轉錄，抵抗凋亡，促進生存（圖3）[4, 17]。
此外，TNFR1通過網格蛋白（clathrin）發生內化（internalization），內化后的TNFR1通過TRADD的DD和FAS相關結構死亡蛋白結構域蛋白（FADD）的DD結合，FADD可通過其死亡效應DED結構域與caspase-8的DED結合，在胞漿內形成信號復合物II，即DISC（death-inducing signalling complex，死亡誘導信號復合體），激活caspase-8，導致細胞凋亡或程序化壞死（necroptosis）（圖3）[4, 17]。
圖3. TNFR1-sTNF-α信號通路
*本圖來源于Cytokine 出版物[17]。
3.2 TNFR1-tmTNF-α信號通路
關于TNFR1-tmTNF-α的信號通路目前的研究機制尚不明確，有研究發現，TNFR1-tmTNF-α信號通路不同于TNFR1-sTNF-α，后者可介導生存或凋亡兩種截然不同的信號途徑。而TNFR1-tmTNF-α僅能介導細胞的凋亡，并不能激活NF-κB。雖然TNFR1與兩型TNF結合都能引起凋亡，但兩者的信號轉導機制不同，細胞定位和影響因素也不同 [4]。
4. TNFR1在腫瘤疾病中的作用
近年來，越來越多的研究者發現，TNFR1廣泛參與各種疾病的病理生理過程，尤其是在腫瘤中，其調控作用引起人們的重視。大量的數據表明，TNFR1在不同癌細胞中可以決定細胞不同的命運。雖然TNFR1包含死亡結構域，但通過不同的信號傳導通路，TNFR1也可發揮促炎和致癌作用。所以TNFR1在癌癥中，不總是發揮其應有的促凋亡生物學效應。
在惡性星形膠質瘤中，TNFR1和TNF結合，激活NF-κB通路，抑制腫瘤細胞的凋亡，研究提示TNFR1可能參與低度惡性星形細胞瘤的形成和惡性星形細胞瘤的發展 [18]。另有研究發現，在胃癌細胞中，TNFR1的表達水平與胃癌細胞的分化程度有關 [19]；在大腸癌中，高表達TNFR1的病人存活率較高 [20]。最近一項研究發現，在腎透明細胞癌中，TNFR1表達，促進腫瘤樣變，誘導耐藥 [21]。而在一項小鼠模型實驗中，研究人員評估了TNFR1在肝癌中的作用，數據顯示TNFR1的缺失能顯著降低小鼠腫瘤發生率，說明TNFR1介導的信號通路促進肝癌發生 [22]。
TNFR1參與到一個極其復雜的生物學過程，其對疾病的作用往往受到很多不可控因素（比如，患者個體化差異）的影響。目前對于TNFR1在人類全身各系統腫瘤中的表達研究還不是很深入，在造血系統、神經系統、泌尿生殖系統、消化系統以及頭頸部的惡性腫瘤中，TNFR1均表達增強，其究竟是介導細胞增殖還是凋亡，需要更多的研究進一步闡明。因此，TNFR1抗體或者抗TNFR1抗體在腫瘤治療中的意義重大。
5. TNFR1在COVID-19治療中的潛在價值
自從新型冠狀病毒（COVID-19）大流行開始以來，新型冠狀病毒（COVID-19）已在地球上幾乎每個國家被發現，全球超過200萬人死亡。值得注意的是，在COVID-19患者中，研究者們發現了高水平的炎癥和促炎性細胞因子，其中包括TNF，前面提到，TNF的功能主要通過TNFR1介導，所以單獨阻斷TNFR1來保持免疫系統功能，成為研究者們最為理想的途徑。盡管目前市場上尚無抑制TNFR1的抗體藥物，但令人興奮的是，一項由葛蘭素史克（GSK）公司研發的抗TNFR1藥物（GSK-2862277）已進入臨床二期，用于急性肺損傷。
事實上，制藥工業界和學術界為治療COVID-19正在做前所未有的努力中，強生、賽諾菲、輝瑞、默克等全球性公司正在開發近200種治療藥物，世界各國政府正投入巨額資金用于藥物的研發。不斷出現的市場需求，加上有機會解決人類最近記憶中最大的醫學挑戰之一-COVID-19，這讓全球的醫藥企業都斗志激昂。盡管要真正了解COVID-19，還有很長的路要走，但是我們知道炎癥是其中的重要組成部分，因此TNFR1抑制劑有望成為治療冠狀病毒患者的候選藥物。
TNFR1蛋白
(Tris-Glycine gel) Discontinuous SDS-PAGE (reduced) with 5% enrichment gel and 15% separation gel.
Immobilized TNF-α (CSB-YP023955HU) at 5 μg/ml can bind human TNFR1, the EC50 is 7.799-10.90 ng/ml.
Immobilized LTA (CSB-MP013218HU) at 5 μg/ml can bind human TNFR1, the EC50 is 4.409-6.797 ng/ml.
參考文獻：
[1] Ding, Husheng, et al. "CDK2-mediated upregulation of TNFa as a mechanism of selective cytotoxicity in acute leukemia." Cancer Research. 2021.
[2] Speeckaert, Marijn M., et al. "Tumor necrosis factor receptors: biology and therapeutic potential in kidney diseases." American journal of nephrology 36.3 (2012): 261-270.
[3] Gray, Patrick W., et al. "Cloning of human tumor necrosis factor (TNF) receptor cDNA and expression of recombinant soluble TNF-binding protein." Proceedings of the National Academy of Sciences 87.19 (1990): 7380-7384.
[4] Negm, Ola Hamdy El-Shahat. "Investigations of Signalling Pathways Activation by Mutant Tumour Necrosis Factor Receptors." (2011).
[5] Sedger, Lisa M., and Michael F. McDermott. "TNF and TNF-receptors: From mediators of cell death and inflammation to therapeutic giants–past, present and future." Cytokine & growth factor reviews 25.4 (2014): 453-472.
[6] Fischer, Roman, Roland E. Kontermann, and Olaf Maier. "Targeting sTNF/TNFR1 signaling as a new therapeutic strategy." Antibodies 4.1 (2015): 48-70.
[7] Deng, Guo-Min, et al. "Lupus serum IgG induces skin inflammation through the TNFR1 signaling pathway." The Journal of Immunology 184.12 (2010): 7154-7161.
[8] Jones, E. Y., D. I. Stuart, and NPC WALKER. "The structure of tumour necrosis factor-implications for biological function." Journal of Cell Science 1990.Supplement 13 (1990): 11-18.
[9] Li, Kang, et al. "The involvement of TNF-α and TNF-β as proinflammatory cytokines in lymphocyte-mediated adaptive immunity of Nile tilapia by initiating apoptosis." Developmental & Comparative Immunology 115 (2020): 103884.
[10] Wang, Xia, and Yong Lin. "Tumor necrosis factor and cancer, buddies or foes? 1." Acta Pharmacologica Sinica 29.11 (2008): 1275-1288.
[11] Shuh, Maureen, et al. "Tumor necrosis factor-α: life and death of hepatocytes during liver ischemia/reperfusion injury." Ochsner Journal 13.1 (2013): 119-130.
[12] Naudé, Petrus JW, et al. "Tumor necrosis factor receptor cross‐talk." The FEBS journal 278.6 (2011): 888-898.
[13] Gane, Jennie M., Robert A. Stockley, and Elizabeth Sapey. "TNF-α autocrine feedback loops in human monocytes: the pro-and anti-inflammatory roles of the TNF-α receptors support the concept of selective TNFR1 blockade in vivo." Journal of immunology research 2016 (2016).
[14] Van Hauwermeiren, Filip, Roosmarijn E. Vandenbroucke, and Claude Libert. "Treatment of TNF mediated diseases by selective inhibition of soluble TNF or TNFR1." Cytokine & growth factor reviews 22.5-6 (2011): 311-319.
[15] MacEwan, David J. "TNF ligands and receptors-a matter of life and death." British journal of pharmacology 135.4 (2002): 855-875.
[16] Miki, Kiyoshi, and Edward M. Eddy. "Tumor necrosis factor receptor 1 is an ATPase regulated by silencer of death domain."
Molecular and cellular biology 22.8 (2002): 2536-2543.[17] Li, Hongxiu, and Xin Lin. "Positive and negative signaling components involved in TNFα-induced NF-κB activation." Cytokine 41.1 (2008): 1-8.
[18] Yang, Zijun, et al. "Phosphorylated form of pyruvate dehydrogenase α1 mediates tumor necrosis factor α?induced glioma cell migration." Oncology Letters 21.3: 1-1.
[19] Teng, Chih-Chuan, et al. "Novel regulator role of CIL-102 in the epigenetic modification of TNFR1/TRAIL to induce cell apoptosis in human gastric cancer." Food and Chemical Toxicology 147 (2020): 111856.
[20] Yun, Hyung-Mun, et al. "IL-32α suppresses colorectal cancer development via TNFR1-mediated death signaling." Oncotarget 6.11 (2015): 9061.
[21] Hwang, Hee Sang, et al. "Involvement of the TNF-α Pathway in TKI Resistance and Suggestion of TNFR1 as a Predictive Biomarker for TKI Responsiveness in Clear Cell Renal Cell Carcinoma." Journal of Korean medical science 35.5 (2020).
[22] Bluemel, Sena, et al. "Tumor necrosis factor alpha receptor 1 deficiency in hepatocytes does not protect from non-alcoholic steatohepatitis, but attenuates insulin resistance in mice." World Journal of Gastroenterology 26.33 (2020): 4933.
