李维莎，刘宏飞，严立波，高 苒*，秦 川*

(1.国家卫生健康委员会人类疾病比较医学重点实验室，北京市人类重大疾病实验动物模型工程技术研究中心，中国医学科学院医学实验动物研究所，北京协和医学院比较医学中心，北京 100021； 2.首都医科大学附属北京同仁医院，北京 100730)

肿瘤由肿瘤细胞和肿瘤细胞相关细胞组成，而肿瘤相关细胞包括血管内皮细胞、外周血细胞以及炎性细胞，肿瘤细胞不仅与肿瘤相关细胞相互作用而且也受细胞外基质成分的影响[1]。肿瘤细胞与其周围环境构成了肿瘤特异性的肿瘤微环境。肿瘤微环境酸中毒(细胞外氢离子浓度上升、pH值下降)对肿瘤的恶性程度和发展有重要作用[2]。G蛋白偶联受体(GPCRs)家族可以帮助细胞感知细胞外酸中毒[3]。近年来，GPCRs作为主要的药物靶标，对GPCRs与肿瘤酸性微环境之间作用机制和功能的研究及其pH敏感的GPCR小分子调节剂的开发可为肿瘤治疗提供新的策略。

1 肿瘤微环境

肿瘤相关细胞，免疫细胞和细胞外基质等与肿瘤细胞的相互作用调节肿瘤的生长和发育。肿瘤细胞与其周围环境所组成的高度异质性的、且随着肿瘤发展而不断变化的微小生态系统构成了肿瘤特异性的肿瘤微环境。由于供血不足，缺氧，炎症和肿瘤细胞糖酵解代谢不足，肿瘤微环境早已被认为是特征性酸性环境[1-5]。肿瘤细胞独特的糖酵解代谢产生过量的乳酸[6]。因此，通过酸碱调节剂(如Na+/H+交换剂和单羧酸转运蛋白)将质子和乳酸从肿瘤细胞输出到细胞外空间可能是导致肿瘤微环境呈酸性的原因[7-8]。在正常生理条件下，血液和组织的pH值严格控制在7.4左右。然而，在诸如肿瘤微环境的病变组织中，局部pH范围可能在5.5至7.0[2-3, 5]。因此，与细胞外环境相比，肿瘤细胞的胞内pH略微呈碱性，并且越来越多的研究表明，这样内部的碱性环境对肿瘤细胞增殖有促进作用[2, 9-11]。

肿瘤微环境酸中毒(细胞外氢离子浓度上升、pH值下降)可能对肿瘤的恶性程度和发展有许多作用(图1)。研究表明慢性酸中毒可以通过诱导染色体不稳定性，细胞分裂和基因突变来影响肿瘤细胞增殖[12-13]。酸中毒还可通过降解细胞外基质而促进转移[14-15]。此外，酸中毒也具有细胞毒性，抑制肿瘤细胞增殖，诱导应激反应和细胞凋亡[16-17]。总之，酸中毒已被认为是肿瘤微环境的决定性标志[18]。然而，肿瘤细胞，免疫细胞和血管细胞感知酸中毒并对其作出反应的机制尚未完全清楚，因此对其机制的研究有利于更全面地了解肿瘤生物学。

2 G蛋白偶联受体(G-protein coupled receptors, GPCRs)

有些受体和离子通道家族可以帮助细胞感知细胞外酸中毒[19]，比如G蛋白偶联受体(GPCRs)。已知GPCR家族成员有卵巢癌G蛋白偶联受体1(OGR1)，G蛋白偶联受体4(GPR4)，G2积累受体(G2A)和T细胞死亡相关基因8受体(TDAG8)。研究发现GPCRs可以作为一种新的pH传感器[20-22]，在肿瘤的发展，转移，炎症和血管生成中均有一定作用[20]，并且研究证明OGR1是细胞外酸中毒的传感器[20, 23-24]。与其他GPCRs成员一样，OGR1也是由7个跨膜结构域组成，信号传导涉及Gs，Gi，Gq和G12/13途径[25]。OGR1对细胞外pH变化的具有极高的敏感性，感受区存在于几个组氨酸残基中，其在pH 7.2～7.5时半活化，在pH 6.4～6.8下完全活化[20, 24]。GPCRs作为主要的药物靶标，对其pH敏感的GPCRs小分子调节剂的开发已经成为研究热点。因此，对OGR1与肿瘤酸性微环境之间作用机制和功能的研究可能为肿瘤治疗提供新的策略。

图1 酸性微环境调节肿瘤细胞的增殖、凋亡、克隆突变以及降解胞外基质，炎症反应，抗肿瘤免疫等Figure 1 The acidic environment regulates tumor cell proliferation, apoptosis, cloning, mutation, and degradation of the extracellular matrix, inflammation, anti-tumor immunity,etc.

G蛋白偶联受体是细胞表面信号蛋白超家族，在多种疾病中起重要作用，尤其是炎症和肿瘤的发展过程中[20]。GPCRs作为药物的靶标的发现已引起广泛关注，据报道，40%的临床实践中使用的药物通过靶向GPCRs进行筛查。它们可以参与多种病理生理过程同时介导细胞内的多种信号通路[26]。在人体中，有四种已知的质子传感器GPCRs，包括GPR4、TDAG8(GPR65)、OGR1(GPR68)和G2A(GPR132)[20, 23, 27]。这些质子传感GPCRs已被研究证明可以感知肿瘤细胞外质子变化[28]。对肿瘤的发展，转移，炎症乃至血管生成有着重要作用。OGR1最早是从人卵巢癌Hey细胞系中克隆得到的一种G蛋白偶联受体，以前称为鞘氨醇磷酸胆碱受体，现在称为卵巢癌G蛋白偶联受体1或者是GPCR68[25, 29]。除了各种肿瘤组织细胞， 在正常组织细胞中也普遍分布，包括脾、睾丸、小肠、外周血白细胞、脑、心、肺、胎盘和肾等[29]。

3 OGR1与肿瘤发生

目前已经有许多研究是关于酸中毒对肿瘤细胞的影响，然而，由于酸中毒反应的复杂性，其对肿瘤细胞作用的分子机制在很大程度上还是未知的。最初认为GPCRs是一种溶血脂类受体，之后，Ludwig 等人[20]研究发现在酸性条件下，质子能够破坏组氨酸残基之间的氢键从而使GPCRs活化。一方面，OGR1 通过Gq/11蛋白与PLC/Ca2+信号传导途径偶联[29]，可以促进肿瘤细胞的存活。另一方面，还可通过酸性条件激活OGR1信号传导细胞内Ca2+/PKC通路和ERK信号级联反应促进黏附因子和细胞外基质蛋白结合基因的表达[25]，从而抑制肿瘤的迁移和增殖。如图2所示，OGR1通过酸中毒增强细胞 - 基质黏附和相互作用，并在肿瘤发生中发挥相应的作用[30]。

研究显示，OGR1敲除(OGR1-/-)小鼠前列腺癌(TRAMP)模型中肿瘤形成减少。OGR1-/-小鼠的黑色素瘤异种移植实验中中显示出相似的结果[27, 31]。与原发性前列腺癌组织相比，在转移性肿瘤中OGR1的表达较低。OGR1抑制前列腺癌转移而不影响原发肿瘤进展，提示OGR1是一种新的前列腺癌转移抑制基因[32]。与抑癌基因(如p53和Rb)不同，转移抑制基因可通过启动子甲基化和其他机制抑制它们的表达，降低癌细胞系的转移倾向，而不会影响肿瘤的发生[33-34]。因此，恢复转移抑制基因的表达可能抑制肿瘤转移。该研究结果也延伸至乳腺癌，其中Li等人[35]最近的研究显示OGR1通过激活Gα12/ 13-Rho-Rac1信号传导途径抑制MCF7的细胞迁移。这些结果表明OGR1可能充当肿瘤转移抑制因子的角色[30]。需要进一步研究pH和质子激活信号在该蛋白中的作用及其与这种抗肿瘤转移的关系。

图2 OGR1介导的信号通路：OGR1感知细胞外质子，导致cAMP信号传导途径的激活。OGR1通常通过Gq/11蛋白与PLC/Ca2+途径偶联Figure 2 OGR1-mediated signal transduction pathway: OGR1 perceives extracellular protons, leading to cAMP signaling pathway activation. OGR1 usually functions through Gq/11 protein coupling with PLC/Ca2+ channels

然而也有研究报道，OGR1在人成神经管细胞瘤(一种神经元前体细胞癌)中过度表达。该报道显示，人成神经管细胞瘤细胞系中通过细胞质中质子介导的Ca2+释放触发ERK信号传导途径激活OGR1[36]。这意味着细胞外酸化能促进成神经管细胞瘤的细胞存活。这一重要发现证明了OGR1的肿瘤促进机制，不同于先前在前列腺癌和黑素瘤中报道的抗肿瘤机制。另外，研究证明只有增殖细胞才能在酸性pH下转化进入基因转录，表明酸性微环境为非转化增殖肿瘤细胞提供了生存优势[37]。总之，所有这些观察结果都意味着酸性pH敏感信号的转导是高度依赖于环境的，并且取决于肿瘤类型。

4 OGR1与肿瘤免疫反应

肿瘤微环境中最常见的免疫细胞是肿瘤相关巨噬细胞(TAM)和T细胞。TAM主要促进肿瘤生长，可能是血管生成，侵袭和转移的必要条件。OGR1是一种质子传感分子，可以检测炎症期间发生细胞外pH降低。已显示OGR1在各种疾病中具有促炎功能，其在肿瘤自身免疫中也发挥着中重要作用。最近的研究指出在许多疾病中各种免疫细胞(包括有巨噬细胞，树突细胞，T细胞及中性粒细胞等)OGR1的表达与否，对炎症反应有重要影响[38]。Yan等人[27]研究证明小鼠体内的OGR1缺乏显著减少了小鼠前列腺癌的发生几率。过继转移实验表明，骨髓来源的细胞，特别是DP细胞中的OGR1表达对肿瘤细胞诱导的免疫抑制和肿瘤发展很重要，发挥作用的途径可能是通过促进M2巨噬细胞发育和抑制T细胞浸润。与WT小鼠相比，ogr1-/-小鼠的肿瘤中，诱导型一氧化氮合酶(iNOS)(M1巨噬细胞标记物)的表达较高，并且精氨酸酶-1(Arg1)(M2巨噬细胞标记物)的表达较低[38]。另外，为了确定T细胞是否有在前列腺癌发生中参与ogr1-/-小鼠排斥肿瘤细胞的能力，CD4+和CD8+T细胞在ogr1-/-小鼠中被耗尽，数据表明CD4+和CD8+T细胞参与ogr1-/-小鼠中的TRAMP-C2肿瘤排斥，并且可以在肿瘤排斥中起到效应细胞的作用[38]。在前列腺癌模型中，观察到，带有肿瘤的ogr1-/-小鼠与体外肿瘤细胞刺激WT小鼠相比，前者得到的脾单核细胞，显示出促炎细胞因子和抗炎细胞因子的损伤[39]。

5 OGR1与血管生成

肿瘤血管系统是一个对肿瘤生长和转移极其重要的调节因素。因为缺氧致使肿瘤的生长需要增加肿瘤内血液供应，肿瘤缺氧促进血管生成从而增加其转移能力。肿瘤中的血管生成导致以结构和功能缺陷为特征的血管的异常发育[40]。肿瘤细胞和宿主细胞释放的几种分子诱导血管的生成，一些生长因子如VEGF及其同源酪氨酸激酶受体(VEGF-R1，VEGF-R2)是血管生成的主要贡献者，但也有研究证明许多GPCRs参与其中[41-43]。研究表明OGR1所属的GPCRs及其同源配体可通过诱导内皮细胞的增殖直接促进血管生成，或通过促进VEGF和其他血管生成因子从基质细胞，免疫细胞或癌细胞中释放而间接促进血管生成[44]。肿瘤血管生成提供营养物质以促进肿瘤生长，以及侵袭和转移。研究表明肿瘤细胞可以通过调节OGR1及其配体的异常表达，利用激活的GPCRs引发一系列信号传导途径，包括第二信使，GEF，Ras和Rho GTP酶，MAP激酶，PI3K及其众多下游胞质和核靶标途径，来促进血管生成[45]。OGR1主要起质子传感器的作用，可被细胞外酸中毒激活[5]，血管生成由促血管生成和抗血管生成分子的平衡调节，触发此调节的信号之一是低pH[46]，酸性pH增加促血管生成因子VEGFA和IL8的表达[41]，研究表明在细胞外酸性条件下头颈部鳞状细胞癌中IL8和VEGFA的分泌可以诱导血管生成[47]，OGR1同源的GPCRs-GPR4在酸性pH下促进促血管生成因子的分泌， 表明了抑制GPR4或酸性pH可以抑制肿瘤血管生成[47]。

6 结语

由于肿瘤微环境具有酸性特征，因此探索涉及酸碱调节和pH稳态的分子途径可以为癌症治疗提供新思路[7]。例如，几个研究小组最近发现质子泵抑制剂可以减少食管腺癌和肝母细胞瘤的肿瘤发展[48-49]。由于GPCR是重要的药物靶标[26]，因此研究pH敏感GPCRs家族中OGR1与肿瘤微环境之间相互作用的分子机制在癌症治疗和化学预防领域是非常有价值的。OGR1参与了肿瘤细胞增殖，凋亡，转移，血管的生成，免疫细胞功能和炎症等生命活动[32]。对质子感应OGR1或其下游信号传导途径的控制和改造具有抗癌治疗的适用性。此外，一些报道发现OGR1可能作为转移抑制因子起作用[50]。另外，OGR1对肿瘤血管生成的研究则也可以开发新的肿瘤抑制药物。随着质子传感GPCRs家族在肿瘤生物学中的影响不断扩大，在肿瘤免疫飞速发展的今天对OGR1的研究对于了解肿瘤细胞，免疫细胞和血管如何在肿瘤微环境中感知和应对酸中毒至关重要，可能为医学诊断、治疗乃至药物的发现提供新的策略。