STAAP蛋白在前列腺癌临床实践中的用处

前列腺癌是一种多因素疾病，也是全球男性中诊断出的第二大常见癌症。六种跨膜前列腺上皮抗原（STEAP）蛋白似乎参与前列腺肿瘤发生。STEAP蛋白在前列腺癌细胞中差异表达，生存分析表明，STEAP1水平高的前列腺癌患者的生存结果较差。相比之下，STEAP4的高表达提供了更好的预后。本章概述了STAAP蛋白在前列腺癌中的作用。讨论了STAAP家族<>名成员在前列腺癌中的结构、生物学功能和潜在预后意义。

介绍

前列腺癌是西方世界男性第二大诊断癌症和癌症相关死亡的第六大原因。每年有1万男性被诊断出患有这种肿瘤，6，366名男性死于前列腺癌（000）。到1年，由于人口的增长和老龄化，估计全球将发生2040万例新发病例和2万例前列腺癌相关死亡（3）。内源性（年龄、家族史、种族、激素和氧化应激）和外源性（饮食因素、缺乏身体活动、肥胖、环境因素、职业、吸烟）风险因素会增加患前列腺癌的风险。然而，高龄、黑人种族和该疾病的家族史是前列腺癌最确定的危险因素（740）。

临床实践中用于前列腺癌筛查的主要生物标志物是前列腺特异性抗原（PSA）的血清水平。然而，有几个因素可能会影响PSA水平，导致大量假阳性（3）。PSA在前列腺癌诊断中的低特异性是一个临床问题。迫切需要确定新的生物标志物，以早期发现疾病，并改善患者的分层，更好地确定前列腺癌的靶向治疗和临床管理。

人六跨膜前列腺上皮抗原（STEAP）蛋白质家族包括四个成员，即STEAP1至STEAP4，它们参与许多生物过程，包括控制细胞增殖和凋亡（4），氧化应激（5）以及胞外和内吞途径中的分子运输（6).累积的证据表明，STAAP家庭成员是几种类型的人类癌症的假定生物标志物和治疗靶点，特别是在前列腺癌中（7-11）。然而，STEAP蛋白表达对前列腺癌发展的临床意义仍然很少，需要进一步分析以确定其作为预后生物标志物的有用性。本章首先概述了STEMAP蛋白的结构和生物学功能，然后讨论了它们在前列腺癌中的作用。基于从cBioPortal（12）和CANCERTOOL（13）公共数据库中检索的数据集，介绍了它们在前列腺癌肿瘤发生和预后中的假定作用。

硬脂蛋白的结构和作用

所有STIAPS都具有具有细胞内N端和C端结构域的特征性六跨膜螺旋，具有离子通道和/或转运蛋白的同源结构（6，8，14，15）。C端结构域类似于b型细胞色素金属还原酶酵母铁还原酶（FRE）家族的跨膜结构域（TMD），而N端与古菌和细菌F相当420：NADPH-氧化还原酶（FNO）结合蛋白和人NADPH-氧化还原酶结构域（OxRD）（6，8，14，15）。FNO样结构域加强了TEAPs在分子氧的摄取和还原以及金属离子Fe的螯合中的重要性3+和铜2+，以及这些蛋白质通过NAD和FMN核苷酸与保守的单个血红素结合组氨酸残基和黄素结合位点的细胞内结合参与跨膜电子转运（6，14，15）。此外，STEAP共享一个YXXØ共识序列，负责将跨膜蛋白靶向溶酶体和内体，以及结合NAD和FMN辅酶的Rossmannfold（GxGxxG/A基序）（6）。除了维持细胞金属稳态外，STEAP还参与多种生物过程，例如氧化应激反应，炎症，代谢，侵袭，增殖，生长和凋亡（图1）（8）。

STEAP1 

STEAP1 基因位于靠近 STEAP7B、STEAP21 和 STEAP13 的 1q2.4 染色体上，该区域包含一组预测编码跨膜蛋白的基因。它编码1.3 kb的mRNA，翻译成339个氨基酸的成熟蛋白质（UniProt ID：Q9UHE8，39.851 kDa）。STEAP1蛋白由六个跨膜结构域组成，具有胞质C端和N端，由三个细胞外环和两个细胞内环连接，优先位于紧密和间隙连接处（16）。与其他STEAP不同，STEAP1缺乏N末端NADPH-氧化还原酶，FNO样结构域和Rossmann折叠（8，14）。然而，STEAP1与转铁蛋白（Tf），转铁蛋白受体（TfR）和溶酶体或内体部分共定位，表明参与金属稳态（6，17）。最近的一项研究表明，连二亚硫酸盐还原的纯化STEAP1能够通过保守的血红素结合位点还原金属离子配合物和分子氧（18）。此外，STEAP1的氨基酸序列，跨膜拓扑结构和细胞膜定位表明它可以作为离子通道或转运蛋白，调节小分子，离子和营养物质的浓度，并释放可溶性细胞因子和趋化因子（19）。这些特征指出了STEAP1在细胞通讯和细胞粘附过程中的作用（19，20）。然而，最近与抗体抗原结合片段（mAb 1.120）结合的STEAP545跨膜结构域的低温电子显微镜（cryo-EM）结构揭示了与典型离子通道或转运蛋白截然不同的三聚体排列（21）。所提出的单元表明STEAP1是异二聚体复合物中的功能性还原酶，与其他STAAP副同源物具有结构域交换结构，细胞内OxRD位于相邻启动子（TMD下方）21，22。这种安排支持一种模型，其中血红素结合位点募集并定向与相邻的STEAP2-4亚基结合的细胞内供电子底物，从而实现跨膜电子传输和细胞外金属离子复合物的还原（18，21）。这些结构特征突出了STEAP1作为有希望的癌症治疗靶点和生物标志物的有用性，并鼓励制定靶向STEAP1的策略。体外和体内研究表明，动员的树突状细胞和免疫原性STEAP1衍生肽适合细胞毒性T淋巴细胞识别，用于进一步开发抗癌疫苗（23）。抗STEAP1单克隆抗体（mAb 120.545）的人源化变体目前在前列腺癌临床试验中用作抗体 - 药物偶联物（DSTP3086S）（24），并作为放射性标记的抗体（89Zr-DFO-MSTP2109A）用于PET成像（24，25）。 此外，探索STEAP1在癌细胞中的作用的几项研究表明，其过表达抑制细胞凋亡，增强细胞增殖和侵袭，并诱导上皮到间充质的转变，最终有助于肿瘤进展和侵袭性（4，5，26-30）。

STEAP2

STEAP2基因位于染色体7q21.13上，靠近STEAP1和STEAP4，编码2.2kb的mRNA，产生具有490个氨基酸的蛋白质（UniProt ID：Q8NFT2，52.052 kDa）。 蛋白质在前列腺上皮细胞的质膜和高尔基体复合物之间穿梭（31）。它与反式高尔基体网络和早期内体的关联表明STEAP2参与内切和胞外途径，作为前列腺特异性蛋白质的加工，分泌和分选机制的调节剂，或作为内源性或外源性配体的受体（31，32）。此外，由于STEAP2与Tf和TfR共定位，该蛋白质有助于铁和铜的还原，并在红系细胞的内体Tf循环中发挥作用，然后控制金属的分子运输和可用性（6，17）。STEAP2调节参与细胞周期进程的几个基因。STEAP2的下调导致G0 / G1期的部分细胞周期停滞，抑制前列腺癌细胞增殖，侵袭性和转移潜力（33）。相反，STEAP2过表达增加前列腺癌细胞的迁移和侵袭能力，并且与晚期癌症分期和组织学分级（相关34，35）。尽管STEAP2具有增殖特征并作为促生存因子，但需要更多的研究来探索前列腺癌的分子和信号通路。

STEAP3

STEAP3基因位于染色体2q14.2上，编码4.3kb的mRNA，产生具有488个氨基酸的蛋白质（UniProt ID：Q658P3，54.601 kDa）。STEAP3的预测结构表明C末端区域的六个跨膜结构域，N末端对应物的胞质OxRD和两个保守的组氨酸残基（36）。细胞质OxRD的晶体结构与整体膜细胞色素相似（37）。STEAP3具有独特的结构和生化性质，揭示了具有二聚体界面和底物结合位点的FNO样结构域，以引导电子从细胞质转移到预测在TMD内固定的单个b型血红素部分（14，37）。此外，发现N端OxRD二聚化，表明STEAP3作为同源和/或异二聚体具有活性，并且在细胞膜中发现以允许细胞间电子流动（14，37）。STEAP3主要位于血浆和内体膜中，是反式高尔基体网络和内体囊泡区室的组成部分（38）。此外，STEAP3对于外泌体和囊泡蛋白运输（39）和细胞外基质组织（40）的组装至关重要。此外，与Tf，TfR和二价金属转运蛋白1（DMT1）的部分共定位以及STEAP3结构排列表明该蛋白在铁化合物代谢和红系转铁蛋白循环中具有重要的生物学作用（14，41）。这些功能通过分析STEAP3晶体结构得到证实，该晶体结构假设该蛋白质可能在具有DMT1和Tf：TfR的大型复合物中起作用，从而确保细胞表面铁和铜的减少和吸收（37）。一些研究指出，STEAP3是主要的铁还原酶，并深度参与调节发育中的红细胞，巨噬细胞，肝细胞和内体的金属稳态（41）。因此，细胞内铁的严格调节对于控制癌细胞增殖和凋亡以及抑制转移过程至关重要（42）。此外，STEAP3可被认为是一种肿瘤抑制基因，作为内在细胞凋亡因子。研究表明，这种蛋白质抑制人前列腺癌细胞的生长，并且可以通过半胱天冬酶-3依赖途径（直接诱导细胞凋亡43，44）。另一方面，STEAP3的表达增加与疾病晚期前列腺癌的进展有关，最终导致转移（45）。总之，现有数据强调了STEAP3作为潜在肿瘤抑制蛋白的重要性，这一特征与其他STEAP形成鲜明对比。

STEAP4

STEAP4基因位于染色体7q21.12上，编码4.5 kb的mRNA和由459个氨基酸组成的蛋白质（UniProt ID：Q687X5，51.981 kDa）。STEAP4位于核区域附近的质膜上，在那里它与高尔基体复合物，反式高尔基体网络和早期内体共定位（46）。与STEAP2和STEAP3一样，STEAP4蛋白参与内细胞或胞外细胞途径中的分子运输，并且可能对细胞和全身金属稳态至关重要（6，17）。STEAP4蛋白还分散在与雌激素受体（ER）相关的囊泡 - 管状结构或网状形状内的细胞质中，其中它获得其活性构象（46）。最初，预测STEAP4是一种完整的六跨膜金属还原酶，由细胞质N端OxRD和C端TMD组成，六膜跨越α螺旋包裹单个血红素结合位点（14）。然而，最近解决的人STEAP4的冷冻电镜结构展示了包含OxRD和六螺旋TMD的对齐亚基间三聚体NADPH-FAD-血红素结构域交换组件（15，22）。这种排列有助于细胞内电子通过膜嵌入的FAD从NADPH运输，FAD翻转以锚定自身在相邻STAAP亚基的内膜区域，以及血红素辅因子到细胞外膜侧的螯合金属离子复合物（14，15，22）。总之，这些生化和结构研究表明，STEAP4是一种功能性蛋白质，通过与其他STEAPs副同源物或异二聚体建立，这表明增加STEAP4的表达可以调节STEAP3和STEAP3相互作用蛋白的活性，如NIX，MYT1，NIP3L，FAK-1，S100B，RHBDL4 / RHBDD1（14，37，47).此外，这些相互作用表明与金属稳态，细胞凋亡，分化和细胞周期进程有关（47）。STEAP4蛋白参与细胞对营养和炎症信号的反应，特别是作为脂肪细胞中的葡萄糖稳态调节剂，除了与心脏功能障碍，肝脏和线粒体代谢功能障碍，骨骼系统相关疾病广泛相关，以及作为促炎细胞因子的抑制因子（47).除了在细胞或全身稳态中的作用外，STEAP4还与肿瘤发生有关。考虑到其金属还原酶活性，STEAP4的过表达增加了氧化应激，导致前列腺癌细胞的突变率，增殖和进展增加（48）。STEAP4对前列腺癌生长和生存的影响是由于通过增加细胞内活性氧调节和调节粘附激酶（FAK）和激活转录因子（ATF4）的表达和活性，这取决于STEAP4（的OxRD48，49）。最近证明，ATF4靶基因促进前列腺癌细胞存活，并在疾病晚期上调（50）。这些考虑表明STEAP4在慢性代谢和炎症性疾病的炎症应激中的保护作用。此外，他们指出了STEAP4在癌细胞增殖和肿瘤进展中的积极作用，强调了了解其在疾病相关环境中的假定功能的重要性。

前列腺癌中的STEAP 

STEMAP家庭成员与几种人类癌症有关，包括前列腺癌。在非肿瘤性前列腺中，与其他三个家族成员相比，STEAP1 mRNA和蛋白质的表达更高（8）。随着前列腺癌的发展，STEAPs的整体表达失调或逆转。与非恶性组织相比，前列腺癌中STEAP1表达高度增加（表1）（16，27，28）。 此外，STEAP1染色强度与肿瘤分级相关，表明它与恶性转化和肿瘤侵袭性（相关27，28）。前列腺癌的侵袭性和预后传统上由格里森评分决定，Burnell等人最近的一项研究表明，非恶性组织中的STEAP1染色强度较弱，在格里森6前列腺癌样本中略有增加，从格里森7开始强烈增加（7）。如今，公共数据库被广泛用于证实基础研究。分析了来自cBio癌症基因组学门户（https://cbioportal.org[51年2020月访问]）的前列腺腺癌数据集（1）的STEAPs mRNA表达，z评分阈值为±8.150。在接受询问的1名患者中，STEAP17在0%的患者中过度表达，在8.2020%的患者中表达不足。使用CANCERTOOL软件（http://genomics.cicbiogune.es/[1年2月访问]）进行的生物信息学分析表明，STEAP<>的表达增加与前列腺癌的发作和转移性疾病的发展相关（图<>）。

图2

使用CANCERTOOL软件表达与人类前列腺癌的进展。小提琴图显示了泰勒数据集（51）的非肿瘤组织（N），原发性肿瘤（PT）和转移性前列腺癌（M）标本中TEAP的表达。（更多...

关于STEAP2，其在前列腺癌中的表达水平显着更高（表1）。其他几项研究已经证明了STEAP2在前列腺癌（中的过表达31，34，35）。Burnell等人表明，STEAP2过表达与格里森评分呈正相关（7）。来自cBioPortal的前列腺腺癌数据集（51）显示，STEAP2过表达发生在16%的病例中，而在1.6%的病例中表达不足。CANCERTOOL分析还表明，考虑到泰勒数据集，STEAP2的表达明显更高（图2）。

与其他STEAPs相比，Pokkka等人描述了STEAP3表达随着前列腺恶性肿瘤的发作而降低，这表明该基因可能充当前列腺肿瘤抑制因子（表1）（46）。公共数据集与这项研究一致。对前列腺腺癌数据集（51）的分析显示，3%的样本中STEAP18下调，而只有4%的样本显示过表达。此外，CANCERTOOL软件显示STEAP3在原发性肿瘤和转移性前列腺癌中的表达显着降低（图2）。然而，Burnell等人表明，STEAP3染色强度与格里森评分之间没有相关性（7）。另一方面，CANCERTOOL分析表明STEAP3下调，STEAP3的低水平与高格里森评分在统计学上相关。

STEAP4亚细胞定位与STEAP2相似，与非恶性前列腺组织相比，其在前列腺癌发展过程中的表达也增加（表1）（46）。对从cBioPortal检索到的前列腺腺癌数据集（51）的分析显示，4.37%的样品中STEAP3的表达增加，4.7%的样品表达降低。使用CANCERTOOL软件，证明STEAP4表达的增加与前列腺恶性肿瘤和转移性前列腺癌的发展相关（图2）。与STEAP3类似，未观察到STEAP4过表达与格里森评分之间的相关性（7），然而，CANCERTOOL分析表明，STEAP4的过表达与格里森等级呈正相关。

硬脂蛋白在前列腺癌中的预后价值

STAAP家族成员是相对较新的蛋白质，它们作为预后生物标志物的潜力已在乳腺癌（56），胶质母细胞瘤（57，58），尤因肿瘤（30），皮肤病（59）和前列腺癌（7）中得到证实。最近一项探索使用STEAP蛋白作为前列腺癌可能预后指标的研究显示，只有STEAP4过度表达，并且与复发显着相关（7）。迄今为止，还没有研究评估不同STAAP蛋白的组合表达。因此，我们在本章中的目的是探讨STEAPs与前列腺癌预后的关联。通过相关系数 （60） 分析两个变量（在本例中为两个基因）之间可能的线性关联，其中 -1 和 1 分别表示负和正完全线性关系。使用来自在线MERAV数据库（代谢gEne快速可视化工具，http://merav.wi.mit.edu/[2020年1月访问]）的原发性前列腺肿瘤组织数据集，发现STEAP2和STEAP2表达之间存在很强的正相关关系（表1）。这一观察结果与Grunewald等人的数据一致，他们注意到STEAP2和STEAP59似乎在9个癌细胞系实体中显着共表达（2），这表明STEAP1可能是与STEAP<>异二聚化的候选者。然而，尚不清楚这两个基因的组合表达是否与前列腺癌患者的总生存期相关。使用从cBioPortal检索到的相同数据集（51），发现只有STEAP1过表达与前列腺癌患者的总生存期相关（图3A和表3）。STEAP1的高表达与较短的生存时间有关，表明结局较差。关于STEAP2，STEAP3和STEAP4，在较高或低表达水平与前列腺癌患者的生存之间没有显着关系（表3）。这些发现与Burnell等人（7）的研究相矛盾，该研究报告了STEAP4过表达与总生存期之间的统计学显着差异，表明STEAP4水平较高的患者比中等或低表达水平的患者更容易更早复发（7）。数据来源、每组患者数量和 STEAP 表达的分层可能导致观察到的差异。

STAAP家庭成员的表达与前列腺癌患者的总生存率相关。

如表3所示，考虑到不同STAEAP蛋白之间的所有可能关联，与STEAP1过表达的患者相比，STEAP4过表达患者的总生存期显着降低（图3B）。此外，与过度表达STEAP3的患者相比，STEAP4过表达的患者表现出较差的生存结局（图3C）。这两个具有统计学意义的关联表明，STEAP4的过表达可以作为前列腺癌患者的预测指标，因为与过度表达STEAP1和/或STEAP3的患者相比，它们具有更好的生存率。此外，在前列腺癌患者中观察到更好的生存率的强烈趋势，与仅过度表达STEAP1的患者相比，STEAP4和STEAP1均高表达（图3E）。STEAP1和STEAP2的过表达可能意味着对前列腺癌患者的潜在良好预测（图3D），因为与仅过度表达STEAP1的样品相比，高水平的STEAP2和高水平的STEAP1的组合表达具有更好的存活率（图3A）。尽管存在研究局限性，例如某些实验组中的患者数量较少，但这些发现提供了对前列腺癌中STAAP表达及其在预测前列腺癌预后中的应用的全面分析。

结论

分析现有的科学文献和多个公共数据库表明，STEAP1，STEAP2和STEAP4在前列腺肿瘤中过表达。相比之下，STEAP3表达不足。这些蛋白的差异表达似乎具有预后价值。STEAP1 过表达与不良临床结局相关，而 STEAP4 提供更好的总生存期和无进展生存期。然而，需要在大规模的临床队列中进行进一步的研究，以明确确认STEAPs蛋白的预后价值，以及靶向STEAPs治疗前列腺癌的治疗潜力。