综述：Rac1在胃癌中的作用：侵袭、上皮间质转化和治疗抵抗的分子驱动因子

《Journal of Translational Medicine》：Rac1 in gastric cancer: a molecular driver of invasion, EMT, and therapeutic resistance

本综述系统阐述了Rac1（Ras-related C3 botulinum toxin substrate 1）在胃癌发生发展中的核心作用。文章聚焦Rac1通过调控细胞骨架动力学、上皮间质转化（EMT）及相关信号通路（如PI3K/AKT、PAK/LIMK）驱动胃癌侵袭转移的分子机制，并探讨了其在幽门螺杆菌（H. pylori）感染、缺氧及氧化应激微环境中的活化。综述还总结了靶向Rac1的小分子抑制剂、microRNA（miRNA）调控策略及其在免疫治疗中的潜力，为胃癌精准治疗提供了新的理论依据和生物标志物研究方向。

分子结构及Rac1信号传导

Rac1是Rho GTP酶家族Rac亚家族中的一种小GTP结合蛋白，其命名源于它是肉毒杆菌C3 ADP核糖基转移酶的底物。其N末端具有一个保守的G结构域（G1-G5），对GTP结合至关重要。该结构域包含开关I和开关II区域，其中开关I与GAPs或下游效应器结合，而开关II则与GEFs相互作用。C末端含有一个高度可变区，具有多碱性区域和CAAX框，对于翻译后修饰、复合物形成以及Rac1的细胞内定位和激酶相互作用至关重要。

与大多数Rho家族蛋白类似，Rac1蛋白的功能通过开关I和开关II的结构变化在GTP结合（开启）和GDP结合（关闭）状态之间切换。三种主要类型的蛋白质与Rac1相关以促进其生物学功能：鸟嘌呤核苷酸交换因子（GEFs）、GTP酶激活蛋白（GAPs）和鸟嘌呤核苷酸解离抑制因子（GDIs）。GEF通过促进GDP的释放，进而激活Rac1与GTP结合；GAP通过增强其固有的GTP水解活性来失活Rac1；GDI将Rac1隔离在非活性状态，保护其免受蛋白酶体降解，为后续的信号刺激做准备。

Rac1拥有复杂的下游信号通路。膜结合的Rac1-GTP可通过其Cdc42-Rac相互作用结合（CRIB）结构域招募p21激活激酶（PAKs）。这种相互作用调节双稳态GTP酶活性、细胞形态和迁移转变。Rac1还能附着并激活蛋白激酶C相关激酶1（PRK1），后者与肌动蛋白交联蛋白α-辅助动蛋白连接。此外，Rac1-GTP直接与信号转导和转录激活因子3（STAT3）结合以促进STAT3磷酸化，从而增强癌细胞的上皮间质转化。Rac1还通过其与胰岛素受体酪氨酸激酶底物p53（IRSp53）支架分子的相互作用激活Wiskott-Aldrich综合征蛋白家族verprolin同源蛋白（WAVE），进而通过Arp2/3复合物诱导肌动蛋白聚合，并启动新分支丝的形成。

Rac1在胃癌中的功能及其调控

Rac1促进胃癌细胞增殖和迁移

Rac1作为分子开关，对细胞周期进程、定向迁移和组织侵袭等基本生物学过程至关重要。Rac1在胃癌中的过表达与增强肿瘤增殖和侵袭性转移扩散存在机制联系。

研究表明，非典型Rho GEF DOCK6通过DOCK6/Rac1/Cdc42轴和DOCK6/WNT/β-连环蛋白信号通路促进胃癌细胞的增殖、迁移和侵袭，同时增强其化疗和放疗抵抗性。Rho GEF Vav2/Vav3促进胃癌的侵袭和转移，并与多种基质金属蛋白酶（MMP-2, MMP-9）和组织金属蛋白酶抑制剂的表达显著相关。

大多数GAPs通过促进Rac1从活性GTP结合状态向非活性GDP结合状态的转换来抑制Rac1活性。然而，含IQ模体的GTP酶激活蛋白1（IQGAP1）在胃癌中的功能存在争议。Rho GDP解离抑制因子2（RhoGDI2）将Rac1招募到丝切蛋白A（一种大的细胞骨架蛋白），导致Rac1与Rho GEF Trio的相互作用增强，从而增加Rac1活性并促进胃癌细胞侵袭。

此外，其他调控分子也参与其中。Nectin-4，一种在胃癌中高表达的细胞粘附分子，通过PI3K/AKT信号通路激活Rac1，增强板状伪足形成、细胞迁移和增殖。某些整合素的高表达也促进细胞粘附和Rac1激活。整合素α5（ITGA5）激活FAK/Src/Rac1通路，促进胃癌细胞的恶性特征，并改善细胞与细胞外基质蛋白之间的粘附。研究证实整合素αvβ6（ITGAV:ITGB6）通过靶向Rac1增加胃癌细胞的增殖和侵袭，并被确定为胃癌的独立预后风险因素。

Rac1也影响整合素功能。研究表明，Rac1通过转染实验诱导整合素亚基α6（ITGA6）在细胞膜上的异常表达和聚集。细胞外基质（ECM）与ITGA6之间的相互作用随后激活胃癌细胞中的FAK/AKT通路，加剧胃癌的腹膜转移。

Rac1促进胃癌细胞上皮间质转化（EMT）

上皮间质转化对于肺、肝、胃和结肠癌等上皮性恶性肿瘤的侵袭和转移至关重要。在胃癌中，EMT促进癌细胞在邻近细胞和组织中的迁移，将极化的上皮细胞转化为可移动的间充质细胞，并对肿瘤侵袭和耐药性产生积极影响。

分泌型卷曲相关蛋白1（sFRP1）在胃癌组织中表达升高，其上调受Wnt/β-连环蛋白信号通路促进。sFRP1恢复糖原合成酶激酶3β（GSK3β）活性，从而促进Rac1激活，而Rac1的异位过表达同时抑制SMAD家族成员3（Smad3）活性；这些相互作用共同增强了胃癌中EMT的恶性表型。研究证明TGF-β1处理促进胃癌细胞的上皮间质转化和侵袭，并伴随Rac1和β-连环蛋白表达升高，这些效应可被二烯丙基二硫抑制。二烯丙基二硫被发现可抑制Rac1-Pak1/Rock1-LIMK1通路，导致p-LIMK1和p-丝切蛋白1表达降低，从而降低MMP-9表达，增加TIMP-3表达，并抑制EMT。

研究建立了TGF-β1诱导的MGC-803和MKN45细胞系上皮间质转化的体外模型。发现干扰Rac1和Prex1可抑制EMT，促进凋亡，上调E-钙粘蛋白和PDLIM2表达，并抑制N-钙粘蛋白和波形蛋白表达。此外，锌指E盒结合同源框1（ZEB1）、ZEB2和Snail等EMT相关蛋白在胃癌组织中显示表达增加。多项研究表明，Rac1激活可增加ZEB1、Snail和TWIST的表达，例如通过Rac1/PI3K/AKT信号通路。这些EMT调节因子附着于上皮基因（如E-钙粘蛋白）的启动子区域，招募辅阻遏物，并有效阻断这些基因的转录。同时，它们刺激间充质基因（如N-钙粘蛋白）的表达，协同支持细胞EMT。

胃癌细胞缺氧和氧化应激中的Rac1

Rac1参与胃癌的缺氧和氧化应激，促进胃癌细胞的迁移。活性Rac1通过其与NADPH氧化酶（NOX）的胞质激活剂的相互作用促进活性氧（ROS）的产生。研究证明，缺氧显著提高了胃癌细胞中脂质清道夫簇分化36（CD36）的表达。此外，活性Rac1和Cdc42的增加可能促进CD36过表达细胞增强的迁移和侵袭能力。

天冬氨酸（ASPN），一种小的蛋白聚糖，减轻胃癌细胞中的氧化应激，并通过上调簇分化44（CD44）激活Rac1信号通路，从而增强这些细胞的迁移和侵袭能力。

在缺氧条件下，胃癌细胞中神经前体细胞表达发育性下调蛋白9（NEDD9）表达增加，其调节与Cas L1相互作用分子（MICAL1）的表达增加，并以Rac1依赖的方式促进缺氧诱导的胃癌细胞迁移。PlexinA1以依赖于Rac1和ROS的方式与肌动蛋白细胞骨架调节因子MICAL1相互作用，调节波形蛋白表达，并防止MICAL1降解，从而促进胃癌细胞迁移。此外，Rho GTP酶激活蛋白15（ARHGAP15）抑制Rac1活性并减少细胞内ROS积累，从而提高氧化应激期间肿瘤细胞的抗氧化能力。研究证明，胃癌细胞中Rac1的激活导致缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）和血管内皮生长因子（VEGF）的表达上调，这与PI3K通路相关。

幽门螺杆菌（H. pylori）相关胃癌中的Rac1

幽门螺杆菌感染显著促进Correa序列，是胃浸润性癌的关键风险因素。其在胃粘膜的定植激活MAPK信号级联反应，并增强活性ROS和促炎介质（包括IL-1β）的分泌。Rac1参与幽门螺杆菌感染的几个阶段；然而，其精确机制仍在研究中。

脂多糖（LPS）、空泡毒素基因A（VacA）和细胞毒素相关基因A（CagA）是决定幽门螺杆菌毒力的主要因子。研究显示，胃上皮细胞上的Toll样受体4（TLR4）识别内毒素LPS，触发复杂的细胞信号反应，包括MyD88依赖性和TRIF依赖性通路。它作为主要的先天免疫系统检测和通讯机制。幽门螺杆菌LPS激活原代胃粘膜细胞，导致Dock180磷酸化诱导和Rac1-GTP水平显著升高。LPS通过PI3K/Rac1/PAK1信号通路增强NF-κB表达，随后提高IL-1β表达，并通过Rac1/PAK1/半胱天冬酶-1信号通路促进pro-IL-1β成熟。此外，它通过Rac1/p38/cPLA2信号轴上调MMP-9的释放。LPS通路还增强了AGS和NCI-N87细胞系中Rac1和NOX1的激活，增加了ROS浓度。此外，Rac1促进胃粘膜细胞中的TNF-α转化酶。这些结果表明Rac1在与胃癌相关的氧化应激和炎症中起关键作用。

CagA在细胞内被Src家族激酶酪氨酸磷酸化，自身附着于Crk衔接蛋白（Crk和Crk-L），触发Dock180/Rac1信号通路，并促进细胞周期进程、运动、迁移和吞噬作用。此外，Crk/Crk-L激活细胞内Abl（c-Abl），进而通过皮质Y-470磷酸化/GEF结合（Vav2结合）/Rac1 GTP信号通路刺激肌动蛋白重排和细胞分散，从而促进迁移和粘附。

分泌的多功能毒素VacA与F-肌动蛋白结构上方的质膜结构域（脂筏）结合。通过脂筏依赖性内化，它到达晚期内吞区室并诱导空泡形成。VacA通过谷胱甘肽（GSH）/Rac1/ERK依赖性机制导致连接蛋白43在自噬囊泡中积累，从而引起凋亡。

有趣的是，也有报道称Rac1表达在幽门螺杆菌感染的胃上皮细胞中降低。在此背景下，通过ILK/Rac1/PAK1信号通路的激活观察到改变的肌动蛋白聚合，促进了伪足形成和细胞迁移。此外，Rac1在幽门螺杆菌感染的胃肿瘤中显示低甲基化，尽管其上游调节因子ELMO1和DOCK180持续且显著地高甲基化。

Rac1作为胃癌的分子治疗靶点

Rac1的分子抑制剂

Rac1在各种治疗抵抗性恶性肿瘤中的普遍过表达和过度活化使其成为有吸引力的治疗靶点。初步研究确定NSC23766为第一代Rac1抑制剂，它破坏Rac1-GEF相互作用（Trio/Tiam1结合），同时保留Cdc42和RhoA活性。随后的努力导致了EHop-016的开发，它靶向Rac GEF Vav。EHop-016表现出PAK1抑制和较低的半数抑制浓度（IC₅₀）。其他靶向Rac1的化合物，包括EHT 1864、Z62954982和1A-116，均在肿瘤模型中被报道能抑制Rac1。最近，R-酮咯酸成为第一个FDA批准的Rac1/Cdc42抑制剂，并已被证明能显著减少卵巢癌的癌症扩散。

此外，还研究了靶向Rac1上游和下游效应器的小分子抑制剂。例如，LY294002（一种PI3K抑制剂）和U0126（一种MEK/ERK抑制剂）通过破坏其上游信号传导来降低Rac1活性，而SP600125（一种JNK抑制剂）通过影响其下游信号传导来减少Rac1激活。

迄今为止，NSC23766仍然是唯一在胃癌细胞中经过特异性研究的合成抑制剂。然而，几种天然生物提取物已在胃癌模型中显示出Rac1抑制活性。例如，从淫羊藿（一种传统中药）中纯化的提取物淫羊藿苷，通过Rac1依赖的血管舒张刺激磷蛋白（VASP）通路对胃癌细胞的侵袭和迁移产生负面影响。川陈皮素，一种柑橘类黄酮，通过FAK/PI3K/Akt通路抑制Rac1表达，以及Ras、c-Raf、Cdc42和RhoA的表达。来自大蒜的二烯丙基二硫（DADS）已被证明能抑制Rac1-Pak1/Rock1-LIMK1通路并阻断Rac1信号。研究发现，生物活性蛋白pPeOp（来自雷丸）可以通过上调miR-30b-5p和下调RAB22A表达，进而减少Rac1/Cdc42的表达和激活及其下游靶点（p-PI3K, p-AKT, AKT, p-PAK1, RACGAP1），导致细胞骨架结构破坏并抑制胃癌细胞增殖、迁移和侵袭。

microRNA（miRNA）介导的Rac1沉默机制

MicroRNA（miRNA）失调是肿瘤转化的标志，通过作为表观遗传调节因子的双重功能，发挥致癌或肿瘤抑制功能，从机制上驱动癌发生。通过调节与肿瘤生长、转移、肿瘤微环境（TME）和免疫反应相关的基因，靶向特定miRNA提供了一种有前景的癌症治疗方法。

报告表明，miR-1296-5p、miR-630、miR-124-3p、miR-148b-3p和miR-345通过几个信号轴调节Rac1表达。MiR-345直接靶向表皮生长因子受体通路底物8（EPS8），导致Rac1失活，并抑制细胞迁移、EMT和癌症干细胞表型，从而抑制胃癌转移。MiR-19a和miR-96通过FAK-PI3KR1-VAV3-Rac1-PAK3轴抑制驱动蛋白超家族蛋白26A（KIF26A）表达，从而抑制EMT和迁移。

Rac1的免疫治疗

免疫疗法对于晚期胃癌的保守治疗至关重要。肿瘤细胞中Rac1的表达维持了一种免疫抑制状态，通过正相关于肿瘤微环境中Th2细胞和巨噬细胞的浸润，降低了患者对免疫检查点抑制剂的反应率。然而，其作为胃癌免疫治疗靶点的潜力在很大程度上仍未得到检验，这表明这是一个有前景的进一步研究途径。本节简要概述了Rac1相关免疫治疗研究的现状。

Rac1在免疫系统中的表达通常影响免疫细胞的发育和免疫微环境的构建。因此，Rac1在改善免疫反应和解决诸如肿瘤治疗抵抗等医学问题方面具有巨大潜力。研究表明，Rac的表达参与常见淋巴祖细胞（CLPs）的发育、Akt激活、IL-2产生以及胸腺细胞中T细胞的成熟和增殖。其缺失显著降低T细胞的粘附、迁移和存活。在Kit 225 T细胞中，糖原磷酸化酶肌肉同工酶（PYGM）可以控制Rac1活性，允许IL-2刺激的T细胞增殖。类似地，Rac1缺失与B细胞受体增殖、存活、粘附和迁移方面的类似缺陷相关。

在黑色素瘤中，Rac1激活增加促进细胞毒性T细胞（CTL）归巢到淋巴结和肿瘤，同时增殖增加，而Rac1^P29S突变调节PD-L1表达。在溃疡性结肠炎相关癌症中，Rac1影响中性粒细胞趋化性和凋亡。Rac1还对卵巢肿瘤微环境信号产生复杂影响。此外，Rac1 GEF DOCK4在胃腺癌（STAD）中与预后免疫生物标志物的表达存在显著相关性，可能暗示其参与免疫浸润和免疫逃避。

结论与展望

Rac1作为Rho GTP酶家族的关键成员，调节细胞骨架动力学、细胞粘附和运动。其活性与胃癌进展密切相关，并有助于细胞增殖、EMT、迁移和侵袭等关键过程。新出现的证据也表明Rac1参与调节肿瘤免疫微环境，突出了其在传统致癌作用之外的相关性。重要的是，Rac1活性可能因肿瘤细胞亚型、微环境条件以及与其他信号通路的串扰而异。更深入地了解Rac1的多方面作用对于制定有效的、生物标志物驱动的胃癌治疗策略至关重要。

Rac1活性的复杂调节涉及跨多个信号网络的复杂相互作用，并且因胃癌的不同分子亚型而异，这使其治疗靶向复杂化。Lauren分类将胃癌分为肠型胃癌（IGC）和弥漫型胃癌（DGC）。大多数DGC属于基因组稳定型，并表现出高腹膜转移率。研究建立了表现出与IGC和DGC相似生物学行为的细胞系，发现Rac1抑制剂显著抑制了DGC样细胞的运动，但未能抑制另一种类型。

脱靶效应和通路冗余可能进一步混淆Rac1抑制剂的临床疗效。因此，更深入的机制研究对于阐明Rac1在胃癌进展中的作用及其与关键致癌通路的相互作用至关重要。值得注意的是，最近关于MAPK1的发现拓宽了这一视角。除了其典型的激酶功能外，MAPK1还作为双向转录因子，直接结合基因启动子，协调上调或下调参与细胞运动和侵袭的基因。这种双重作用强调了胃癌转移中转录调节因子不断扩大的前景。同时，对胃癌肿瘤组织中Rac1相关基因表达谱的整合基因组学和转录组学分析可能会改善患者分层，并促进更精确、靶向治疗策略的开发。

Rac1抑制剂在肿瘤治疗中的应用仍然是一个备受关注的主题。研究发现，将EHop-016与多柔比星（DNR）联合使用可显著降低斑马鱼幼虫的肿瘤负荷。目前所有可用的Rac1抑制剂都存在显著的局限性，包括低特异性和不合适的IC₅₀，这可能导致临床应用中出现显著的副作用。研究还表明，Rac1抑制剂1A-116可以穿过血脑屏障，表现出良好的毒理学特性，并在人胶质母细胞瘤裸鼠模型中显示出剂量依赖性的抗肿瘤作用。由于Rho GTP酶网络内复杂的信号串扰以及选择性调节Rac1驱动致癌通路方面未解决的药效学挑战，针对胃癌的Rac1靶向治疗策略的研究仍然有限。

新出现的证据表明，靶向Rac1的miRNA可以抑制胃癌细胞中的致癌基因，从而抑制增殖、EMT和侵袭。未来的研究应侧重于阐明这些miRNA在表观遗传修饰、基因沉默和蛋白信号传导中的调节作用。这些见解可能有助于胃癌的分子分型，并促进与特定致癌特征相一致的基于miRNA的靶向疗法的开发。Rac1抑制剂的联合治疗策略已被证明能显著降低癌细胞的增殖和迁移能力，并恢复肿瘤的化疗敏感性。在其他肿瘤中，Rac1抑制在增强免疫联合治疗中免疫细胞的能力方面也显示出积极效果。然而，Rac1抑制剂尚未在胃癌中与其他信号分子抑制剂和免疫相关疗法联合进行研究，这两者都有望成为未来研究的热点。在胃癌自发性肺转移模型中，5-FU与中药方剂的联合应用暗示了Rac1抑制在预防胃癌特定转移方面的潜力。

总之，越来越多的实验数据支持Rac1作为胃癌发展和转移病理生理过程的关键调节因子，作为新型治疗靶点具有重大前景。通过深入研究其调控机制、探索其临床应用并将实验室结果与临床研究相结合，我们期待开发出更有效的治疗方案，以改善胃癌患者的预后。