劉思旸,鄒志鵬,酈 俊綜述,鄧 凡審校

綜 述

蛋白激酶蛋白家族的功能研究進展

劉思旸,鄒志鵬,酈 俊綜述,鄧 凡審校

蛋白激酶D(protein kinase D,PKD)屬絲氨酸 /蘇氨酸 (serine/threonine,Ser/Thr)蛋白質家族,主要包括 3個成員:PKD1/PKCμ、PKD2、PKD3/PKCν。其結構相對保守,均具有相似的調節(jié)結構域和激酶結構域。近年來的研究表明 PKD家族蛋白參與細胞生長、增殖、遷移、分化、凋亡,高爾基體的組織和重建,免疫應答,內分泌調節(jié)、增強心肌收縮力等多種生理功能。

蛋白激酶D;信號轉導

0 引 言

PKD屬于一類新的 Ser/Thr蛋白激酶,可結合二酰基甘油 (diacylglycerol,DAG)和佛波酯,并由蛋白激酶 C(protein kinase C,PKC)激活。由于其激酶結構域與鈣/鈣調蛋白調節(jié)性激酶 (Ca2+/calmodulin-dependent kinase,CAMK)家族的同源性高于PKC家族,故現(xiàn)已歸為 CAMK家族激酶。目前已鑒定出3種 PKD亞型,即 PKD1、2、3?，F(xiàn)已證實 PKD參與細胞高爾基體反面膜轉運、細胞生長、增殖、遷移、分化和凋亡等多種細胞功能的調節(jié)[1]。文中就PKD蛋白的主要結構特點、在細胞內的信號轉導及相關功能的最新研究進展作一綜述。

1 PKD的結構特點

3種 PKD亞型都包含一個 N末端調節(jié)結構域和 C端的激酶結構域。前者又由可結合DAG和佛波酯并且富含半胱氨酸的鋅指結構域 (cysteine-rich Zn finger domain,CYS)、酸性結構域 (acidic domain, AC)及自身磷酸化抑制性 (pleckstrin homology, PH)調節(jié)結構域組成。其中,CYS1介導 PKD與高爾基體網(wǎng)絡結構反面 (trans-Golgi ne twork,TGN)的識別及 PKD的質膜轉運,而CYS2主要調控 PKD與質膜結合的穩(wěn)定性。盡管 PKD家族蛋白 3個成員結構相對保守且十分相似,但并不完全相同。PKD1和 PKD2的N-末端分別以富含丙氨酸/脯氨酸(alanine/proline,A/P)和富含脯氨酸的結構域為起始,而 PKD3則缺少此結構。此外,PKD2的調節(jié)結構域中還存在特殊的富含絲氨酸的結構域 (serine, S)[1],見圖 1。

圖1 PKD結構比較Figure 1 The structnre of PKD fam ily

2 PKD參與的信號轉導

迄今對 PKD信號通路的精確調節(jié)機制尚有待深入研究。3種 PKD亞型中,對 PKD1研究最多的體內 PKD1的激活機制可能包括以下 3種:①通過PKC的轉激活傳遞DAG,可引起 PKC/PKD信號活化。當外源生長因子如血小板源性生長因子(platelet-derived growth factor,PDGF)和神經(jīng)肽與細胞膜上特異的受體結合后,胞內磷脂酶 C(phospholipase C,PLC)發(fā)生活化,催化產(chǎn)生細胞內第二信使DAG,后者激活 PKC,從而通過 PKC的轉激活而使 PKD活化,即 PLC-PKC-PKD1途徑,②Gβ γ(細胞內的 G蛋白的亞基β γ)也可通過與 PH結構域的相互作用活化 PKD1,調節(jié)高爾基體的重建與功能;③利用具有遺傳毒性的藥物誘導細胞凋亡過程中的 casepase對 PKD1的切割實現(xiàn) PKD1的活化[1]。

3 PKD的生物學功能

PKD的調節(jié)功能與臨床疾病的關系目前尚知之甚少。作為DAG和 PKC的雙重靶分子,PKD在機體各器官、組織及細胞中的功能作用日益受到關注。

3.1 PKD與心血管系統(tǒng) 作為心臟泵血功能的基礎,興奮收縮耦聯(lián)與心肌細胞的鈣離子內流密切相關。PKD可有效調節(jié)細胞內鈣離子的濃度,加強心肌收縮力并保護心肌。在動物實驗中使大鼠的心肌細胞過表達 PKD1,或利用 siRNA降低其內源性PKD1的表達,結果表明 PKD1可通過調節(jié)心肌細胞中L型鈣離子通道使鈣離子有效流入心肌細胞[2]。細胞內鈣離子濃度過高可引起鈣超載,如心肌缺血再灌注損傷。PKD作為多功能蛋白可有效地抑制線粒體對鈣離子的攝取,從而減少鈣超載對心肌細胞的損傷[3]。PKD還可通過使使心肌肌鈣蛋白 I (cardiac troponin I,cTnI)中 Ser22/23位點磷酸化來減輕心肌細胞肌原纖維的鈣離子敏感性,心肌肌球結合蛋白 C(cardiac myosin-binding protein C, cMyBP-C)中 Ser302位點磷酸化來增強橫橋的周期動力作用。因此,活化 PKD可以加強心肌收縮力[4]。

最近有研究者在自發(fā)性高血壓大鼠實驗中發(fā)現(xiàn)收縮壓、心肌細胞直徑(檢測心肌肥大情況)等指標均與 PKD的活化程度呈正相關,而阿托伐他汀(atorvastatin)可顯著地抑制 PKD的活化[5],這提示了阿托伐他汀治療高血壓的應用前景。

血管擔負著運輸血液的重要功能,而血管內皮細胞作為血管壁的重要組成部分具有多種功能,在維持血管正常生物學功能中發(fā)揮重要作用。血管緊張素 2(angiotensin II,Ang II)與內皮細胞的過度增殖密切相關。實驗證實 ang II通過 AT1/PKC/PKD信號通路激活細胞外信號調節(jié)激酶 5(extracellular signal-regulated kinase 5,ERK5),導致人主動脈平滑肌細胞的過度增殖。PKD在這一通路中起著關鍵作用[6]。

3.2 PKD與內分泌系統(tǒng) 內分泌系統(tǒng)是參與機體組織細胞的新陳代謝,調節(jié)生長發(fā)育及生殖等過程,以分泌各種激素的體液性調節(jié)方式發(fā)布調節(jié)信息,而Ang II是重要的激素之一。有研究表明,在鼠動脈平滑肌細胞中 PKD1可介導Ang II誘導的醛固酮釋放[7]。醛固酮是機體保鈉泌鉀的重要物質,其含量升高可引起機體血容量增加而升高血壓,提示PKD1介導的醛固酮釋放可引起血壓的改變。

PKD1還可調節(jié)胰島素分泌與葡萄糖耐受性。當使用 siRNA降低 INS1細胞(鼠胰腺β細胞)中內源性 PK D1表達后,利用葡萄糖或乙酰膽堿類似物卡可林(carbachol)誘導的胰島素分泌都受到阻滯。人體內與新陳代謝疾病相關的基因分為 4種,即 p38α、β、γ、δ,其中 p38δ可抑制 p38delta活化的 PKD1,增強胰島素的分泌,提高體內葡萄糖的耐受性。提示 p38δ通過負調節(jié) PKD1而調節(jié)葡萄糖的耐受[8]。

在穩(wěn)定的BON細胞系(一種來源于人胰腺類癌瘤的新型內分泌細胞)中轉入無活性PKD2基因后,細胞釋放的神經(jīng)降壓素 (neutrotensin,NT)明顯減少。NT是體內的一種重要的激素,參與胃腸細胞分泌、炎性反應、腫瘤細胞生長與增殖等過程,提示PKD2通過調節(jié)神經(jīng)降壓素的釋放而參與相關的功能[9]。

3.3 PKD與神經(jīng)元 用綠色熒光蛋白標記的內源性 PKD1進行體內和體外實驗研究,發(fā)現(xiàn)高爾基復合體和樹突中存在活性 PKD1,參與調節(jié)與維持上述兩者的完整性,而在軸突以及軸突成熟過程中PKD1幾乎是無活性的,提示 PKD1在神經(jīng)元的成熟極化過程中可能起重要作用[10]。

在海馬神經(jīng)元中,轉鐵蛋白受體 (transferrin receptor,TfR)與低密度相關受體蛋白 (low-density receptor-related protein,LRP)在正常情況下幾乎全部運送到樹突,而當 PKD1被 siRNA沉默時,這兩種蛋白質就會錯誤地進入原來轉運軸突膜蛋白的囊泡中,同時運向樹突與軸突[11]。表明 PKD通過參與調節(jié)樹突膜蛋白轉運與分選,保證神經(jīng)元細胞正常的生命活動。

3.4 PKD與免疫調節(jié) 單核細胞是重要的免疫細胞,其活化、遷移與動脈粥樣硬化及炎癥等疾病密切相關。而 PKD2是急性單核細胞白血病細胞株THP-1和人單核細胞中 PKD表達的主要亞型。通過 siRNA降低這兩種細胞中 PKD2活性后發(fā)現(xiàn),溶血磷脂膽堿 (lysophosphatidylcholine,LysoPC)即氧化的低密度脂蛋白的主要組分,主要通過 p38通路誘導 PKD2快速激活導致這兩種細胞的遷移[12]。

PKD還參與調控炎癥因子的釋放。在結腸上皮細胞中發(fā)現(xiàn)LysoPC可通過激活 PKD2而使NF-κB活化的方式介導 IL-8的釋放[13],后者是中性粒細胞的重要趨化因子,PKD因此參與炎癥的調節(jié)。

3.5 PKD與腫瘤細胞 基質金屬蛋白酶 (matrix metalloproteinase,MMP)在腫瘤的遷移、侵襲中發(fā)揮重要作用[14-15],而 PKD在腫瘤細胞的增殖、凋亡中的作用受到關注。PKD通過調節(jié)MMP的表達可能促進腫瘤的侵襲轉移。PKD1不但能促進胰腺癌細胞增殖和抗凋亡作用[16],而且可抑制胰腺癌細胞的遷移[17]。在前列腺癌細胞中發(fā)現(xiàn) PKD1使上皮細胞鈣粘蛋白 E(E-cadherin)磷酸化而增強腫瘤細胞的聚集,從而抑制前列腺癌細胞的遷移[18]。在體外實驗中 PKD1可抑制胃癌細胞的遷移和侵襲,通過調節(jié)細胞內MMP的表達而抑制乳腺癌細胞的侵襲[19-20]。然而,PKD1是否在體內具有抑制腫瘤細胞的遷移和侵襲尚待研究。

雖然 PKD1和 PKD3的基因結構和氨基酸順序具有較高的同源性,但 PKD3在前列腺癌組織中的表達與正常人前列腺組織相比明顯上調。前列腺癌細胞核內的聚集程度與前列腺癌分級密切相關。在侵犯性更強的轉移性前列腺癌細胞 PC3和 DU145中,PKD3的表達比低轉移性的前列腺癌細胞LNCaP明顯上調。內源性 PKD3的減少或抑制明顯降低前列腺癌細胞 PC3的生長和存活,從而抑制細胞增殖[21]。

PKD3過表達的肺癌細胞骨轉移傾向最為明顯。PKD3可促使腫瘤細胞分泌 MMP,尤其是MMP2和MMP9的表達[22],但 PKD3調節(jié)MMP分泌的機制尚還不清楚。

4 前景展望

PKD在多種細胞生命活動中發(fā)揮不可替代的重要調節(jié)作用,如心肌收縮、神經(jīng)元形成、免疫調節(jié)、內分泌及腫瘤進展等。但 PKD的具體作用機制及與不同的信號途徑之間的相互作用尚待深入研究。PKD可能與多種人類疾病發(fā)生密切相關,但利用PKD改變細胞內的信號通路來實現(xiàn)治療疾病的目的尚有很長的距離。闡明 PKD在信號轉導中的具體作用機制及細胞內生物學功能將為疾病的治療提供新思路。

[1] WangQJ.PKD at the crossroadsofDAG and PKC signaling[J]. Trends Pharmacol Sci,2006,27(6):317-323.

[2] Leyla Y.Protein kinaseD regulatesL-type Ca2+current in cardiac ventricular myocytes[J].Biophys J,2009,96(3suppl): 512a.

[3] Koncz P,Szanda G,Fül?p L,et al.MitochondrialCa2+uptake is inhibited by a concerted action of p38 MAPK and protein kinase D[J].Cell calcium,2009,46(2):122-129.

[4] Bardswell SC,Cuello F,Rowland AJ,et al.Distinct sarcomeric substrates are responsible for protein kinase D-mediated regulation of cardiac myofilament Ca2+sensitivity and crossbridge cycling[J].J Biological Chem,2010,285(8):5674-5682.

[5] Geng J,Zhao Z,KangW,et al.Atorvastatin reverses cardiac remodeling possibly through regulation ofprotein kinaseD/myocyte enhancer factor 2D activation in spontaneously hypertensive rats [J].Pharmacol Res,2010,61(1):40-47.

[6] Geng J,Zhao Z,KangW,et al.Hypertrophic response to angiotensin II ismediated by protein kinase D-extracellular signal-regulated kinase 5 pathway in human aortic s moothmuscle cells[J]. Biochem Biophys Res Commun,2009,388(3):517-522.

[7] Shapiro BA,Olala L,Arun SN,et al.Angiotensin II-activated protein kinase D mediates acute aldosterone secretion[J].Mol Cell Endocrinol,2010,317(1-2):99-105.

[8] Sumara G,Formentini I,Collins S,et al.Regulation of PKD by theMAPK p38delta in insulin secretion and glucose homeostasis [J].Cell,2009,136(2):235-248.

[9] Li J,Chen LA,Townsend CMJr,et al.PKD1,PKD2,and their substrate Kidins220 regulate neurotensin secretion in the BON human endocrine cell line[J].J Biol Chem,2008,283(5): 2614-2621.

[10] Cz?nd?r K,Ellwanger K,Fuchs YF,et al.Protein kinase D controls the Integrity of golgi apparatus and the maintenance of dendritic arborization in Hippocampal neurons[J].Mol Biol Cell, 2009,20(7):2108-2120.

[11] BisbalM,Conde C,DonsoM,et al.Protein kinase D regulates trafficking of dendritic membrane proteins in developing neurons [J].J Neurosci,2008,28(37):9297-9308.

[12] TanM,Hao F,Xu X,et al.Lysophosphatidylcholine activates a novel PKD2-mediated signaling pathway that controls monocyte migration[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2009,29(9): 1376-1382.

[13] Chiu TT,LeungWY,MoyerMP,et al.Protein kinaseD2 mediates lysophosphatidic acid-induced interleukin 8 production in nontransformed human colonic epithelial cells throughNF-kappaB [J].Am J Physiol Cell Physiol,2007,292(2):C767-777.

[14] 吳新正,何迎春,田道法.基質金屬蛋白酶和血管內皮生成因子的生物學特征及其在鼻咽癌細胞浸潤和轉移中的作用[J].醫(yī)學研究生學報,2009,22(3):299-302.

[15] 張先燎,施 鑫.基質金屬蛋白酶及金屬蛋白酶組織抑制劑與骨肉瘤侵襲轉移的關系 [J].醫(yī)學研究生學報,2009,22 (9):996-1000.

[16] Trauzold A,Schmiedel S,Sipos B,et al.PKCmu prevents CD95-mediated apoptosis and enhancesproliferation in pancreatic tumour cells[J].Oncogene,2003,22(55):8939-8947.

[17] Eiseler T,Schmid MA,Topbas F,et al.PKD is recruited to sites of actin remodelling at the leading edge and negatively regulates cell migration[J].FEBS Lett,2007,581(22):4279-4287.

[18] JaggiM,Rao PS,Smith DJ,et al.E-cadherin phosphorylation by protein kinaseD1/protein kinase C{mu}is associatedwith altered cellular aggregation and motility in prostate cancer[J]. Cancer Res,2005,65(2):483-492.

[19] Eiseler T,D?ppler H,Yan IK,et al.Protein kinase D1 regulates matrix metallo proteinase expression and inhibits breast cancer cell invasion[J].Breast Cancer Res,2009,11(1): R13.

[20] Kim M,Jang HR,Kim JH,et al.Epigenetic inactivation of protein kinase D1 in gastric cancer and its role in gastric cancer cell migration and invasion[J].Carcinogenesis,2008,29(3):629-637.

[21] Chen J,Deng F,Singh SV,et al.Protein kinase D3(PKD3) contributes to prostate cancer cell growth and survival through a PKCepsilon/PKD3 pathway downstream of Akt and ERK 1/2 [J].Cancer Res,2008,68(10):3844-3853.

[22] Vicent S,Luis-Ravelo D,Anton I,et al.A novel lung cancer signature mediatesmetastatic bone colonization by a dual mechanis m[J].Cancer Res,2008,68(7):2275-2285.

Advances in the function of protein kinase D fam ily

L IU Si-yang,ZOU Zhi-peng,L IJunreview ing,DENG Fanchecking
(1.First ClinicalMedical School,Southern MedicalUniversity,Guangzhou510515,Guangdong,China;2.Departm ent of Cell B iology,Southern Medical University,Guangzhou510515,Guangdong,China)

Protein kinase D(PKD)is a kind of Ser/Thr protein kinases including three members:PKD1/PKCμ,PKD2, PKD3/PKC.All of them have conserved structures and similar regular domains.Recently many investigations have found that PKDs contribute to many cellucar biological functions such as cell survival,migration,differentiation,apoptosis,organization and regeneration of Golgi’s apparatus,immune responses,regulation of endocrine secretion and myocardial contractility.

Protein kinasesD;Signal transduction

Q555.7

A

1008-8199(2011)02-0208-04

國家自然科學基金(30973014)

510515廣州,南方醫(yī)科大學第一臨床醫(yī)學院細胞生物學教研室[劉思旸 (醫(yī)學碩士研究生)、鄒志鵬、酈 俊、鄧 凡]

鄧 凡,E-mail:fandeng@s mu.edu.cn

2010-07-21;

2010-08-02)

(責任編輯:齊 名;英文編輯:李曉軍)