韓 柳, 郭 婷, 劉德良, 譚玉勇

韓柳, 郭婷, 劉德良, 譚玉勇, 中南大學(xué)湘雅二醫(yī)院消化內(nèi)科 湖南省長沙市 410011

韓柳, 郭婷, 劉德良, 譚玉勇, 中南大學(xué)消化病研究中心 湖南省長沙市410011

0 引言

去泛素化酶(deubiquitinating enzymes, DUBs)發(fā)現(xiàn)于上世紀(jì)90年代, 其廣泛分布于機(jī)體的各種細(xì)胞內(nèi), 通過水解蛋白質(zhì)底物上所存在的泛素鏈, 對(duì)蛋白質(zhì)產(chǎn)生去泛素化作用, 從而調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的降解, 同時(shí)也可對(duì)蛋白質(zhì)的功能產(chǎn)生影響[1]. 目前已發(fā)現(xiàn)的去泛素化酶包括6大亞家族, 共約90多種去泛素化酶成員, 這些酶通過其生物化學(xué)功能, 在細(xì)胞的生長、DNA修復(fù)、炎癥反應(yīng)、免疫調(diào)節(jié)、神經(jīng)功能、腫瘤發(fā)生發(fā)展及分子信號(hào)通路等多方面發(fā)揮重要作用[2].

結(jié)直腸癌作為發(fā)病率、死亡率最高的五大惡性腫瘤之一, 嚴(yán)重的威脅了人類健康, 影響人類壽命及生活質(zhì)量, 造成了較重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān). 越來越多的研究報(bào)道發(fā)現(xiàn)去泛素化酶家族在結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展中起到重要的調(diào)控作用, 本文就此相關(guān)進(jìn)展作如下綜述.

1 泛素蛋白特異性蛋白酶家族

泛素蛋白特異性蛋白酶家族(ubiquitin-specific processing proteases, USPs)屬于半胱氨酸蛋白酶, 是目前已知的DUBs中成員最多, 結(jié)構(gòu)功能最具多樣性的一類成員, 已發(fā)現(xiàn)50多名成員[3]. 該家族都具有高度保守的USP域, 其三個(gè)子域形成獨(dú)特的結(jié)構(gòu), 類似于人類的右手手掌、拇指及其余手指, 前兩個(gè)子域之間包含催化位點(diǎn), 而手指域負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)端泛素鏈接[2]. 多種成員已報(bào)道與腫瘤發(fā)生發(fā)展有關(guān), 如USP4, USP7, USP14, USP21, USP22, USP33,USP39, USP46及USP54等, 已知與結(jié)直腸癌發(fā)生發(fā)展相關(guān)的成員有USP1, USP4, USP5, USP9X, USP10, USP14,USP17, USP22, USP33, USP44, USP46及USP54.

USP1是一種785氨基酸去泛素化酶, 含有His和Cys結(jié)構(gòu)域, 在泛素特異性加工(UBP)家族所有成員中高度保守[4]. Xu等[5]發(fā)現(xiàn)USP1在原發(fā)性CRC中呈高表達(dá), 高表達(dá)USP1與結(jié)腸癌分期晚和生存時(shí)間短相關(guān), 敲降USP1可引起G2/M細(xì)胞周期阻滯、下調(diào)BCL-2和MCL-1表達(dá),USP1抑制劑ML323可增強(qiáng)結(jié)直腸癌細(xì)胞對(duì)DNA損傷化療藥物敏感性.

USP4是一種重要的細(xì)胞通路調(diào)節(jié)因子, 參與調(diào)節(jié)P53、TGF-β應(yīng)答、NF-κB信號(hào)傳導(dǎo)和剪接, 在腫瘤發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用[6]. Xing等[7]發(fā)現(xiàn)USP4表達(dá)在結(jié)腸直腸癌組織中顯著升高, 并且與腫瘤大小、分化程度、遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移和生存率相關(guān), 并闡明其機(jī)制為USP4通過去泛素化PRL-3從而穩(wěn)定化PRL-3, 進(jìn)而激活PI3K/AKT信號(hào)傳導(dǎo), 下調(diào)E-鈣粘蛋白表達(dá). 此外, Yun等[8]發(fā)現(xiàn)USP4可通過去泛素化β-catenin調(diào)控WNT/β-catenin途徑來促進(jìn)結(jié)直腸癌的發(fā)展, 同時(shí)他們篩選一種高選擇性的USP4抑制劑,Neural red (NR), 發(fā)現(xiàn)其可以阻礙CRC腫瘤細(xì)胞的生長.

USP14對(duì)真核生物至關(guān)重要, 其參與調(diào)節(jié)細(xì)胞生理的許多方面, 研究表明USP14可在體外抑制蛋白酶體, 還可抑制細(xì)胞中的蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)[9]. Wu等[10]人發(fā)現(xiàn)USP14在正常的結(jié)直腸上皮細(xì)胞中不表達(dá)或低表達(dá), 而在結(jié)直腸癌細(xì)胞中其表達(dá)水平顯著升高, 其表達(dá)水平與病理分期、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移、肝轉(zhuǎn)移密切相關(guān), 且高表達(dá)的USP14患者其預(yù)后較差. 后續(xù)的組織微陣列分析表明USP14通過增強(qiáng)Wnt/β-catenin信號(hào)傳導(dǎo)而促進(jìn)CRC發(fā)生發(fā)展[11,12].

研究表明IL-4和IL-6誘導(dǎo)了USP17的表達(dá)并進(jìn)一步調(diào)節(jié)細(xì)胞生長和存活, 并通過逆轉(zhuǎn)K63連接的RCE1的泛素化來調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖[13]. USP17在結(jié)直腸癌細(xì)胞系高表達(dá), 其表達(dá)在細(xì)胞周期中受到嚴(yán)格調(diào)控, 并在介導(dǎo)細(xì)胞周期進(jìn)程中發(fā)揮重要作用, 敲除USP17可顯著抑制細(xì)胞增殖并引起G1/S細(xì)胞周期阻滯[14]. 除此之外, Kim等[15]發(fā)現(xiàn)USP5在結(jié)直腸癌中呈高表達(dá), 且其表達(dá)水平與P53表達(dá)狀態(tài)相關(guān).

USP22具有調(diào)控腫瘤細(xì)胞周期的正向作用, 不少研究證實(shí)USP22是潛在的腫瘤干細(xì)胞標(biāo)志物. Jiang等[16]研究表明USP22在結(jié)直腸癌中的陽性表達(dá)率明顯高于癌旁正常組織, 并指出其可能通過去泛素化胞漿內(nèi)的β-catenin, 進(jìn)一步促進(jìn)FoxM1核內(nèi)轉(zhuǎn)移, 從而參與腫瘤細(xì)胞的侵襲、轉(zhuǎn)移. 姜爭等[17]發(fā)現(xiàn)USP22可通過BMI-1介導(dǎo)活化Akt通路, 從而控制結(jié)直腸癌細(xì)胞周期的進(jìn)展. 敖寧等[18]認(rèn)為USP22可通過參與調(diào)控BMI-1/INK4a/ARF/、AKt等多種結(jié)直腸癌相關(guān)信號(hào)通路, 并有助于提高STAT3的增殖作用, 而他們的研究同時(shí)也認(rèn)為, 該去泛素化酶可通過SIRT1-STAT3/MMP9途徑降低結(jié)直腸癌細(xì)胞的侵襲能力, 因此考慮USP22在結(jié)直腸癌細(xì)胞中有多種作用. Liu等[19]人發(fā)現(xiàn)USP22的高表達(dá)與結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移密切相關(guān), 也同樣證實(shí)USP22通過BMI-1/INK4a/ARF/、AKt等信號(hào)通路調(diào)節(jié)結(jié)直腸癌細(xì)胞的細(xì)胞周期.

Liu等[20]研究發(fā)現(xiàn)USP33在結(jié)直腸癌組織及結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移瘤組織中與正常組織相比均為低表達(dá), 其表達(dá)水平與腫瘤分化程度、腫瘤轉(zhuǎn)移及患者預(yù)后生存密切相關(guān), 其潛在機(jī)制可能為下調(diào)?-arrestin2的泛素化水平,從而抑制CXCR4內(nèi)吞過程, 阻斷其下游的ERK通路, 進(jìn)而下調(diào)結(jié)直腸癌細(xì)胞EMT蛋白表達(dá)及侵襲能力. Huang等[21]發(fā)現(xiàn)USP33通過去泛素化Robo1從而下調(diào)Silt2表達(dá)水平, 進(jìn)一步抑制CRC細(xì)胞遷移.

Li等[22]通過體內(nèi)外研究表明USP46是結(jié)直腸癌的抑癌因子, 其可促進(jìn)結(jié)直腸癌中PHLPP的去泛素化并穩(wěn)定其表達(dá)水平從而抑制AKt信號(hào)傳導(dǎo), 進(jìn)而抑制結(jié)直腸癌發(fā)生發(fā)展.

Fang等[23]過對(duì)結(jié)腸癌樣本進(jìn)行分析后 發(fā)現(xiàn), USP9X作為Mcl-1的去泛素化酶, 與Mcl-1和B淋巴細(xì)胞瘤-xL(Bcelllymphoma-extralarge, BclxL)在多數(shù)結(jié)腸腫瘤樣本中高表達(dá)并且共存, 而 Mcl-1和Bcl-xL的表達(dá)水平與臨床分期相關(guān). 體外實(shí)驗(yàn)表明USP9X的抑制劑WP1130能促進(jìn)Mcl-1降解, 與ABT-737聯(lián)合應(yīng)用顯示出化療的協(xié)同作用,促進(jìn)多種結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞的凋亡[24].

USP10主要定位在細(xì)胞質(zhì)中, 可以對(duì)翻譯后轉(zhuǎn)移至細(xì)胞質(zhì)中的多種蛋白質(zhì)去泛素化, 通過與G3BP之間的相互作用調(diào)控細(xì)胞的增殖、細(xì)胞周期、凋亡與自噬等生理過程. 成迎迎等[25]的實(shí)驗(yàn)顯示, USP10在結(jié)直腸癌中低表達(dá), 并且與結(jié)直腸癌的發(fā)生有關(guān), 而與其發(fā)展及預(yù)后無明顯相關(guān)性. Lin等[26]通過細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)USP10可以通過去泛素化作用穩(wěn)定SIRT6蛋白, 從而拮抗c-myc的轉(zhuǎn)錄激活, 最終抑制結(jié)直腸腺癌的發(fā)生. 然而, Ouyang等[27]通過多種實(shí)驗(yàn)證明USP10能夠穩(wěn)定MSI2修飾相關(guān)的去泛素酶鏈來調(diào)節(jié)MSI2的表達(dá)實(shí)現(xiàn)促進(jìn)結(jié)直腸癌的作用. Li等人最新的研究[28]發(fā)現(xiàn)USP10可以與PYD domain-containing protein 7(NLRP7)相互作用, 在結(jié)直腸癌細(xì)胞中催化NLRP7的去泛素化, 而NLRP7在體內(nèi)外均能促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖和轉(zhuǎn)移.

USP44是USP家族的重要成員, USP44具有保守的USP結(jié)構(gòu)域, USP44對(duì)于腫瘤的發(fā)生發(fā)展起著促進(jìn)還是抑制作用, 取決于腫瘤的種類. Huang等人[29]通過研究發(fā)現(xiàn), 在結(jié)直腸癌中, USP44過表達(dá)增加了Axin1蛋白, 而減少了β catenin, c myc和cyclin D1蛋白, USP44通過抑制Wnt/β catenin通路抑制結(jié)直腸癌細(xì)胞增殖同時(shí)促進(jìn)細(xì)胞凋亡, 因此, USP44是結(jié)直腸癌的抑癌因子, 也是結(jié)直腸癌治療的潛在靶點(diǎn).

USP54在結(jié)直腸癌的發(fā)展過程中也有起到一定的作用. Fraile等[30]使用氮氧甲烷(AOM)和硫酸右旋糖酐鈉(DSS)在USP54+/+和USP54KF/KF小鼠中誘導(dǎo)結(jié)腸癌, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示有USP54缺陷的小鼠浸潤性腫瘤數(shù)量顯著減少. 為了進(jìn)一步闡明USP54在結(jié)腸癌中的相關(guān)性, 分析了USP54在結(jié)直腸腺瘤和正常粘膜轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)中的表達(dá)情況, 發(fā)現(xiàn)與匹配的正常粘膜相比, 腺瘤中USP54的表達(dá)顯著增加. 因此, 證明了USP54在結(jié)直腸癌干細(xì)胞中出現(xiàn)過表達(dá), 促進(jìn)腫瘤的發(fā)生發(fā)展, USP54的下調(diào)可以降低結(jié)直腸癌的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn).

2 泛素蛋白羧基端水解酶家族

泛素蛋白羧基端水解酶家族(ubiquitin carboxyl-terminal hydrolases, UCHs)是一類可催化泛素C-末端小分子肽類的去泛素化酶, 由于其具有封閉的環(huán)路, 不能對(duì)多聚泛素蛋白鏈和大的折疊蛋白質(zhì)進(jìn)行加工[31]. 其亞家族由四個(gè)成員組成: UCH-L1, UCH-L3, UCH37和BRCA1相關(guān)蛋白-1(BAP1)[32]. 先前的研究表明, UCH酶在一些信號(hào)傳導(dǎo)和細(xì)胞周期調(diào)控中起關(guān)鍵作用, 并和人類惡性腫瘤密切相關(guān)[33]. 目前UCH-L1, UCH-L3, UCH 37在結(jié)直腸癌方面有相關(guān)研究報(bào)道.

UCH-L1又名蛋白基因產(chǎn)物9.5, 其編碼基因位于4p14染色體, 是一種由223個(gè)氨基酸組成的半胱氨酸水解酶, 可水解泛素和一些未折疊的多肽之間的化學(xué)鍵,或切下一些泛素基因產(chǎn)物, 從而產(chǎn)生游離的泛素單體,另一方面也有實(shí)驗(yàn)[34]顯示UCH-L1存在泛素鏈接酶活性, 在體內(nèi)具有穩(wěn)定泛素單體的作用, 因此, UCH-1存在泛素化及去泛素化雙重作用. Yamazaki等[35]研究表明UCH-L1在結(jié)直腸癌組織中檢測到表達(dá), 而正常腸黏膜組無表達(dá), 并且表達(dá)水平與腫瘤大小和浸潤范圍相關(guān).Farnebo等[36]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)UCH-L1表達(dá)與結(jié)直腸癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移相關(guān). Okochi-Takada等[37]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)UCH-L1在結(jié)直腸癌細(xì)胞系中其啟動(dòng)子的甲基化水平提高.

UCH-L3是UCH家族的重要組成部分, 研究[38]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)UCH-L3在乳腺癌中有著高表達(dá), 此外, 它最近也被認(rèn)定為是一種新的DNA修復(fù)介質(zhì). UCH-L3在結(jié)直腸癌中的具體作用機(jī)制目前還尚未清楚, Li等人[39]通過研究發(fā)現(xiàn)UCH-L3在結(jié)直腸癌中存在有高表達(dá), 表明其與腫瘤的發(fā)生發(fā)展有一定的關(guān)系, 此外, Li等人還進(jìn)了體外研究, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)UCH-L3調(diào)控結(jié)直腸癌細(xì)胞中SOX12的表達(dá), UCH-L3介導(dǎo)的SOX12表達(dá)需要PI3K/AKT/mTOR通路. 因此, UCH-L3通過AKT/mTOR/SOX12軸發(fā)揮致癌作用, 可作為治療和結(jié)直腸癌預(yù)后的潛在靶點(diǎn)生物標(biāo)志物.

UCH37是去泛素化酶家族成員, 其可通過從蛋白泛素連接鏈的遠(yuǎn)端亞基水解聚泛素從而抑制蛋白降解[40].鄧顯倫等[41]通過qRT-PCR和免疫組織化學(xué)技術(shù)檢測結(jié)直腸癌石蠟組織標(biāo)本中 UCH37 mRNA及蛋白的表達(dá)水平, 發(fā)現(xiàn)UCH37在結(jié)直腸癌組織中的表達(dá)水平高于癌旁組織. UCH37與結(jié)直腸癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和TMN分期有關(guān),因此UCH37的表達(dá)水平也能影響結(jié)直腸癌患者預(yù)后.

3 JAMM/MPN結(jié)構(gòu)域相關(guān)的金屬蛋白酶家族

JAMM/MPN結(jié)構(gòu)域相關(guān)的金屬蛋白酶(JAB1/MPN/MOV34 metalloproteases, JAMAs)是一類能結(jié)合泛素化蛋白上泛素分子的蛋白酶, 具有MPN序列, 由較為保守的一個(gè)天冬氨酸殘基及兩個(gè)組氨酸殘基構(gòu)成, 并且與二價(jià)的鋅離子共同組成活性催化中心[42]. JAMM/MPN結(jié)構(gòu)域相關(guān)的金屬蛋白酶被發(fā)現(xiàn)于存在于古細(xì)菌, 細(xì)菌和真核生物的蛋白質(zhì)中, 其構(gòu)成包括26S蛋白酶體的Rpn11亞基[43]. 家族成員包括PSMD7, PSMD14, EIF3H, BRCC36,CSCN5, CSCN6, AMSH, AMSH-LP, MPND, PRPF8,MYSM1, STAMBPL1等[44]. 目前關(guān)于該家族在疾病中的研究進(jìn)展較少, 且缺乏與結(jié)直腸癌有關(guān)的相關(guān)研究, 有研究顯示[45]STAMBPL1可通過調(diào)節(jié)Tax的定位和穩(wěn)定性來調(diào)節(jié)NF-κB的活化水平, 而NF-κB在多種人類惡性侵襲性腫瘤中都有高表達(dá), 在腫瘤的形成、增生和免疫炎癥反應(yīng)中扮演著較為重要的角色, NF-κB同樣高表達(dá)于結(jié)直腸癌中, 且狀態(tài)表現(xiàn)為激活, 因此推斷STAMBPL1可能在結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展中起到一定作用, 但需要更多的研究來進(jìn)一步驗(yàn)證.

RPN11 又稱PSMD14/poh1, 是蛋白酶體19S調(diào)節(jié)顆粒蓋子結(jié)構(gòu)中的特異性去泛素化酶, 在調(diào)節(jié)多種信號(hào)通路中發(fā)揮關(guān)鍵作用, 包括維持蛋白質(zhì)穩(wěn)定性, 雙鏈DNA斷裂修復(fù), 胚胎干細(xì)胞分化和細(xì)胞增殖等[46,47]. 王曉林等[48]發(fā)現(xiàn), RPN11 在結(jié)直腸癌組織中表達(dá)的陽性率明顯高于正常結(jié)直腸組織. RPN11 的高表達(dá)也與惡性腫瘤細(xì)胞的增殖有一定的關(guān)系, 因此推測, RPN11參與結(jié)直腸癌腫瘤細(xì)胞的增殖.

4 Machado Joseph病蛋白結(jié)構(gòu)域蛋白酶家族

Machado–Joseph病蛋白結(jié)構(gòu)域蛋白酶家族(Machado–Joseph disease protein domain proteases, MJDs)由四個(gè)不同的成員組成, 包括Ataxin-3(ATXN3), ATXN3L, JOSD1和JOSD2, 均具有泛素水解酶活性, Ataxin-3在3型脊髓小腦性共濟(jì)失調(diào)或馬查多-約瑟夫病中發(fā)生突變, 該蛋白質(zhì)具有多聚泛素化鏈編輯酶的活性, 可以調(diào)控蛋白質(zhì)的折疊并保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定, 同時(shí)其泛素水解酶活性對(duì)于維持正常壽命是必需的, 從而表明編輯泛素鏈有助于長壽調(diào)節(jié)[49], 而另外三位成員都具有兩個(gè)組氨酸殘基和一個(gè)半胱氨酸殘基, 三者形成高度保守的催化三聯(lián)體[50]. 目前尚無MJDs在結(jié)直腸癌方面的相關(guān)研究, Sacco等[51]發(fā)現(xiàn)Ataxin-3、ATXN3L及JOSD1可下調(diào)非小細(xì)胞肺癌抑制因子PTEN表達(dá), 并參與到PtdIns3-K/PKB信號(hào)通路的調(diào)控. Liu等[52]近期發(fā)現(xiàn)p53是ATXN-3的一種新型底物,ATXN3可抑制p53降解穩(wěn)定其表達(dá). 因PTEN和p53通路在結(jié)腸癌發(fā)生發(fā)展中起重要作用, 故推測該家族成員可能參與結(jié)直腸癌發(fā)生發(fā)展.

5 單核細(xì)胞趨化蛋白誘導(dǎo)蛋白酶家族

單核細(xì)胞趨化蛋白誘導(dǎo)蛋白酶家族(monocyte chemotactic protein-induced protein family, MCPIP)為新近發(fā)現(xiàn)的去泛素化酶, 其成員已知的包括MCPIP1,MCPIP2, MCPIP3, MCPIP4, MCPIP5, MCPIP6, MCPIP7[53].目前有關(guān)以上成員的研究較少, 它的去泛素化酶功能目前還不清楚, 可能底物包括TRAF2, TRAF3和TRAF6[54].Miekus等[55]在ccRCC細(xì)胞系中證實(shí)了MCPIP1在介導(dǎo)癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移方面有著重要的作用, 此外, 還發(fā)現(xiàn)MCPIP1還可以影響c-met受體的表達(dá)水平和磷酸化, 且c-met的異常可以促進(jìn)結(jié)直腸癌的發(fā)展.

6 結(jié)論

去泛素化酶具有多個(gè)成員及家族, 其分布廣泛、功能復(fù)雜. 去泛素化酶在蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié)中起著重要的作用, 在轉(zhuǎn)錄、翻譯、修飾、等多方面參與細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)相關(guān)進(jìn)程, 對(duì)腫瘤的發(fā)生發(fā)展有著一定的促進(jìn)或者抑制作用. 去泛素化酶主要參與以下的生命活動(dòng)[56]: (1)移除靶蛋白的泛素鏈, 阻止靶蛋白在蛋白酶體中被降解; (2)使底物的蛋白質(zhì)發(fā)生去泛素化; (3)加工泛素前體, 釋放成熟的泛素分子; (4)促進(jìn)泛素介導(dǎo)的信號(hào)發(fā)生轉(zhuǎn)變. 然而, 目前的研究多為生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室對(duì)其明確生化結(jié)構(gòu)與分子作用機(jī)制的研究, 也有部分關(guān)于病原微生物致病作用、免疫與炎癥反應(yīng)、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、腫瘤調(diào)控等方面的研究, 對(duì)于疾病發(fā)生更詳細(xì)的機(jī)制, 包括與結(jié)直腸腫瘤的研究還需進(jìn)一步深入探索. 明確去泛素化酶家族的作用機(jī)制, 探尋其在結(jié)直腸腫瘤發(fā)生、發(fā)展中的作用位點(diǎn), 將為結(jié)直腸腫瘤的治療提供新的思路, 進(jìn)而有助于找出有效的治療靶點(diǎn)和藥物(表1總結(jié)了目前已發(fā)現(xiàn)的與結(jié)直腸癌相關(guān)的DUBs及可能的底物及抑制劑).

表1 目前已報(bào)道的與結(jié)直腸癌相關(guān)的DUBs及可能的底物及抑制劑