訾晶晶,楊旭,來(lái)裕婷,李新,丁向彬,張林林
(天津農(nóng)學(xué)院 動(dòng)物科學(xué)與動(dòng)物醫(yī)學(xué)學(xué)院 天津市農(nóng)業(yè)動(dòng)物繁育與健康養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300392)
Profilin(PFN)又稱抑制蛋白,是一種actin單體結(jié)合蛋白,廣泛存在于真核細(xì)胞中,目前在哺乳動(dòng)物基因組中共鑒定到4 種 PFN 基因(PFN1-4)。PFN1 在整個(gè)胚胎階段都有表達(dá),存在于成年小鼠除骨骼肌以外所有類型細(xì)胞和組織中[1],PFN2 僅在發(fā)育中的神經(jīng)元和分化神經(jīng)元中表達(dá),PFN3 和PFN4 僅在睪丸中表達(dá)[2]。本文主要討論 PFN1,PFN1 通過(guò)與 actin 結(jié)合形成PFN1-actin 復(fù)合體調(diào)控actin 細(xì)胞骨架的聚合,已經(jīng)證實(shí)在細(xì)胞遷移、細(xì)胞分裂、神經(jīng)元分化和突觸可塑性等多種細(xì)胞活動(dòng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。敲除PFN1 的小鼠胚胎在二細(xì)胞期就無(wú)法存活[3],說(shuō)明PFN1 對(duì)生命活動(dòng)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。在哺乳動(dòng)物的腫瘤細(xì)胞中,PFN1 表達(dá)的部分喪失與隨后致瘤表型相關(guān)。野生型和突變型PFN1 在這些腫瘤細(xì)胞中表達(dá)的互補(bǔ)性表明調(diào)控細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化所需的主要是肌動(dòng)蛋白結(jié)合特性[4]。PFN1 突變或者缺失也會(huì)導(dǎo)致一些人類疾病,已成為研究的一個(gè)熱點(diǎn)。本文就PFN1 蛋白的結(jié)構(gòu)、相關(guān)生物學(xué)功能以及PFN1 在癌癥和人類疾病中的研究進(jìn)展做簡(jiǎn)要綜述。
PFN1 是重要的肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白之一,其分子量約15 kDa,PFN1 的三級(jí)結(jié)構(gòu)主要由4 個(gè)α 螺旋和7 個(gè)β 折疊構(gòu)成[5]。PFN1 有3 個(gè)功能性結(jié)構(gòu)域,分別是肌動(dòng)蛋白結(jié)構(gòu)域、磷脂酰肌醇(Phosphatidylinositol,PI)結(jié)構(gòu)域以及多聚-L-脯氨酸(Poly-L-proline,PLP)結(jié)構(gòu)域。通過(guò)這3個(gè)結(jié)構(gòu)域,PFN1 能夠與多種蛋白質(zhì)相互作用,這同樣也是PFN1 行使生物學(xué)功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。例如PFN1 可以通過(guò)肌動(dòng)蛋白結(jié)構(gòu)域與肌動(dòng)蛋白結(jié)合,進(jìn)而調(diào)控細(xì)胞骨架聚合;PFN1 通過(guò)PI 結(jié)構(gòu)域與磷脂酰肌醇(4,5)-二磷酸(Phosphatidylinositol(4,5)-bisphosphate,PIP2)結(jié)合使PFN1-actin 復(fù)合體釋放actin;并通過(guò)PLP 結(jié)構(gòu)域與富含脯氨酸的蛋白結(jié)合發(fā)揮生物學(xué)作用。1995 年REINHARD 等發(fā)現(xiàn)第一個(gè)富含脯氨酸的血管舒張刺激磷蛋白(Vasodilator-stimulated phosphosphoprotein,VASP)與PFN1 通過(guò)PLP 結(jié)合域結(jié)合[6]。VASP 能夠促進(jìn)actin 在微絲生長(zhǎng)端聚合,并且可以防止帽蛋白的加帽作用,PFN1 與其結(jié)合能夠增強(qiáng)VASP 對(duì)微絲生長(zhǎng)端的保護(hù)作用[7]。除此,越來(lái)越多的研究表明,PFN1 還可作為關(guān)鍵的信號(hào)分子作用于網(wǎng)絡(luò)樞紐,通過(guò)結(jié)構(gòu)域與靶蛋白(如核輸出蛋白6、轉(zhuǎn)錄因子P42pop等)結(jié)合從而參與蛋白質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)、核內(nèi)轉(zhuǎn)錄以及小GTPase 信號(hào)通路的活化等一系列重要的生理過(guò)程[8]。
細(xì)胞骨架是細(xì)胞內(nèi)以蛋白纖維為主要成分的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),包括微管、肌動(dòng)蛋白微絲和中間纖維。其中微管主要以細(xì)胞核為中線呈放射狀分布在胞質(zhì)周圍,微絲主要分布在細(xì)胞質(zhì)膜的內(nèi)側(cè)。中間纖維在整個(gè)細(xì)胞中都有分布。Actin 是微絲的結(jié)構(gòu)蛋白,在細(xì)胞中有兩種形式——單體球狀肌動(dòng)蛋白(Globular actin,G-actin)和由G-actin 聚合形成的絲狀肌動(dòng)蛋白(Fibrosis actin,F(xiàn)-actin)[9]。目前對(duì)于PFN1 對(duì)actin 細(xì)胞骨架聚合的調(diào)控作用有兩種截然不同的看法,一種是PFN1 可以促進(jìn)actin 細(xì)胞骨架聚合,另一種是PFN1 可以抑制actin細(xì)胞骨架聚合,下面分別對(duì)這兩種結(jié)論進(jìn)行描述。
在細(xì)胞中,G-actin 和F-actin 處于一種動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化的狀態(tài)。PFN1 使G-actin 上ADP-ATP 交換加速1 000 倍,從而補(bǔ)充細(xì)胞中的ATP-actin 庫(kù),同時(shí)保護(hù)微絲不受解聚蛋白及加帽蛋白的影響,促進(jìn)G-actin 在微絲末端聚合形成F-actin 而延長(zhǎng)微絲,使聚合速度加快[10]。PFN1 還可以降低肌動(dòng)蛋白的臨界濃度(發(fā)生聚合所需的量),從而使聚合更早開(kāi)始,持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)[10]。Formins 蛋白是一類結(jié)構(gòu)蛋白,它與組成微絲的actin 有著密切的關(guān)系。已知Formins 蛋白結(jié)合到肌動(dòng)蛋白微絲末端,可以提高聚合速度,而PFN1 的加入進(jìn)一步提高了聚合速度[11]。在其他肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白存在的情況下,PFN1 會(huì)競(jìng)爭(zhēng)性與G-actin 結(jié)合,并將結(jié)合的G-actin 轉(zhuǎn)移到微絲帶刺末端,從而提高了聚合速度[12]。這三種方式都說(shuō)明了PFN1 可以促進(jìn)actin 細(xì)胞骨架的聚合。
PFN1 最初被鑒定時(shí)被當(dāng)作是一個(gè)actin 隔離蛋白,能夠與G-actin 形成1∶1 的復(fù)合物,從而阻止G-actin 發(fā)生聚合[3]。隨后,有些研究者認(rèn)為PFN1 對(duì)G-actin 聚合的調(diào)控是一種濃度依賴的作用,即高濃度的PFN1 抑制聚合而低濃度的PFN1促進(jìn)聚合[10]。另外在提取細(xì)胞裂解上清液體外研究中發(fā)現(xiàn),當(dāng)G-actin 濃度太低(<0.1 μmol/L)時(shí),PFN1-actin 能夠與肌動(dòng)蛋白相關(guān)蛋白2/3 復(fù)合體(Actinrelated protein 2/3(Arp2/3)complex)直接結(jié)合起始F-actin 成核反應(yīng),而actin 濃度高時(shí)不依賴PFN1 即可體外成核[13]。更多細(xì)胞水平和組織水平的試驗(yàn)證實(shí)PFN1 對(duì)actin 成核反應(yīng)有抑制作用,但由于PFN1 的三種配體都參與actin 成核反應(yīng),所以現(xiàn)有的研究從多角度驗(yàn)證了PFN1抑制actin 成核的分子機(jī)制。(1)PFN1 與actin 結(jié)合抑制成核反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn),在細(xì)胞中過(guò)表達(dá)PFN1 會(huì)抑制ARP2/3 復(fù)合體介導(dǎo)的actin 成核反應(yīng),而用不能結(jié)合actin 的R88E-PFN1 突變體則不會(huì)起到抑制作用[14-15],這是由于ARP2/3 介導(dǎo)的成核反應(yīng)是游離的G-actin 聚合的結(jié)果,PFN1 與ARP2/3 競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合G-actin,導(dǎo)致G-actin 在細(xì)胞內(nèi)濃度下降從而抑制actin 成核。(2)PFN1 與含有PLP 結(jié)構(gòu)域的蛋白結(jié)合抑制成核反應(yīng)。WASP 家族成員均含有能與PFN1 結(jié)合的PLP 結(jié)構(gòu)域,而WASP 家族蛋白是激活A(yù)RP2/3-actin 成核反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)控蛋白,因而研究者對(duì)PFN1 與WASP 的結(jié)合是否會(huì)影響actin 的成核反應(yīng)也進(jìn)行了細(xì)胞水平的相關(guān)驗(yàn)證。神經(jīng)元分化成神經(jīng)突很大程度上依賴actin 細(xì)胞骨架的重排[16],表達(dá)PLP 結(jié)合缺陷的W3A-PFN1 突變體比表達(dá)正常的PFN1 的PC12神經(jīng)元細(xì)胞能夠更快更多地分化出神經(jīng)突[17],說(shuō)明PFN1 結(jié)合WASP 導(dǎo)致活化的WASP 下降,從而抑制了actin 的成核反應(yīng)。
PFN 構(gòu)成一組進(jìn)化保守的小肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白,在許多細(xì)胞活動(dòng)(包括增殖和運(yùn)動(dòng))中起調(diào)節(jié)作用[18]。PFN1 是該家族的創(chuàng)始成員,已與多種類型的人類癌癥相關(guān)。例如,在胰腺癌中,PFN1在臨床腫瘤組織中被下調(diào),而PFN1 的過(guò)表達(dá)損害了腫瘤細(xì)胞的惡性表型[19]。此外,PFN1 的過(guò)表達(dá)增加了乳腺癌細(xì)胞對(duì)喜樹(shù)堿誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡的敏感性[20]。在肝癌組織和細(xì)胞系中PFN1 的表達(dá)水平顯著降低,全反式維A 酸誘導(dǎo)的細(xì)胞增殖與遷移的抑制是通過(guò)PFN1 表達(dá)水平改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的[21]。SHEN 發(fā)現(xiàn)使肝細(xì)胞癌(Hepatocellar carcinoma,HCC)中異常減少的PFN1 得到恢復(fù)能夠抑制HCC運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)移[22]。研究發(fā)現(xiàn),PFN1 的過(guò)表達(dá)顯著抑制HCC 細(xì)胞增殖、遷移和入侵[23]。這些研究說(shuō)明PFN1 在肝細(xì)胞癌中起著抑癌作用,并可能作為肝細(xì)胞癌患者的診斷和治療靶點(diǎn)。JANKE 等發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組細(xì)胞相比,致瘤乳腺癌細(xì)胞PFN1 表達(dá)水平是降低的[27]。等ZOU 發(fā)現(xiàn)PFN1 也參與調(diào)控乳腺癌細(xì)胞遷移[25]?;虺聊芯堪l(fā)現(xiàn)PFN1 參與調(diào)控內(nèi)皮細(xì)胞遷移與增殖[26]。這些研究進(jìn)展都說(shuō)明,PFN1 在癌癥中扮演著重要的角色,并且可以作為一些癌癥的診斷和治療靶點(diǎn)。
癌癥具有細(xì)胞分化和增殖異常、生長(zhǎng)失去控制、浸潤(rùn)性和轉(zhuǎn)移等生物學(xué)特征,其發(fā)生是一個(gè)多因子、多步驟的復(fù)雜過(guò)程。PFN1 過(guò)表達(dá)抑制細(xì)胞增殖和遷移,RNA 干擾PFN1 可逆轉(zhuǎn)這一抑制作用。乳腺癌細(xì)胞系野生型和突變型PFN1 過(guò)表達(dá)的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)PFN1 肌動(dòng)蛋白結(jié)合位點(diǎn)的存在是其抑制細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的必要條件,actin 和PLP 結(jié)合位點(diǎn)都是PFN1 誘導(dǎo)增強(qiáng)細(xì)胞遷移能力的必要條件[26]。PFN1 發(fā)生磷酸化增加了PFN1 對(duì)G-actin的親和力,從而改變actin 聚合動(dòng)力,從而以不同的方式影響細(xì)胞。例如,PFN1 的磷酸化通過(guò)參與常氧條件下缺氧因子的積累來(lái)促進(jìn)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的進(jìn)展[27]。ZOU 等[20,28]發(fā)現(xiàn)PFN1 可以抑制乳腺癌細(xì)胞增殖,其機(jī)制為PFN1 的表達(dá)可以上調(diào)PTEN基因,從而抑制AKT 通路,引起p27 蛋白增加,p27 和Cdk2 復(fù)合體結(jié)合使細(xì)胞周期停滯在G1期,最終抑制細(xì)胞增殖。PFN1 與雌激素受體α(Estrogen receptor alpha,Erα)相互作用,已知ERα 除了促進(jìn)轉(zhuǎn)移外,還介導(dǎo)某些細(xì)胞系的凋亡。在這些細(xì)胞中,已有研究證明他莫昔芬(Tamoxifen,Tam)可以上調(diào)PFN1,PFN1 隨后與ERα 共存于細(xì)胞核。在17α-雌二醇(17α-estradiol,E2)和Tam 存在的情況下,觀察到PFN1 顯著降低ERα 介導(dǎo)的雌激素反應(yīng)元件(Estrogen response element,ERE)啟動(dòng)子的反式激活,但在沒(méi)有其他兩個(gè)分子的情況下不起作用。這些發(fā)現(xiàn)表明這三種蛋白(Profilin1-Tam-E2)都形成了ERα 的一系列輔阻遏物。因此,一組profilin1-Tam-E2 可以抑制ERα介導(dǎo)的轉(zhuǎn)移。此外,PFN1 對(duì)ERα 活性的抑制導(dǎo)致caspase9 和caspase3 的表達(dá)增加,這兩種酶與真核細(xì)胞凋亡密切相關(guān),并參與細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化與凋亡調(diào)節(jié)。因此,PFN1 的上調(diào)為抑制癌細(xì)胞增殖提供了一條潛在的途徑[29]。但是在乳腺癌細(xì)胞中過(guò)表達(dá)PFN1 可以誘導(dǎo)上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化,其機(jī)制是PFN1 和actin 之間相互作用誘導(dǎo)G-actin 和F-actin 之間失衡,進(jìn)而影響肌動(dòng)蛋白聚合;同時(shí)PFN1 的過(guò)表達(dá)也增加了R-鈣黏蛋白表達(dá),R-鈣黏蛋白也能夠促進(jìn)上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化,增進(jìn)腫瘤細(xì)胞遷移和侵襲[30]。不同類型的癌癥中PFN1 的表達(dá)水平存在不同的改變,并不會(huì)保持一致,這可能是由于不同類型的癌癥發(fā)生機(jī)制不同,PFN1 在不同環(huán)境中發(fā)揮不同的功能。
高血壓是常見(jiàn)的一種慢性疾病,目前已經(jīng)證實(shí)血管重塑是高血壓的重要發(fā)病機(jī)制。WANG 等[31]發(fā)現(xiàn)在自發(fā)性高血壓大鼠模型中過(guò)表達(dá)PFN1 可以促進(jìn)升高導(dǎo)致的血管重塑。轉(zhuǎn)基因PFN1 的過(guò)表達(dá)通過(guò)治療血管重塑導(dǎo)致血壓升高[32]。PFN1 在通過(guò)p38iNOS-過(guò)氧亞硝酸鹽途徑引起的高血壓誘導(dǎo)的動(dòng)脈重塑中也起著至關(guān)重要的作用[31]。HASSONA 等[33]在研究中發(fā)現(xiàn),腸系膜動(dòng)脈中PFN1過(guò)表達(dá)與高血壓發(fā)病加速、應(yīng)力纖維形成增加以及Rho/ROCK 和肥大信號(hào)通路激活有關(guān)。另有研究發(fā)現(xiàn),PFN1 是通過(guò)激活JAK2-STAT3、JNK 和P38-MAPK 通路使細(xì)胞骨架的動(dòng)力學(xué)發(fā)生改變,從而促進(jìn)血管壁增厚和血管腔直徑減少,最終導(dǎo)致高血壓發(fā)生[32]。這表明,PFN1 在調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激和血管重塑中起關(guān)鍵作用,由此可以看出PFN1可能作為一種新的預(yù)測(cè)因子來(lái)預(yù)測(cè)高血壓。
動(dòng)脈粥樣硬化是一種嚴(yán)重危害人類健康的慢性炎癥疾病,糖尿病是動(dòng)脈粥樣硬化的等危癥,糖尿病患者常有血脂異常、高凝狀態(tài)、肥胖等癥狀[34],這些也是動(dòng)脈粥樣硬化的危險(xiǎn)因素。動(dòng)脈粥樣硬化和糖尿病的發(fā)病機(jī)制具有共同的基礎(chǔ),而這些共同基礎(chǔ)的可能性原因是慢性炎癥反應(yīng)和胰島素抵抗。內(nèi)皮功能障礙是糖尿病導(dǎo)致發(fā)病的最關(guān)鍵的危險(xiǎn)因素之一,其特征是胰島素缺乏或胰島素信號(hào)傳導(dǎo)受損[35-36]。越來(lái)越多的證據(jù)表明,氧化應(yīng)激與包括糖尿病在內(nèi)的許多疾病的發(fā)病機(jī)制有關(guān)[37-39]。已發(fā)現(xiàn)糖尿病患者的內(nèi)皮細(xì)胞和動(dòng)脈粥樣硬化病變的巨噬細(xì)胞中的PFN1 升高,并且氧化低密度脂蛋白(Oxidized Low Density Lipoprotetin,oxLDL)能夠觸發(fā)PFN1 的升高[40]。進(jìn)一步的研究表明,在培養(yǎng)的主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞中,抑制PFN1表達(dá)可防止oxLDL 觸發(fā)內(nèi)皮功能障礙[41]。在過(guò)表達(dá)PFN1 的小鼠腸系膜動(dòng)脈中,觀察到應(yīng)力纖維數(shù)量增加,導(dǎo)致α-1 和β-1 整合素增加,這與動(dòng)脈僵硬有關(guān)[33]。PFN1 和動(dòng)脈僵硬之間的確切關(guān)系尚不清楚,但過(guò)高的PFN1 水平可能會(huì)導(dǎo)致血管系統(tǒng)的廣泛重構(gòu)和應(yīng)力纖維的出現(xiàn),觸發(fā)信號(hào)級(jí)聯(lián)釋放更多的整合素,進(jìn)而導(dǎo)致動(dòng)脈僵硬。敲除小鼠體內(nèi)PFN1基因,小鼠主動(dòng)脈中內(nèi)皮型一氧化氮合酶活性和一氧化氮依賴性增加,而血管細(xì)胞的炎癥因子表達(dá)降低[41]。PFN1的缺失,使oxLDL 誘導(dǎo)的炎癥介質(zhì)水平降低,從而改善內(nèi)皮功能,對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生和發(fā)展起到一定的保護(hù)作用[41]。據(jù)報(bào)道PFN1 與晚期糖基化終末產(chǎn)物(Advanced glycation end products,AGEs)誘導(dǎo)的內(nèi)皮損傷有關(guān)[42]。因此通過(guò)一定方法干擾PFN1 表達(dá)或許可成為治療動(dòng)脈粥樣硬化的一種新途徑。
肌萎縮側(cè)索硬化(Amyotrophic lateral sclerosis,ALS)是一種運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元病,又稱為漸凍癥。發(fā)病的個(gè)體會(huì)逐漸出現(xiàn)肌肉無(wú)力和萎縮,最終因呼吸衰竭而死亡[43]。ALS 病例可以分為兩種——散發(fā)性肌萎縮側(cè)索硬化(Sporadic amyotrophic lateral sclerosis,sALS)和家族性肌萎縮側(cè)索硬化(Familial amyotrophic lateral sclerosis,fALS)[44]。廣泛的基礎(chǔ)研究和臨床研究為ALS 的發(fā)病機(jī)制提供了初步的認(rèn)識(shí),fALS 病例占ALS 患者的20%,研究表明fALS 與越來(lái)越多的基因突變有關(guān)[45-47],而PFN1 突變是導(dǎo)致fALS 的一種罕見(jiàn)原因。到目前為止,在fALS 患者中發(fā)現(xiàn)了8 種不同的PFN1基因突變(A20T,C71G,G118V,M114T,E117G,T109M,R136W,Q139L)[48-50]。一開(kāi)始發(fā)現(xiàn)PFN1在肌動(dòng)蛋白結(jié)構(gòu)域存在突變位點(diǎn)從而導(dǎo)致fALS,所以研究人員假設(shè)是因?yàn)镻FN1 基因發(fā)生突變,不能與actin 結(jié)合,最終導(dǎo)致fALS[51]。但后來(lái)又發(fā)現(xiàn)在PLP 結(jié)構(gòu)域也有導(dǎo)致fALS 的突變位點(diǎn)(例如T109M,Q139L)[49,52-53],這說(shuō)明PFN1 突變而導(dǎo)致與actin 結(jié)合障礙的假說(shuō)并不是fALS 發(fā)病的唯一機(jī)制。PFN1 突變通過(guò)不同的作用機(jī)制導(dǎo)致ALS[52-54]。WU 等[50]研究發(fā)現(xiàn)野生型PFN1 分散在細(xì)胞質(zhì)中,突變型PFN1(C71G,G118V 和M114T)在細(xì)胞質(zhì)泛素化的聚集體中,ALS 的標(biāo)志之一就是聚集體形成,并證實(shí)突變型PFN1 在神經(jīng)元中形成聚集體,這進(jìn)一步說(shuō)明了PFN1 突變與ALS的關(guān)系,PFN1突變誘導(dǎo)蛋白質(zhì)聚集從而導(dǎo)致ALS。解析PFN1 突變導(dǎo)致ALS 的發(fā)病機(jī)制一直這個(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),這些具體機(jī)制的闡明也將為尋找ALS 新的治療靶點(diǎn)提供科學(xué)依據(jù)和治療策略。
PFN1 作為一個(gè)肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白,從被發(fā)現(xiàn)至今,越來(lái)越多的生物學(xué)作用被發(fā)現(xiàn),能否作為一種新的治療手段抑制癌癥和疾病,還有待驗(yàn)證PFN1 對(duì)癌癥和一些人類疾病的影響和具體的作用機(jī)制。以及,PFN1 是如何精確調(diào)控肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架聚合,而肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架的重建是成肌細(xì)胞分化成肌管的必要過(guò)程,PFN1 是否對(duì)成肌分化的調(diào)控有重要作用,這些問(wèn)題都有待進(jìn)一步研究。