癌蛋白p18在細胞中的生物學作用*

段 佳 綜述,雷 迅審校

(桂林醫學院,廣西桂林 541004)

癌蛋白p18在細胞中的生物學作用*

段 佳 綜述,雷 迅△審校

(桂林醫學院,廣西桂林 541004)

微管;腫瘤;癌蛋白 p18

癌蛋白p18(Stathmin/oncoprotein 18)是一個相對分子質量為19 kD的細胞質蛋白,與細胞微管的形成有關,是近來研究較多的微管不穩定蛋白。在細胞周期的不同階段,癌蛋白p18通過自身的磷酸化和去磷酸化作用調節細胞微管系統的動態平衡。癌蛋白p18通過促進微管的解聚或阻止微管的聚合從而影響有絲分裂紡錘體的形成,影響細胞的增殖與凋亡[1]。癌蛋白p18在多種惡性腫瘤細胞中都有高水平的表達,抑制癌蛋白p18表達可以干擾惡性腫瘤細胞的有絲分裂,抑制腫瘤細胞的增殖,誘導腫瘤細胞的凋亡。同時能夠協同某些化療藥物的抗癌作用,癌蛋白p18是一個潛在治療腫瘤的新靶點。

1 癌蛋白p18的定位與分子結構

癌蛋白p18的基因定位于人染色體1p35～36.1上,這個區域是腫瘤細胞基因組DNA雜合性缺失或刪除頻率非常高的位點,由5個外顯子和4個內含子組成,翻譯起始信號位于第2個外顯子末端。癌蛋白p18最初是從淋巴瘤中得到的,位于細胞核周圍。癌蛋白p18的家族成員包括癌蛋白 p18、SCG10、SCLIP和RB3等。SCG10、SCLIP和 RB3與癌蛋白p18在碳末端有高度的同源性,稱為癌蛋白p18樣結構域。癌蛋白p18樣結構域都具有共同的碳末端螺旋和相同的屬性,僅在活性上稍有差異。癌蛋白p18含有149個氨基酸,相對分子質量為19 kD,是一種高度保守的脊椎動物細胞胞質磷蛋白[1]。癌蛋白p18有2個區域:一個是N端的“調節”區域,其16、25、38及 63位點為絲氨酸殘基(Ser16、Ser25、Ser38 和Ser63),蛋白激酶作用于這些位點可以使癌蛋白p18磷酸化;另一個是具有α螺旋結構的C端“作用”區域,能與其他蛋白相互作用[2]。

在癌蛋白p18的α螺旋區域是和微管蛋白亞基結合的部分。通過對微管蛋白與癌蛋白p18復合體的研究發現,當癌蛋白p18的α螺旋區域與微管蛋白二聚體結合時,癌蛋白p18的N端像帽子樣遮蔽微管蛋白α亞基一側,防止其他微絲縱向連接[3]。癌蛋白p18中42～126位氨基酸殘基是微管蛋白之間N端或C端進行延伸所需的最短片段,其上有Ser16、Ser25、Ser38和Ser63 4個磷酸化位點,可被cAM P依賴的蛋白激酶、cdc2蛋白激酶、絲裂原活化蛋白激酶(M APK)、鈣調蛋白依賴的蛋白激酶(CaMK)催化發生磷酸化,該蛋白的磷酸化部位與其功能發揮有重要關系,而在這4個磷酸化位點中,只有Ser16為癌蛋白p18家族保守區域。

2 癌蛋白p18與微管動態平衡調節

微管是由微管蛋白α/β異源二聚體組成,對細胞內物質運輸、細胞遷移、細胞極性和維持細胞結構等起重要作用。癌蛋白p18介導的失穩定改變可以導致微管的隔離或聚合發生。而后者是由微管解聚作用和與抵消“解救”作用(微管聚合作用)引起的。多種細胞信號和細胞周期相關激酶系統調節癌蛋白p18上 4個絲氨酸殘基(Ser16、Ser25、Ser38、Ser63)的磷酸化,以調節癌蛋白p18促微管解聚活性。磷酸化不同的絲氨酸殘基導致不同程度的癌蛋白p18失活[4]。Ca2+、鈣依賴蛋白激酶Ⅳ(CaMKⅣ)和微管相關蛋白(MAP)激酶分別磷酸化Ser16和Ser25位點[5]。在有絲分裂時期,Ser25和Ser38上沒有磷酸化,而在Ser16和Ser63上高度磷酸化,大幅降低癌蛋白p18的活性甚至滅活癌蛋白p18,影響癌蛋白p18與游離微管蛋白的螯合[6]。Holmfeldt等[7]在研究中發現,RNA干擾耗竭癌蛋白p18后,微管聚合物數量在分裂間期時顯著增加,但是并不改變有絲分裂時紡錘體的密度和功能。在某些癌蛋白p18異常高表達的人類惡性腫瘤中,即使在有絲分裂時,癌蛋白p18仍然具有殘余的紡錘體失穩定活性。因此,癌蛋白p18在異常高表達時癌蛋白p18能夠擾亂紡錘體的形成,進而導致在惡性腫瘤中染色體表型的多變性。

3 癌蛋白p18調節微管的作用機制

癌蛋白p18誘導微管失穩定的機制最初提出的是“災難”促進機制,即:癌蛋白p18通過增加微管亞單位由延伸狀態變為收縮狀態的頻率使微管不穩定,從而促進了微管的解聚,導致細胞“災難”的發生。但隨后有的學者認為癌蛋白p18的微管解聚活動主要通過其直接與微管α/β異源二聚體的多價螯合形成T2S三聚復合體來調節,癌蛋白p18是單獨起到微管蛋白螯合作用的,而“災難”促進作用僅僅是由游離微管蛋白濃度減少引起的[8]。然而 Howell等[9]的發現能部分解釋在體外癌蛋白p18的這種“災難”促進作用,在不同pH值下有所不同,在 pH＞7的時候,癌蛋白 p18結合微管蛋白活性低,減弱了癌蛋白p18與微管蛋白螯合活性,而在pH為6.8時,螯合作用則占主導地位。促“災難”活性需要癌蛋白p18的N端區域,而微管蛋白螯合樣活性則需要完整的C端。最近的研究發現,癌蛋白p18也有可能通過控制微管數量或影響其長度來控制微管蛋白隔離,進而調節微管系統。Ringhoff和Cassineris[10]研究發現,癌蛋白p18敲除的小鼠胚胎成纖維細胞具有中心體核化現象,這在一定程度解釋調節微管蛋白亞單位隔離的機制。在豬腎小管上皮細胞株(LLCPK)中,適度提高癌蛋白p18表達水平能減少中心體的核化。值得注意的是,在成纖維細胞模型中低水平的內生癌蛋白p18在細胞有絲分裂時仍然能隔離微管蛋白亞單位,但沒有檢測到微管動力學改變。這與癌蛋白p18通過螯合作用獨立調節游離微管蛋白亞單位進而調節微管系統的觀點是一致的,提示癌蛋白p18可能通過多種途徑對細胞有絲分裂時的微管蛋白進行調節。

4 癌蛋白p18的生物學功能

微管是細胞骨架的主要構成成分,對細胞增殖、細胞分化、細胞周期的調節具有重要作用,癌蛋白p18能與多種細胞信號結合調節微管動力學,維持細胞的正常生物學功能。在正常的人體組織和細胞中,癌蛋白p18一般在高增殖能力的細胞中高表達;新生兒組織中,癌蛋白p18的表達水平也比成人組織中的高。在腫瘤細胞中,癌蛋白p18在多種腫瘤細胞中異常高表達,而當腫瘤細胞分化和增殖停滯時,癌蛋白p18水平大幅下降。Wang等[11]發現,用小干擾RNA(siRNA)技術降低癌蛋白p18表達導致骨肉瘤Saos-2和MG63細胞增殖率顯著降低,細胞分裂停滯于G2/M 期,同時細胞凋亡數大量增加,這表明癌蛋白p18對正常細胞和腫瘤細胞的增殖都有重要意義。采用siRNA干擾技術,沉默早期胚胎滋養母細胞癌蛋白p18的基因,發現多種滋養母細胞的遷移和增殖在一定程度上被抑制,提示癌蛋白p18表達水平可能與癌組織的分化密切相關[12]。在細胞周期S期時,癌蛋白 p18多為 1或2個位點磷酸化,而3個位點的磷酸化多在G2/M 期[13]。在 M 期所有 4個位點均被磷酸化,而最終被磷酸化的是Ser16和Ser63以滅活癌蛋白p18-微管蛋白結合物[14]。癌蛋白p18促微管解聚的活性受其自身磷酸化水平的調節,癌蛋白p18可能通過調節微管系統的動態平衡從而調控細胞周期。

微管失穩定蛋白和穩定蛋白共同調節微管動力學,他們之間活性的變化能影響細胞的黏附、遷移和形態學變化。癌蛋白p18作為重要的微管失穩定蛋白,與細胞活性的調節有著重要的關系。癌蛋白 p18在調節細胞活性時,Ser16、Ser25、Ser38位點被磷酸化,細胞能通過細胞外基質進行黏附,細胞形態出現變形蟲樣改變,細胞遷移能力增強。其中Ser16位點的磷酸化對癌蛋白p18調節細胞活性起到重要作用這一觀點已被證實,但Ser25、Ser38位點磷酸化的作用尚不清楚[15]。

5 癌蛋白p18與腫瘤

放療和化療在腫瘤治療中取得了較好的效果,但放療和化療一般特異性較差,帶來了較嚴重的不良反應[16]?；蛑委熅哂刑禺愋愿叩奶攸c而成為腫瘤治療的熱點。由于癌蛋白p18在多種已知的人類惡性腫瘤中異常高表達,并且與腫瘤的發展和預后有密切的關系,因而成為腫瘤治療的新靶點[17]。Mistry等[18]將腺病毒介導的抗癌蛋白p18核酶轉染到前列腺腫瘤細胞,腫瘤細胞癌蛋白p18表達明顯下降,腫瘤細胞生長與增殖明顯被抑制,細胞分裂停滯在G2/M期,細胞凋亡數顯著增加,且有明顯的劑量依賴性。多種因子可抑制癌蛋白p18表達或通過癌蛋白p18磷酸化調節細胞周期,促進細胞凋亡。目前,研究較多的是p53基因對癌蛋白p18表達的影響。野生型p53基因通過表達包含組蛋白脫乙?；傅淖枰謴秃衔锱c輔助抑制子mSin3a一起抑制癌蛋白p18基因啟動子,負性調節癌蛋白p18的表達,抑制細胞有絲分裂和腫瘤細胞增殖,而突變型p53基因喪失這種功能,導致癌蛋白p18過表達,促進腫瘤的形成[19]。有研究者構建survivin啟動子驅動的癌蛋白p18 siRNA導入腫瘤細胞能抑制癌蛋白p18表達,導致腫瘤細胞分裂停滯在G2/M期,細胞凋亡明顯增多[20]。Vancompernolle等[21]發現腫瘤壞死因子(T NF)刺激纖維肉瘤 L929細胞后,細胞內微管高度聚集,野生型癌蛋白p18高度表達,癌蛋白p18磷酸化,導致TNF介導的細胞凋亡大量增加。推測TNF能促進Ser16和Ser63位點磷酸化,從而降低癌蛋白p18的活性,促進微管解聚,導致細胞凋亡,但是具體機制尚未明確。核酶和siRNA抑制癌蛋白p18表達均能導致G2/M期細胞數增加、細胞集落生成抑制和細胞凋亡的顯著增加。通過腺病毒將抗癌蛋白p18的核酶轉染至前列腺癌細胞,證實抗癌蛋白p18的核酶能發揮G2/M期阻滯和促進腫瘤細胞凋亡的作用。Mistry和Atweh[22]在轉染抗癌蛋白p18的核酶后聯合應用化療藥物,發現聯合依托泊苷和紫杉醇都出現了較強的協同作用,在亞治療劑量下,二者聯合均出現G2/M期阻滯和促進腫瘤細胞凋亡的作用。這些研究為腫瘤的治療提供了一個新的方案。

6 結語與展望

微管作為細胞內重要的亞結構,對細胞分化與增殖、細胞周期、細胞遷移等有重要作用。癌蛋白p18通過調節微管動力學影響細胞的生物學特性和功能等。有研究表明,癌蛋白p18在多種惡性腫瘤中異常高表達,認為癌蛋白p18與腫瘤的發生、發展密切相關,可作為腫瘤診斷的標志物。但癌蛋白p18發揮生物學作用的機制,以及其在腫瘤基因治療的潛在療效還有待于進一步的研究。

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