septin基因家族的功能及其與人類疾病關系的研究進展*

馬　強 綜述，孫厚良，趙麗芳，郝　坡△ 審校

(1.重慶三峽醫藥高等?？茖W?！?04120；2.重慶市抗腫瘤天然藥物工程技術研究中心　404120；3.漯河醫學高等?？茖W校，河南漯河 462002)

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·綜述·

septin基因家族的功能及其與人類疾病關系的研究進展*

馬強1,2綜述，孫厚良1,2，趙麗芳3，郝坡1,2△審校

(1.重慶三峽醫藥高等?？茖W校404120；2.重慶市抗腫瘤天然藥物工程技術研究中心404120；3.漯河醫學高等?？茖W校，河南漯河 462002)

Septin；基因家族；分類；生理功能；人類疾病

septin是一類具有鳥苷三磷酸酶(GTPase)活性的基因家族，該家族成員在進化上相對比較保守，各家族成員之間除了N端和C端稍有不同外，位于中央的鳥苷三磷酸(GTP)結合結構域和多堿性氨基酸結構域都是高度保守的[1]。此外，該基因家族的分布也較為廣泛，目前除植物外，在絕大多數的真核生物中均發現有septin基因的存在。并且根據組織表達和互作蛋白的不同，這些septin基因家族成員可執行不同的細胞功能，包括細胞極性、胞質分裂及細胞凋亡等一系列重要的生理功能。而septin基因的表達也會受到嚴格的控制，這樣可以維持纖維絲的正確組裝和正常的細胞功能。但如果是因為基因突變和表達變化引起septin蛋白改變，就會導致疾病的發生，目前人們發現大多數septin家族成員的表達變化與人類多種疾病的發生有著密切聯系，如腫瘤的發生、病原微生物感染、神經系統退行性疾病及精子的發生過程等。但是由于septin 基因家族成員非常龐大，并且它們的結構和功能都比較復雜，因此，對這些家族成員與多種疾病關系的具體作用機制尚未完全研究清楚。本文將試圖從septin 基因家族的分類、結構、功能及與人類疾病發生、發展的關系方面對近年來的研究進展作一綜述。

1　septin基因家族的分類及結構

septin最早發現于上世紀70年代初，它是作為一種參與芽殖酵母(saccharomycescerevisiae)胞質分裂過程所必需的蛋白質[1]。而人類septin作為基因家族的一部分，盡管它們都具有相似的序列，但功能卻不完全相同，并且這些septin家族成員都來自于一個共同的祖先[2]。目前，已知的人類septin家族由13個基因組成(表1)，它們是SEPT1～SEPT12及SEPT14，而之前人們所熟知的SEPT13基因目前已被確定是與SEPT7相關的偽基因，由于這些SEPT基因會出現多種亞型，因此能編碼幾十種不同的septin蛋白，其所編碼蛋白質的相對分子質量在(39～60)×103[2]。此外，根據系統發育和進化分析的結果，人們將spetin基因家族成員又分為幾個不同的亞家族，這些亞家族成員中的SEPT2、SEPT7和SEPT9目前已經被證實具有GTP酶活性，能夠水解鳥苷二磷酸(GDP)，而SEPT6亞家族的成員不具備這種能力[3]。這也就意味著GTP水解作用的缺失是一種像人類這樣擁有數量眾多septin的生物體一個主要的特征。然而，這些研究結果背后的原因仍不清楚。GTP的結合已被證實有誘導結合區構象變化的特性，并且其作用機制被認為與Ras蛋白超家族的功能有關[1,4]。但是，septin蛋白的組裝是否需要GTP的水解及GTP結合區的構象變化是否會影響到septin纖維微絲的形成，這些問題在很大程度上仍是個未知數。

表1　　人類septin基因家族成員匯總表

septin蛋白序列N端的多元區側翼有一個高度保守的GTP結合結構域(圖1)，該結構域主要負責septin蛋白與細胞膜之間進行互作和結合。在septin多元區的上游，含有一個富含脯氨酸的結構域，該結構域在參與蛋白質與蛋白質及蛋白質與細胞骨架組分相互作用中顯得尤為重要[5]。此外，septin蛋白結構復雜性的增加使得自身能同時編碼多個復合的轉錄組，并且能產生多種變異剪接本。在人類所有的septin基因家族成員中，除了SEPT14只能編碼一種亞型的多肽外，其余SEPT基因均能編碼2種或2種以上的多肽。最近，隨著微小核糖核酸(miRNAs)和反義轉錄本被注釋到septin的基因組區域，意味著這種嚴格的轉錄調控機制可能會協調這個復雜基因家族的蛋白表達。

綠色表示脯氨酸富含域(N端可變區)；灰色表示多元結構域；黃色表示GTP酶結構域；橙色表示含septin特征元件域；藍色表示卷曲螺旋(C端可變區)。

圖1septin結構域示意圖

2　septin的生理功能

2.1參與胞質分裂septin基因最早發現于分裂缺陷型的釀酒酵母中，而酵母的胞質分裂受阻往往也是由該基因的缺失或突變引起的。在酵母中，septin能定位于母細胞分裂的芽頸連接處，并且septin已被證明是參與募集許多細胞質分裂相關蛋白必不可少的招募者[6]。此外，septin環的組裝過程并非是為細胞質分裂提供所需的能量，而是發揮必要的調控作用。septin支架在酵母中的組裝過程需要微管和紡錘極體的定位，并且隨著后續的分離，經過復制的染色體分別進入到母細胞和子細胞中。哺乳動物的septin與酵母類似，在完成胞質分裂的過程中都起著重要的作用。研究表明，通過顯微注射親和純化的SEPT9抗體，再利用小干擾RNA(small interfering RNA，siRNA)使細胞質分裂在早期和晚期階段出現缺陷，最終會導致雙核細胞的形成或者子細胞分離失敗，而SEPT2、SEPT7和SEPT11缺失也與SEPT9的研究結果一致[7]。要成功實現細胞分裂，最重要的就是細胞質分裂和染色體分離之間要建立協調的關系。Spiliotis等[8]分別利用SEPT2和SEPT6對應的抗體進行熒光定位，發現這兩種蛋白質都能定位在緊密附著有著絲點的紡錘體微管上。當SEPT2和SEPT6通過siRNA干涉后，則會導致赤道板的染色體丟失、染色體不分離及主軸伸長。

2.2參與建立細胞的擴散阻礙作用除了在酵母母細胞芽頸連接處起支架作用外，septin還可通過芽頸限制細胞表皮因子的交換以起到擴散阻礙的作用。和酵母類似，哺乳動物細胞也能在細胞質分裂的地方形成septin環狀結構。然而，他們的擴散阻礙作用并未像酵母一樣得到廣泛的研究。此外，皮層障礙在哺乳動物卵裂溝內的擴散是目前中體(mid-body)已知的方式。septin的擴散阻礙作用是由纖毛在septin形成環狀結構的基礎上建立的[9]。初級纖毛是脊椎動物絕大多數細胞頂面的一個細胞突起，其功能是作為一種感受器，并在細胞發育和組織穩態的信號通路上起到關鍵的協調作用。人類疾病和已知的纖毛發育障礙主要是由細胞器的結構和功能缺陷引起的。在纖毛形成期間纖毛會利用質膜進行膜融合，并能把相關感知和轉導多種胞外信號的獨特組蛋白保留下來。此外，一種內含septin的擴散隔膜就是在纖毛膜的基礎上形成的，并且已證明初生纖毛在形成過程中需要保留受體的信號通路[10]。這種擴散阻礙限制了纖毛和外周纖毛膜之間的纖毛膜蛋白的擴散，也為septin從真菌到哺乳動物的進化保守角色提供了一個經典的案例。

2.3參與細胞極性的形成細胞極性是生物體和組織發育及實現生理功能所必需的基本過程。與酵母同源的哺乳動物septin也需要建立和保持細胞極性，而細胞極性分化的共同特征就是存在一個不對稱的質膜組織。在細胞水平上，建立和保持細胞極性在不同的生物體中都要遵循共同的過程。與酵母類似，建立哺乳動物的細胞極性可以利用高度保守的Ras和Rho家族[11]。細胞極性的建立需要囊泡膜沿著供體與膜受體之間連接形成的細胞骨架軌道進行運輸。酵母已經被證明是一個研究細胞極性建立和調控機制的很好模型。同時，septin在哺乳動物細胞極性中扮演的角色也初露端倪。Bowen等[12]在體外進行犬腎細胞的極化研究時發現，SEPT2能指導微管生長和捕獲的方向，該過程對于保持微管的正確方向是至關重要的。先前的研究發現septin通過與微管蛋白MAP4(microtubule-associated protei)、微管乙?；饔眉拔⒐芫酃弱０返慕Y合，從而控制微管的穩定[13]。

3　Septin與人類疾病的關系

3.1Septin與腫瘤越來越多的研究證實，septin基因家族直接參與了腫瘤的發生、發展。Septin與腫瘤發生有關的報道首次出現在惡性血液病中。研究表明，在患有急性髓細胞性白血病(acute myeloid leukemia，AML)的同卵雙胞胎患者體內，人們發現參與人類細胞分裂的周期相關基因hCDCrel/SEPT9如果出現染色體易位，就很容易和MLL(myeloid/lymphoid ormixed-lineage leukemia)基因形成融合基因或者伴侶基因[14]。后來，人們陸續發現SEPT2、SEPT5、SEPT6及SEPT11 4種septin基因都可以與MLL形成類似的融合基因[7,13]。這種融合現象多見于嬰兒型急、慢性粒細胞性白血病。此外，SEPT9的過量表達也與某些癌癥的發生有關。如人類乳腺癌的發生跟SEPT9基因產生的一種剪接本SEPT9_v1有直接的關系，在乳腺癌細胞及其組織中均能檢測到該剪接本上調表達。而恰恰乳腺癌細胞的增殖、侵襲及惡性轉化的速率與該剪接本過量表達有密切的關系。另外，SEPT9 _v1還可穩定氨基末端激酶JNK(c-Jun N-terminal kinase)的表達水平，防止JNK降解，從而促進JNK/c-Jun通路的活化，使下游的細胞周期蛋白CyclinD1表達上調，促進腫瘤細胞的增殖[15]。

除研究較為深入的SEPT9基因外，其他septin家族成員也與人類腫瘤的發生有密切的關系。如人類SEPT1的過量表達會使皮膚鱗狀細胞癌發生概率增加[16]；最新的研究發現，SEPT2的下調表達能使過氧化物酶體增殖物激活受體-γ(peroxisome proliferator-activated receptor-γ，PPARγ)活化，從而抑制肝癌細胞的生長[17]；SEPT3 的表達則與髓母細胞瘤等神經元來源的腫瘤有關[18]；SEPT4表達有組織特異性，并且與結腸癌、前列腺癌、腎細胞癌和膀胱癌的發生有關。此外，人們還發現SEPT4的兩個變異剪接本表達下調會抑制結腸癌細胞的增殖及惡性轉化[19]。

3.2Septin與感染性疾病人們在研究宿主與微生物的相互作用時，驚奇地發現septin在細菌感染和先天免疫中也扮演著很重要的角色。Septin首次與吞噬作用的過程聯系起來主要是根據他們已知的調控膜運輸的功能。幾種septin蛋白都能在小鼠的巨噬細胞中表達，并且SEPT2和SEPT11都能定位在吞噬體上[20]。此后不久，隨著研究的深入，septin開始出現新的功能，其在保護宿主免受病原體的感染上起到關鍵的作用。這項研究主要是圍繞志賀氏桿菌(Shigella)開展，研究發現septin能聚集組裝成一個籠狀結構，該結構能防御細菌在細胞間進行擴散[21]。膜動力學的調控對于T淋巴細胞的遷移也起到至關重要的作用。利用小發卡RNA(small hairpin RNA，shRNA)消除septin的細胞骨架，會導致T細胞的形態結構發生變化，此時T細胞會出現明顯的皺縮及多余的尖端突起[22]。此外，其他病原體如單增李斯特菌(Listeriamonocytogenes)和立克次氏體(Rickettsia)在入侵宿主細胞時同樣會受到septin蛋白形成的類似籠狀結構的組織防御[9,23]，這種結構可以將病原體包裹在內部，從而有利于體內的溶菌酶對其進行降解清除。

3.3Septin與神經系統疾病研究表明，septin基因家族部分成員的功能失調與阿爾茨海默病、帕金森病及遺傳性神經痛性肌萎縮等神經系統疾病的發生和發展有著直接的關系。Macedo等[24]基于分子流行病學的研究發現，SEPT3第11號外顯子的一個多態性位點與阿爾茨海默病發生有關；Walden等[25]研究發現，SEPT5的其中一個剪接本SEPT5_v2作為一種結合蛋白可與SEPT5另一個變異體v1結合，并在常染色體隱性青少年帕金森病腦組織中積聚。此外，遺傳性神經痛性肌萎縮(Hereditary neuralgic amyotrophy，HNA)作為一種罕見的常染色體顯性遺傳性疾病，目前已被證實該病的發生與SEPT9的突變有直接的關系[26]。此外，患有帕金森病、癡呆癥及多發系統萎縮等疾病的患者中樞神經系統均可看見大量的萊維小體(Lewy body)，該小體已被確認為此類神經系統疾病患者腦內的特征性標志物，值得注意的是，SEPT4參與了該小體的形成[27]。

3.4Septin與男性不育癥Septin家族可能與男性不育癥有關。在已發現的13個人類septin成員中，SEPT1、SEPT4、SEPT6、SEPT7及SEPT12均被證明在精子細胞的分化、成熟及精子的運動功能中發揮著重要的作用。其中，SEPT4能定位于精子的環結構。在精子發生過程中，SEPT4能促進精子環結構的形成。研究表明，把雄性小鼠SEPT4基因敲除后，會造成小鼠精子環結構形成缺陷，進而使鞭毛形態及運動功能受到影響，最終導致不育癥。2010年Chao等[28]報道1例畸形精子無力癥患者，其精子的鞭毛環結構缺失率達97%，進一步的定位結果顯示，SEPT7信號在該患者的精子鞭毛環結構處較弱，因此臨床上也把SEPT7作為檢測精子成熟的生物標記。除此之外，SEPT6和SEPT12的表達缺陷也會造成精子環結構的紊亂，出現精子無力現象，導致不育[29]。

4　展　　望

Septin基因首次在酵母中被發現距今已過去40多年的時間，在哺乳動物細胞中的研究也過去了有20年的時間，在這期間，人們對septin進行了大量而深入的研究工作，也取得了很多研究成果，尤其是作為支架蛋白的septin絲狀結構為深入研究septin的功能提供了大量的證據。目前的研究表明，septin參與了很多重要的生理過程，其中包括細胞分裂、細胞極性形成、細胞的擴散阻礙、囊泡運輸、胞吞胞吐和細胞凋亡等。在這些過程中septin可能扮演了一種腳手架蛋白的角色，其功能可能是招募或阻隔相關的細胞功能蛋白來參與完成上述的一系列生理過程，但由于septin基因家族結構的特殊性和成員的復雜性，其詳細的生理功能還有待進一步深入研究。此外，septin的異常表達與人類疾病的發生、發展有直接的關系。這些人類疾病包括腫瘤發生、神經功能障礙和病原微生物感染及男性不育癥等。隨著后續研究的深入，septin作為一種蛋白載體發揮功能的方式也逐漸得到了眾多研究者的認同，這些septin蛋白要么加強功能蛋白間的相互作用，要么阻隔二者間的互作，通過這兩種作用方式來調節細胞信號通路的活化或抑制。正是由于它們的特殊性和重要性，septin基因家族與人類疾病的關系才越來越受到人們的關注，并取得了很多重要進展，這也為今后的研究奠定了基礎，未來的研究重點可能會更多的集中到septin蛋白在細胞吞噬中所發揮的作用上，此外，繼續對septin進行基因水平上的探索也是今后研究的趨勢，而這些septin功能的研究和闡釋必將會對人類疾病的診斷和治療產生重要的意義。

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10.3969/j.issn.1671-8348.2016.25.039

重慶市基礎與前沿研究計劃項目(cstc2014jcyjA80019)；重慶三峽醫專自然科學重點項目(2016xzz03)。

馬強(1986-)，講師，碩士，主要從事生物化學與分子生物學的研究。

，E-mail：hpo1979@126.com。

R363

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1671-8348(2016)25-3570-04

2016-03-18

2016-05-26)