組成型光形態(tài)建成蛋白1介導p53及Jun激酶泛素化通路的研究進展

楊文博(綜述)，烏蘭齊齊格,達林泰(審校)

(內(nèi)蒙古醫(yī)科大學附屬醫(yī)院口腔科，呼和浩特 010050)

組成型光形態(tài)建成蛋白1(constitutively photomorphogenic protein 1，COP1)，也稱為RFWD2[1]，是一個光形態(tài)建成的抑制子。首先發(fā)現(xiàn)于擬南芥，其主要作用為抑制光介導的植物生長。在黑暗環(huán)境下COP1位于細胞核內(nèi)，光照環(huán)境下位于細胞質(zhì)中，可降解胚軸蛋白5(hypocotyl 5，HY5)、長波遠紅光蛋白1(long after far-red light1，LAF1)和長胚軸遠紅光蛋白1(long hypocotyl in far-red1，HFR1)[2]。在哺乳動物中，COP1可作為p53泛素化的一種E3連接酶，能夠抑制p53轉(zhuǎn)錄激活活性、促進依賴p53的細胞凋亡。COP1的過表達可促進細胞增殖、細胞分化以及腫瘤發(fā)展。COP1在肝癌、胃癌、肺癌、食管癌、乳腺癌、卵巢腺癌中具有高表達，相關(guān)報道表明COP1的表達與腫瘤的浸潤程度呈正相關(guān)，COP1作為一種腫瘤抑制蛋白與p53呈負調(diào)節(jié)，影響p53依賴的轉(zhuǎn)錄、細胞凋亡、細胞周期阻滯和DNA修復[3]。目前研究表明，p53泛素化經(jīng)典途徑是鼠雙微粒體蛋白2(murine double-minute 2，MDM2)及p53介導的環(huán)狀H2蛋白(p53-induced ring-h2 protein，Pirh2)，COP1途徑是p53泛素化的非MDM2依賴途徑[4]。本文將對COP1的基本結(jié)構(gòu)及對p53、Jun激酶的表達調(diào)控和影響因素研究進展進行綜述，為COP1/p53泛素化及Jun激酶信號通路全面解析奠定基礎(chǔ)。

1 COP1的結(jié)構(gòu)

COP1最先見于植物光調(diào)控發(fā)育報道。近年來COP1在哺乳動物中的表達及功能也被廣泛關(guān)注，COP1已被認為是腫瘤抑制因子p53的一個重要的負調(diào)節(jié)因子，COP1是一個由675個氨基酸組成的相對分子質(zhì)量為76×103的可溶性核蛋白，在二級結(jié)構(gòu)上，它由3個特殊的結(jié)構(gòu)域組成，即N端的環(huán)形鋅指結(jié)合域(ring finger zinc binding domain，RING)、中間的卷曲螺旋形結(jié)構(gòu)域、C端的WD-40重復序列(WD-40)。此外，還含有一個核定位信號和一個新型細胞質(zhì)定位信號。

COP1的環(huán)形鋅指結(jié)構(gòu)域易于Zn離子結(jié)合，是一個整合的結(jié)構(gòu)單元，其保守序列為CX2CX(9-39)CX(1-3)CX(2-3)CX2CX(4-48)CX2C3HC4。環(huán)形鋅指結(jié)構(gòu)域形成的是一個整合的結(jié)構(gòu)單元而不是兩個串聯(lián)的鋅指模型。其作用是介導蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)間的相互作用[5]；卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域含有82個氨基酸，其二級結(jié)構(gòu)為連續(xù)的α螺旋，呈高度負電荷化。該結(jié)構(gòu)域的功能是負責與DNA結(jié)合，同樣也具有蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)間的相互作用，該結(jié)構(gòu)域與WD-40重復序列之間的區(qū)域若缺失則會嚴重抑制COP1的失活，若在該結(jié)構(gòu)域內(nèi)插入氨基酸片段后COP1活性明顯降低，可見卷曲螺旋結(jié)構(gòu)與WD-40重復序列之間的該區(qū)域為COP1的關(guān)鍵區(qū)域；WD-40重復序列含有四個完整的WD-40重復序列及兩個不完整的重復序列，同時具有與DNA結(jié)合作用及蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)結(jié)合作用。若WD-40重復序列結(jié)構(gòu)改變，氨基酸缺失則導致功能相反，即COP1b，可見WD-40重復序列區(qū)域是COP1行使其功能的重要區(qū)域；COP1中細胞質(zhì)定位信號和核定位信號分別位于COP1氨基酸殘基上及C端，細胞質(zhì)定位信號與環(huán)形鋅指類結(jié)構(gòu)及卷曲螺旋結(jié)構(gòu)部分重疊可引導COP1核分布。

2 COP1的功能

COP1參與植物生長發(fā)育，哺乳動物細胞的存活、生長和代謝。在植物中是一種重要的光敏色素相互作用蛋白，植物中轉(zhuǎn)錄因子COP1主要作用于LAF1、HY5、HYH和HFR1及光感受器，其中包括光敏色素A和隱花素1.5的泛素依賴性蛋白酶體降解[6]。在黑暗狀況下COP1位于細胞核內(nèi)，作為一種抑制E3泛素連接酶為目標的蛋白質(zhì)[7]，如光形態(tài)建成，促進轉(zhuǎn)錄因子HY5破壞的形態(tài)建成[8]，針對位于核內(nèi)的轉(zhuǎn)錄因子蛋白酶體介導的降解。轉(zhuǎn)移至光下后，COP1變?yōu)榉羌せ顮顟B(tài)，遷移到細胞質(zhì)，使光形態(tài)進行，但剩余細胞質(zhì)下調(diào)光信號介導的光敏色素A[9]。在這里，若等位基因COP1憑借轉(zhuǎn)移出細胞核和通過抑制的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，從而使光形態(tài)繼續(xù)進行。即降低而不是在紅光下的黑暗提高子葉展開的能力。相反，COP1過表達可去除黃化不良在藍色或遠紅外紅光下照射增強型光形態(tài)建成。

COP1雖然在哺乳動物細胞中不發(fā)生光形態(tài)建成，但哺乳動物細胞中的COP1與擬南芥COP1有同源性的。近期研究表明，突變的COP1及其蛋白底物在多種人類惡性腫瘤中有表達，如肝癌、胃癌、肺癌、食管癌、乳腺癌、卵巢腺癌中具有高表達，COP1的過表達可促進細胞增殖、細胞分化以及腫瘤發(fā)展。哺乳動物中的COP1與擬南芥中COP1蛋白結(jié)構(gòu)相似，同樣包括N端RING，一個內(nèi)部的卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域和C端WD40重復。但是，哺乳動物COP1與植物COP1相比具有N端延伸，可能是負責針對COP1核膜。此外，哺乳動物的COP1擁有E3泛素連接酶的活性。COP1除了具有內(nèi)在E3活性，其還在擬南芥和哺乳動物細胞中參與多種蛋白底物泛素化，促進其蛋白酶體降解，COP1參與形成E3泛素連接酶復合物，其中包含在人類細胞中存在的一些E3復合物，如de-etiolated 1(DET1),DNA damage-binding protein 1(DDB1),culline 4(CUL4)[10]及ring-box 1(RBX1)。COP1的底物的被逐漸識別，包括ACC1(acetyl-coenzyme A carboxylase alpha),MTA1(metastasis-associated protein 1),FOXO1(forkhead box protein O1)，TORC2(transducer of regulated CREB activity 2)和PEA3(polyomavirus enhancer activator-3)[11]。COP1蛋白是能夠針對轉(zhuǎn)錄因子HY5(擬南芥)和Jun激酶(在人類)的泛素化和蛋白酶體介導的降解。在哺乳動物細胞中,COP1是一個進化上保守的環(huán)狀鋅指結(jié)構(gòu)域內(nèi)Cullin的環(huán)連接酶(CRL)復合物，可促進Jun激酶的和p53泛素化的泛素連接酶的作用。作為p53負調(diào)節(jié)因子，研究COP1蛋白表達與p53蛋白在人類癌癥狀態(tài)之間的關(guān)系是至關(guān)重要的。COP1與Jun家族的亮氨酸結(jié)合。作為一種功能性相互作用的結(jié)果，在哺乳動物細胞中表達COP1能有效下調(diào)Jun激酶轉(zhuǎn)錄所依賴的目標基因激活蛋白1(apetala1,AP-1)的表達。COP1的RING可表現(xiàn)出體外泛素連接酶的活性，但由COP1抑制依賴AP-1轉(zhuǎn)錄的Jun激酶蛋白水平表達的變化表明，Jun激酶降解是獨立于這種抑制作用。擬南芥中COP1在控制基因表達的重要屬性提示，COP1在哺乳動物細胞可能成為一個新的腫瘤調(diào)節(jié)因子。

2.1COP1與p53泛素化途徑 p53作為應(yīng)激激活的序列特異性轉(zhuǎn)錄因子，激活轉(zhuǎn)錄開始于含有p53的結(jié)合位點共識的激活子。此外，p53蛋白因其具有有效的轉(zhuǎn)錄抑制功能，在基因水平具有調(diào)控作用。因此，它可以保護細胞免受各種應(yīng)激信號，如DNA損傷、核苷酸耗竭和原癌基因激活，參與細胞周期阻滯、凋亡基因激活轉(zhuǎn)錄、DNA修復，并且抑制基因參與血管生成、抗細胞凋亡、細胞周期進程。激活p53后，可能會導致生長停滯、衰老或凋亡，從而防止細胞受損基因組復制。p53在無應(yīng)力細胞中迅速轉(zhuǎn)化由蛋白酶體依賴性途徑，這是通過E3泛素連接酶COP1蛋白與PIRH2和MDM2底物識別來完成的[12]。MDM2是p53的主要負調(diào)控因子，是由Momand等首先提出的[13]，其主要功能為介導p53蛋白降解和抑制p53轉(zhuǎn)錄活性；調(diào)節(jié)p53的核-漿交換[14]。MDM2蛋白的基因已被證明是上調(diào)的基因擴增和過表達的腫瘤。MDM2蛋白已被證明對腫瘤細胞的增殖和過表達有影響。野生型p53基因在各種癌癥中，MDM2蛋白的過表達和(或)擴增的頻率是比較低的，盡管MDM2蛋白仍隱藏致癌特性。Pirh2途徑是由Duan等首次研究報道，磷酸化修飾會導致Pirh2蛋白自身不穩(wěn)定以及改變Pirh2蛋白的亞細胞定位，使Pirh2蛋白處于細胞核外，也有研究發(fā)現(xiàn)，Pirh2不依賴于MDM2促進p53降解，Pirh2通過負反饋環(huán)路調(diào)控p53的功能，導致介導p53泛素化降解功能的喪失；而COP1可作為p53泛素化的一種E3泛素連接酶，能夠抑制p53的逆轉(zhuǎn)錄活性和依賴p53細胞凋亡，COP1可以使p53直接泛素化而不依賴MDM2及Pirh2途徑[15]。現(xiàn)行對p53研究表明在哺乳動物細胞DNA受損時，p53表達水平升高，p53乙?；傲姿峄?，此時p53可通過MDM2和Pirh2途徑及COP1途徑泛素化，從而抑制其逆轉(zhuǎn)錄活性，阻止受損細胞周期的繼續(xù)[16]。

2.2COP1與Jun激酶蛋白 Jun激酶作為Jun家族(還包括V-Jun、JunB及JunD等)的轉(zhuǎn)錄因子之一，Jun激酶基因的閱讀框架有340個氨基酸,其蛋白產(chǎn)物c-Jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)的相對分子質(zhì)量為37×103～39×103的蛋白，JNK可以形成同源二聚體,但更多的是形成AP-1。Jun亞類成員可與任何AP-1家族轉(zhuǎn)錄因子通過亮氨酸拉鏈結(jié)合形成同源或異源二聚體,或與另一類含堿性亮氨酸拉鏈的轉(zhuǎn)錄激活因子(transcription activator,ATF)形成Jun-ATF2異源二聚體;參與細胞周期中細胞的生長及凋亡[17]。由于Jun激酶增殖作用，異常的激活Jun激酶在多種腫瘤細胞中也有過表達，與p53類似Jun激酶也是一種極不穩(wěn)定的蛋白，受多個泛素連接酶限制。從相關(guān)研究報告中可得知，COP1、FBW7(F-box/WD重復蛋白7)[18]和相互作用蛋白4(ITCH)均可促進Jun激酶的泛素化。Jun激酶以非磷酸化和磷酸化形式存在。JNK位于胞質(zhì),通過蘇氨酸和酪氨酸殘基羥基側(cè)鏈的雙重磷酸化而被激活。JNK蛋白激酶有3個基因編碼:JNK1、JNK2和JNK3。JNK1和JNK2基因在全身廣泛表達,而JNK3呈限制性表達,僅見于腦、心臟和睪丸[19]。正是由于3種基因的不同分布,特別是JNK3,使他們執(zhí)行不同的細胞功能。JNK1和JNK2主要在生物學和病理過程中發(fā)揮作用,尤其是免疫系統(tǒng)；JNK3主要表現(xiàn)在神經(jīng)系統(tǒng),尤其是神經(jīng)細胞死亡[20]。JNK可激活Jun激酶，使其磷酸化。在人類癌細胞中，隨著p53表達的減少或缺失，導致JNK活化和Jun激酶轉(zhuǎn)錄活性增加。JNK信號途徑可以調(diào)控細胞生長、癌基因轉(zhuǎn)化、細胞分化和細胞凋亡等多種生命過程，JNK信號通路的活化與誘導癌細胞的凋亡有關(guān)，因而有抗癌效應(yīng)[21]。近年來的研究表明，JNK還與多種疾病發(fā)生機制有關(guān)(阿爾茨海默病、帕金森病、角膜炎、糖尿病)[22]，從而使JNK在臨床上可作為一個潛在的分子治療靶點。進一步研究發(fā)現(xiàn)，Jun激酶作為COP1的一個重要的生理指標，COP1保持Jun激酶在體內(nèi)較低水平，從而調(diào)制Jun激酶/AP-1轉(zhuǎn)錄活性。更重要的是，COP1使Jun激酶的依賴性細胞增殖缺乏刺激[23]。研究表明在多種癌癥中COP1缺失是導致Jun激酶在人類癌癥的上調(diào)機制之一。因此，認為COP1具有腫瘤抑制功能。

3 展 望

目前研究表明，COP1的研究已從植物發(fā)展到哺乳動物，在人類多種腫瘤細胞中，COP1均有高表達，COP1作為一種E3泛素連接酶，分布于細胞核及細胞質(zhì)內(nèi)的COP1對p53及Jun激酶抑癌基因的泛素化有負調(diào)節(jié)作用，COP1對促進了腫瘤的發(fā)生及發(fā)展，已得到初步證明。通過研究COP1對p53及Jun激酶的作用機制，進一步了解COP1對腫瘤的發(fā)生機制影響，為未來抑制腫瘤發(fā)生及生長奠定一定的理論基礎(chǔ)，COP1是否可以作為研究臨床腫瘤分子治療的潛在目標靶，需進一步探索。

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