鈣蛋白酶小亞基1在細胞凋亡、細胞周期及腫瘤中作用機制的研究進展

DOI:10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2015.04.010

作者單位：213003 常州，蘇州大學附屬第三醫(yī)院腫瘤生物診療中心

通信作者：何小舟，Email：hexiaozhouczyy@163.com

收稿日期：2015-06-08

鈣蛋白酶（calpain）是一種存在于動物細胞中的鈣離子依賴性的中性半胱氨酸蛋白酶。鈣蛋白酶小亞基 1 （calpain-s1，capn4）作為 calpain 的調節(jié)小亞基，對細胞周期、細胞凋亡及腫瘤的發(fā)生、發(fā)展等具有一定的影響。本文就近年來有關 capn4 在細胞周期、細胞凋亡及腫瘤中的作用機制作一綜述。

1　Calpain 簡介

Calpain 是由 Guroff [1]在 1964 年于大鼠的腦組織中首次發(fā)現(xiàn)并研究。Calpain1 和 calpain2 存在于哺乳動物中，由于其激活所需的 Ca 2+濃度不同，分為 μ-calpain 和m-calpain。calpain1 和 calpain2 在結構上是由一個 80 kD的大催化亞基和一個 28 kD 的小調節(jié)亞基組成 [2]。Calpain參與細胞的增殖、凋亡、遷徙及轉移等能力。鈣蛋白酶的水解活性是其主要表現(xiàn)，研究表明，calpain 可以通過水解踝蛋白（talin）的 Q433-Q434 位點和 talin-R 端的 K2493-K2494位點來影響整合素的激活和黏著斑的形成 [3-5]。Chan 等 [6]研究表明，calpain 還可以通過水解黏著斑激酶（FAK）的V774G 位點來調節(jié)黏附功能中 talin 的動態(tài)表達。Paxillin、fodrin、ezrin、vinculin 和 α-actinin 等蛋白都能被 calpain水解從而影響腫瘤細胞的遷徙轉移及黏附等功能。

2　Capn4 結構與功能

Capn4 是 calpain 家族共有的一個調節(jié)性小亞基，它包含一個由 30% 甘氨酸殘基組成的 N 末端結構域 V 和一個與結構域 IV 相似的 C 端的 Ca 2+結合結構域 VI [7-8]，在維持 calpain 功能中起著重要的作用。研究表明，敲除capn4 基因可導致 calpain1 及 calpain2 的失活，并通過影響小鼠心臟發(fā)育、形成而造成其在妊娠中期的死亡，提示鈣激酶蛋白在生物的生長發(fā)育中起到至關重要的作用 [9]。Kashiwagi 等 [10]發(fā)現(xiàn) capn4 的失活可減少小鼠軟骨細胞的增殖分化，并在體外試驗中證明這種改變是通過降低細胞周期蛋白 D（cyclin D）的基因轉入和增加相關細胞周期蛋白的累積來影響細胞從 G1 期向 S 期的過渡。而 Wernimont 等 [11]發(fā)現(xiàn) capn4 基因的缺失對淋巴細胞功能相關抗原-1 （LFA-1）介導的 T 細胞的黏附、增殖、遷徙、生長及免疫突觸的形成沒有影響，其原因可能是其他亞型 calpain 的補償作用。在心肌梗死（MI）的研究中，Ma 等 [12]發(fā)現(xiàn) capn4基因的缺失可以限制心肌梗死后左心室的肥大和梗死灶的擴大、減少心肌細胞的凋亡及纖維化，其機制可能是由于capn4 的缺失導致了核因子 κB（NF-κB）抑制蛋白（IκB）的降解從而抑制了 NF-κB 的活性以及后續(xù)的炎癥因子的釋放。近期在腎透明細胞腺癌組織的研究中發(fā)現(xiàn) capn4 的mRNA 水平及蛋白水平均呈過表達，并且與腫瘤的大小及患者的預后有一定關系 [13]。因此，capn4 與細胞的生長、功能及許多疾病存在密切的聯(lián)系，雖然現(xiàn)在關于 capn4 的相關機制并不是完全清楚，但其可能成為新的治療靶點和分子標志物。

3　Capn4 與細胞凋亡

細胞凋亡是一種由基因控制的細胞自主、有序的死亡。鈣激酶蛋白在細胞凋亡中同時具有促凋亡及抗凋亡能力，例如 calpain 可以水解 p53 蛋白來保護細胞避免 DNA 損傷誘導的細胞凋亡 [14]，而 calpain 也可以通過裂解 p18 Bax蛋白以獲得更有效的促凋亡活性 [15]。Capn4 作為 calpain1 和 calpain2 的調節(jié)亞基也具有抗凋亡及促凋亡的作用。研究表明在生長因子缺失、DNA 損傷、轉錄翻譯抑制等條件下，capn4 發(fā)揮促凋亡作用，而在 TNF-α 及廣譜激酶抑制劑十字孢堿（staurosporine，STS）誘導下，capn4 發(fā)揮抗凋亡作用，并且這種抗凋亡作用可能是通過 PI3-kinase/Akt 通路的激活來實現(xiàn)的 [16]。進一步研究發(fā)現(xiàn)，抑制 capn4 的活性，可導致蛋白激酶 B（protein kinase B，PKB/AKT）及叉頭蛋白（forkhead transcription factors of the Oclass，F(xiàn)oxO）的磷酸化減少，可能與蛋白磷酸酶 2（protein phosphatase 2，PP2A）與 AKT 的緊密結合有關，故 capn4 的促凋亡作用可能通過 calpain-PP2A-AKT-FoxO 通路來實現(xiàn) [17]。因此，capn4 對細胞凋亡發(fā)揮正向或負向調節(jié)作用可能是由不同的外界刺激所對應的信號通路的激活來決定的。

4　Capn4 與細胞周期

細胞周期是指細胞從一次分裂完成到下一次分裂結束的全過程。真核細胞的細胞周期與一系列的調控因子的結合與激活有關，主要有細胞周期蛋白、細胞周期蛋白依賴性激酶（cyclin dependent kinases，CDKs）和 CDK 抑制蛋白（cyclin dependent kinase inhibitors，CDKI）。p27 Kip1 作為CDKI 的一種能廣泛作用于各種細胞周期蛋白-CDK 復合物，發(fā)揮其抑制作用。在成骨細胞系中，capn4 的缺失可增加 p27 Kip1 蛋白的表達并減少其降解，有效抑制 cyclin D-cdk4 復合物的作用，減少成視網膜母細胞瘤蛋白（RB）的磷酸化，從而影響細胞從 G1 期向 S 期的過渡。而 p27 Kip1 的增加可能是由于 Akt/FoxO3A 通路的激活引起的 [18]。

5　Capn4 與腫瘤

根據 2012 年全球腫瘤流行病統(tǒng)計數據（GLOBOCAN 2012）顯示，2012 年全球大約 1410 萬新發(fā)癌癥病例和820 萬例死亡發(fā)生 [19]。癌癥的研究已成為刻不容緩的問題。隨著人類基因組計劃的發(fā)展，從基因水平到蛋白質水平的研究已成為腫瘤研究的必然趨勢。Calpain 家族與腫瘤的增殖、分化、侵襲轉移等能力有著密切的關系，capn4 作為calpain 的調節(jié)亞基，對腫瘤的發(fā)生、發(fā)展同樣存在著重要的意義。

5.1 Capn4 與肝癌

肝癌的高發(fā)病率與高死亡率一直是全球健康的巨大威脅，肝細胞癌（HCC）是原發(fā)性肝癌中最常見的類型，Bai 等 [20]發(fā)現(xiàn)相比于肝癌肝移植術后腫瘤未復發(fā)組，復發(fā)組患者肝癌細胞中 capn4 的 mRNA 水平及蛋白水平均過表達，并且在體外試驗中抑制 capn4 的表達可降低肝癌細胞的侵襲、遷移及增殖能力，體內試驗中，干擾 capn4 的表達可明顯抑制腫瘤的生長及肺部的轉移。提示 capn4 對肝細胞癌的生長及侵襲轉移起著重要的作用。乙肝病毒（HBV）的感染與 HCC 的發(fā)展有著密切的關系，是 HCC發(fā)病的重要病因之一，乙肝病毒 X 蛋白（HBX）是 HBV X基因編碼的一種多功能蛋白，與原發(fā)性肝癌有著密切的聯(lián)系，研究發(fā)現(xiàn) HBX 可以通過增加 NF-κB 啟動子的活性來增加細胞核中 NF-κB/p65 的表達及細胞質中磷酸化NF-κB/p65 的表達，而 NF-κB 可以直接與 capn4 啟動子結合，激活 capn4 啟動子的活性，增加 capn4 在基因水平及蛋白水平上的表達 [21]。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn) HBX 可以介導多種蛋白之間的相互交聯(lián)作用，其中包括 NF-κB、5-脂氧合酶（5-LOX）、骨橋蛋白（OPN）和 capn4，并通過這些蛋白之間的相互作用來調節(jié)肝癌細胞的遷徙轉移 [22]。在肝癌細胞中 capn4 的過表達可引起下游局部 FAK、SRC、p130Cas 磷酸化的增加，并增加基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase-2，MMP-2）的表達，從而促進腫瘤的進展和轉移。capn4 與 P-FAK 的高表達預示著 HCC 的預后不良 [23]。不僅 HCC 與 capn4 相關，肝內膽管癌（ICC）中 capn4 也可以通過上調 MMP-2 的表達來影響腫瘤細胞的進展與轉移，并且 capn4 的表達與 ICC 的淋巴轉移、TNM 分期及預后存在密切聯(lián)系 [24]。由此可見，雖然 capn4對肝癌的影響機制尚未完全明確，但是其為肝癌的治療提供了新的理論依據，具有成為治療新靶點的潛力。

5.2 Capn4 與乳腺癌

乙肝病毒 X 蛋白結合蛋白（hepatitis B X-interacting protein，HBXIP）是一個分子量為 19 kD 的蛋白，研究表明 HBXIP 能促進乳腺癌細胞的增殖與遷徙 [25]。該機制可能是通過 HBXIP/MEKK2/ERK1/2/Capn4 信號通路來實現(xiàn)的 [26]。17β-雌二醇（17β-estradiol，E2）是女性發(fā)育及生理功能必不可少的一類激素，但其在病理條件下可刺激乳腺癌的發(fā)生與發(fā)展 [27]。E2 通過兩種方式激活其生物活性，一種是基因組途徑，即 E2 與細胞內的雌激素受體形成二聚體，該二聚體進入細胞核中誘導靶細胞的基因轉入和蛋白質的合成，這種方式往往需要數小時或者更長時間；另一種途徑為非基因組效應，即通過蛋白與蛋白之間的相互作用而不是直接的 DNA 結合，這種效應一般在數分鐘內即可完成，如細胞內 Ca 2+的動員和細胞外信號調節(jié)激酶 1/2（ERKl/2）磷酸化的激活 [28-29]。Wang 等 [30]發(fā)現(xiàn) E2 可快速誘導 ERK的磷酸化繼而上調 capn4 的表達，而抑制鈣激酶蛋白的活性可明顯降低 E2 對 capn4 的誘導，這說明 E2 誘導的capn4 具有快速性和持續(xù)性。其機制可能是：① ERK 磷酸化激活后引起的 capn4 表達的快速上調可能發(fā)生在蛋白翻譯水平，屬于非基因組效應的核外作用的一部分；②當細胞質的 ERK 磷酸化后，其轉移至細胞核內調節(jié)基因轉錄的激活，以此誘導后續(xù) capn4 的改變。

5.3 Capn4 與其他腫瘤

在其他類型的腫瘤細胞中，capn4 也被發(fā)現(xiàn)異?；罨Ｈ缭诒茄拾┲?，與正常組織相比，capn4 在癌組織中高表達；并且 EB 病毒感染患者的腫瘤組織中 capn4 的表達比未感染的患者明顯升高，提示 EB 病毒可能調控 capn4 的表達 [31]。在非小細胞肺癌中，癌組織中 capn4 高表達，并且與腫瘤的大小、淋巴轉移相關，并且 capn4 可通過提高MMP-2 的表達來促進腫瘤的侵襲 [32]。

6　展望

雖然 capn4 對細胞的凋亡、細胞周期的影響及腫瘤生長轉移能力的機制尚未完全闡明，但是 capn4為多種疾病的治療提供了新的靶點。Capn4 可能是多種疾病進展的共同通路，尤其在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中，一些與腫瘤高度相關的病因（如 EB、HBV）可能是通過影響 capn4 的表達，從而引起腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、侵襲轉移及復發(fā)等。Capn4 可能作為臨床判斷疾病及預后的標志，為以 capn4 及其信號轉導通路為靶點的分子治療提供了新的研究思路。