Wnt信號(hào)通路中關(guān)鍵蛋白磷酸化修飾作用與腫瘤的關(guān)系

呂欣桐, 李春艷

(中國(guó)醫(yī)科大學(xué), 1. 七年制99期74班; 2. 科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心三部, 遼寧 沈陽(yáng), 110001)

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綜 述

Wnt信號(hào)通路中關(guān)鍵蛋白磷酸化修飾作用與腫瘤的關(guān)系

呂欣桐1, 李春艷2

(中國(guó)醫(yī)科大學(xué), 1. 七年制99期74班; 2. 科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心三部, 遼寧 沈陽(yáng), 110001)

磷酸化; 腫瘤; GSK-3β; CK1; Axin

作為經(jīng)典的細(xì)胞間信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑之一, Wnt信號(hào)通路由一系列相互作用的蛋白組成，它的異常激活可引起細(xì)胞異常增殖、分化、上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT), 從而導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生。蛋白質(zhì)磷酸化是生物界最普遍，最重要的一種蛋白質(zhì)翻譯后修飾(PTM), 在細(xì)胞協(xié)調(diào)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)及調(diào)控重要生理活動(dòng)的過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用。近來科學(xué)家在發(fā)育和腫瘤發(fā)生方面對(duì)經(jīng)典Wnt通路中的關(guān)鍵蛋白分子進(jìn)行了深入的研究。本文就Wnt信號(hào)通路中的關(guān)鍵蛋白分子，即糖原合成激酶3β(GSK-3β)、酪蛋白激酶1(CK1)和體軸發(fā)育抑制因子(Axin)，分別通過磷酸化下游蛋白質(zhì)，導(dǎo)致修飾后的蛋白功能發(fā)生改變，進(jìn)而引發(fā)或促進(jìn)腫瘤的發(fā)生、發(fā)展進(jìn)行綜述。

1 Wnt通路的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

Wnts是一類分泌性糖蛋白，現(xiàn)已知的主要有19種，其中激活經(jīng)典通路的有Wnt-1, Wnt-3a和Wnt-8。在沒有Wnt信號(hào)的情況下，細(xì)胞質(zhì)中的β-連環(huán)蛋白和大腸腺瘤息肉蛋白(APC)、Axin、CK1、GSK-3β一起形成多蛋白復(fù)合物, GSK-3β對(duì)β-連環(huán)蛋白的第41, 37和33位殘基進(jìn)行磷酸化后, CK1對(duì)β-連環(huán)蛋白的第45位殘基進(jìn)行絲氨酸/蘇氨酸磷酸化，這一磷酸化過程啟動(dòng)了泛素化依賴的蛋白降解過程，將β-連環(huán)蛋白降解。Wnt蛋白與跨膜受體frizzelds, 以及共同受體低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白(LRP)LRP-5、LRP-6結(jié)合，激活Wnt通路，抑制β-連環(huán)蛋白- Axin-APC-GSK3復(fù)合物形成，降低GSK3β的活性從而抑制β-連環(huán)蛋白的磷酸化，來穩(wěn)定β-連環(huán)蛋白。Wnt信號(hào)通路的激活與關(guān)閉，對(duì)于其中關(guān)鍵蛋白分子GSK3β, CK1，Axin等的濃度和功能都有著很大的影響。

2 蛋白質(zhì)磷酸化修飾對(duì)于細(xì)胞功能的影響

PTM是公認(rèn)的通過蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化及功能的改變，來體現(xiàn)蛋白質(zhì)的復(fù)雜性和動(dòng)力學(xué)的一個(gè)主要過程[1]。研究[2]表明，蛋白質(zhì)磷酸化在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因表達(dá)、細(xì)胞分化、細(xì)胞周期中DNA復(fù)制中扮演者關(guān)鍵角色。

蛋白質(zhì)磷酸化主要發(fā)生在兩種氨基酸上，一種是絲氨酸(包括蘇氨酸)，另一種是酪氨酸。介導(dǎo)這兩類酸磷酸化過程的酶不一樣，功能也不一樣。絲氨酸磷酸化的主要功能是變構(gòu)蛋白質(zhì)來激活蛋白質(zhì)，即激活酶活力。而酪氨酸磷酸化除了變構(gòu)和激活酶活力之外，更重要的功能是與蛋白結(jié)合并提供一個(gè)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，以促進(jìn)其和其他蛋白質(zhì)相互作用而形成多蛋白復(fù)合體。蛋白復(fù)合體的形成再進(jìn)一步促進(jìn)蛋白質(zhì)的磷酸化，循環(huán)往復(fù)，由最初蛋白質(zhì)磷酸化所產(chǎn)生的信號(hào)就如此逐級(jí)傳遞下去。

3 Wnt通路主要分子的磷酸化修飾功能

3.1 GSK-3

GSK-3的底物比較特殊，需要先經(jīng)過另一個(gè)酶的預(yù)磷酸化，才可以被GSK-3 所作用。大多數(shù)GSK-3底物共有的序列為Ser/Thr-X-X-X-Ser/Thr-P, 其中第一個(gè)絲氨酸/蘇氨酸(Ser/Thr)是磷酸化的目標(biāo)殘基，X表示任何氨基酸，最后的絲氨酸-P/蘇氨酸-P則表示預(yù)磷酸化位點(diǎn)，例如肝糖原合成酶(GS)需要被CK2預(yù)先磷酸化，然后再由 GSK-3對(duì)其多個(gè)位點(diǎn)依次磷酸化[3]。GSK3β可以磷酸化多種轉(zhuǎn)錄因子，如鋅指轉(zhuǎn)錄因子(Snail), Notch1的胞內(nèi)段(NICD)(Notch1屬于Notch跨膜受體家族), c-myc(c-myc基因作為原癌基因，是myc基因家族的成員之一)蛋白等，這些底物與腫瘤的發(fā)生和遷移密切相關(guān)。Snail可以介導(dǎo)EMT，在轉(zhuǎn)錄水平抑制E鈣粘蛋白的表達(dá)，促進(jìn)腫瘤的轉(zhuǎn)移和侵襲。GSK3β可與Snail結(jié)合并使其磷酸化，從而導(dǎo)致其從核內(nèi)轉(zhuǎn)移到胞漿并被降解。抑制GSK3β的表達(dá)水平和活性一方面可使Snail穩(wěn)定在核內(nèi)且活性上調(diào)，另一方面可直接刺激Snail的轉(zhuǎn)錄[4]，最終導(dǎo)致E鈣黏蛋白的表達(dá)下調(diào)，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的遷移[5]。GSK3β能磷酸化NICD-1的絲氨酸和蘇氨酸殘基，導(dǎo)致其核轉(zhuǎn)位，增加其穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)錄活性[6]。而NICD片段在乳腺中表達(dá)可以引起乳腺上皮的轉(zhuǎn)化，作為一種轉(zhuǎn)錄因子，它的過度活化可以引起腫瘤的發(fā)生[7]。目前, GSK3β是已知唯一可以在蘇氨酸58位點(diǎn)磷酸化c-myc蛋白的激酶。作為轉(zhuǎn)錄因子, c-myc蛋白調(diào)節(jié)許多參與細(xì)胞增殖，生長(zhǎng)，凋亡和分化的基因。在70%的人類腫瘤細(xì)胞中, c-myc基因的表達(dá)都是被抑制的[8]。

GSK3β還可磷酸化細(xì)胞骨架和細(xì)胞結(jié)構(gòu)相關(guān)蛋白，影響腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。例如, GSK3β可磷酸化并調(diào)節(jié)微管結(jié)合蛋白(MAPs), 如微管相關(guān)蛋白1B(MAP1B), 和APC蛋白的功能，從而調(diào)控微管的穩(wěn)定性，影響細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)和遷移[9], 從而影響癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。再如, GSK3β可以磷酸化由微管靶向藥物(MTA)(主要應(yīng)用于成人和兒童癌癥)觸發(fā)的末端結(jié)合蛋白1(EB1)的絲氨酸 155 和蘇氨酸 166位點(diǎn)，影響它與微管結(jié)合的能力, EB1的生物學(xué)功能參與許多微管介導(dǎo)的細(xì)胞活動(dòng)，包括遷移和分化[10]。同時(shí), EB1也在多種腫瘤中過度表達(dá)[11], 影響腫瘤細(xì)胞的行為[12]。還有, GSK3β可在蘇氨酸628位點(diǎn)磷酸化長(zhǎng)型坍塌反應(yīng)調(diào)節(jié)蛋白-1(lcrmp-1)[13], 這種磷酸化為lcrmp-1促進(jìn)絲狀偽足的形成和癌細(xì)胞遷移和侵襲起到關(guān)鍵作用[14]。其他可以被GSK3β磷酸化的與腫瘤相關(guān)的蛋白也有很多。例如，髓樣細(xì)胞白血病(Mcl-1)基因是抗凋亡Bcl基因家族的成員，在絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)預(yù)磷酸化Mcl-1蛋白蘇氨酸163位點(diǎn)后, GSK3β可以介導(dǎo)其在絲氨酸159位點(diǎn)磷酸化，使Mcl-1降解，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞死亡[15-17]。另外, GSK3β能磷酸化白介素22受體(IL-22R) 的絲氨酸410和414位點(diǎn)，當(dāng)GSK3β過度抑制的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致IL-22R在肺上皮細(xì)胞中的過度積累，從而影響炎癥因子IL-22的作用發(fā)揮，促進(jìn)腫瘤的發(fā)生[18]。

3.2 CK1

CK1對(duì)于底物表現(xiàn)出對(duì)于預(yù)磷酸化的氨基酸殘基或酸性氨基酸兩側(cè)的絲氨酸和蘇氨酸殘基N端的偏好。CK1負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)導(dǎo)保持基因穩(wěn)定性的信號(hào)，很明顯，它或者它的磷酸化底物的關(guān)鍵位點(diǎn)突變會(huì)導(dǎo)致腫瘤的發(fā)展[19]。

研究[20]表明，鼠雙微體基因X (MDMX)是腫瘤抑制因子p53信號(hào)通路中重要的負(fù)調(diào)控蛋白, MDMX基礎(chǔ)磷酸化發(fā)生在 CDK2 激酶和 CK1α的絲氨酸 96和 289 兩個(gè)位點(diǎn)。MDMX 的絲氨酸 289 位點(diǎn)被證實(shí)是 CK1α的主要磷酸化位點(diǎn)。而 CK1α介導(dǎo)的磷酸化則影響 MDMX-p53 之間的作用。有研究[21]顯示，在小鼠模型腸道內(nèi)特異性敲除 CK1α后，導(dǎo)致 Wnt 通路中β-連環(huán)蛋白的表達(dá)穩(wěn)定性以及體內(nèi) p53 和 p21 表達(dá)水平的增加，最終導(dǎo)致細(xì)胞增殖。其他研究發(fā)現(xiàn), CK1α通過磷酸化核糖體失活蛋白(RIP), 一方面有助于維持NF-κB的活化狀態(tài)[22], 通過形成免疫抑制的微環(huán)境引起肺癌[23]; 另一方面, CK1α也是TNF-α信號(hào)途徑中一個(gè)新的調(diào)節(jié)分子，可抑制細(xì)胞凋亡通路的傳導(dǎo)，從而發(fā)揮抗細(xì)胞凋亡的生物學(xué)功能[24]。另外，研究發(fā)現(xiàn)CK1α可以與維甲酸X受體((RXR)結(jié)合，使其磷酸化，通過干擾RXR激動(dòng)劑誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，促進(jìn)細(xì)胞存活[25]。還有學(xué)者[26]發(fā)現(xiàn), CK1α可以通過磷酸化Fas相關(guān)死亡結(jié)構(gòu)域蛋白(FADD)促進(jìn)KRASG12D (Knock-in, 第12位上的甘氨酸突變?yōu)殚T冬氨酸)介導(dǎo)的肺癌的發(fā)生。

3.3 Axin

Axin是Wnt信號(hào)通路的抑制因子，最初命名來源于它調(diào)控胚胎體軸的形成。Axin作為一個(gè)支架蛋白，參與很多信號(hào)通路的傳導(dǎo)，控制著細(xì)胞增殖，決定了細(xì)胞命運(yùn)，抑制著腫瘤的發(fā)生[27]。研究[28]表明, Axin可與同源結(jié)構(gòu)域相互作用蛋白激酶2(HIPK2)相互作用來磷酸化p53的絲氨酸46位點(diǎn)，增強(qiáng)p53的轉(zhuǎn)錄活性，促進(jìn)凋亡，抑制腫瘤的增殖。還有研究[29]表明，Axin能夠促進(jìn)smad3(SMAD family member3)在蘇氨酸66位點(diǎn)的磷酸化，從而激活smad3的泛素化降解過程，而smad3在蘇氨酸66這一位點(diǎn)的突變會(huì)改變其穩(wěn)定性，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)錄活性。這些結(jié)果說明Axin/GSK3β復(fù)合體在TGFβ/smad3信號(hào)通路中具有重要調(diào)節(jié)作用。此外, Axin與轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1型受體(TBR1)結(jié)合能促進(jìn)smad3的磷酸化，激活β轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(TGF-β)/smad3信號(hào)通路，表明Axins是Wnt/β連環(huán)蛋白和TGF-β/smad信號(hào)通路的連接點(diǎn)[30], 與腫瘤有著密切的關(guān)系。

4 展 望

目前，對(duì)于進(jìn)展期的腫瘤的臨床治療尚未取得突破性的進(jìn)展。除了通過外科手術(shù)對(duì)早期腫瘤的切除，傳統(tǒng)的化療藥物多是只能起到緩解的作用。作為非選擇性的細(xì)胞分裂抑制劑，它雖然能殺死癌細(xì)胞，但也對(duì)正常的組織造成了巨大的不可逆的損傷，引起嚴(yán)重的不良反應(yīng)。于是，尋找新的抗癌的分子靶位迫在眉睫。Wnt信號(hào)通路作為一個(gè)與腫瘤關(guān)系密切的信號(hào)通路，不僅影響著下游基因的轉(zhuǎn)錄，還通過磷酸化影響著下游蛋白的功能。這為腫瘤的藥物治療提供了新的方向，開展對(duì)Wnt信號(hào)通路中的關(guān)鍵蛋白分子，例如GSK3β, CK1, Axin等對(duì)于下游蛋白的磷酸化機(jī)制的研究，尋找該過程的有效抑制劑無疑對(duì)腫瘤藥物的的研發(fā)有很大的幫助，從而達(dá)到控制和治療腫瘤的效果。

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2016-09-16

遼寧省自然科學(xué)基金(201102258)

李春艷, E-mail: chyli@mail.cmu.edu.cn

R 730.231

A

1672-2353(2017)05-220-03

10.7619/jcmp.201705077