Rap1的生物學(xué)功能與調(diào)控的研究進(jìn)展

翁元峰，楊志彪

（1.上海交通大學(xué) 農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海 200240；2.中國(guó)科學(xué)院 上海巴斯德研究所，上海 200031）

Rap1是一種小GTPase蛋白，與Ras蛋白具有高度同源性，在決定下游信號(hào)通路及受體的結(jié)構(gòu)域上具有顯著的相似性[1]。

作為一類(lèi)小G蛋白，Rap1可以被一系列的細(xì)胞外刺激因子所激活，包括生長(zhǎng)因子、受體酪氨酸激酶、各類(lèi)G蛋白等[2]。但是，由Rap1組成的信號(hào)通路主要是受GEFs和GAPs的嚴(yán)密調(diào)控，它們調(diào)控這些GTPases蛋白主要是通過(guò)控制其在與GTP結(jié)合的活性狀態(tài)和與GDP結(jié)合的失活狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。GEFs會(huì)通過(guò)促進(jìn)結(jié)合的GDP釋放，再與GTP結(jié)合而激活GTPases。GAPs則可增強(qiáng)內(nèi)在的GTPase活性，使GTP水解[2]。

1 Rap1的生物學(xué)功能

1.1 細(xì)胞增殖中的Rap1信號(hào)通路

提到對(duì)Rap1功能的探究，首先會(huì)提到Ras-ERK信號(hào)通路。有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一種Rap1的活性形式—RapV12，可能會(huì)通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性抑制c-Raf1被Ras的活化[3]。同時(shí)，Rap1被報(bào)道稱(chēng)在另一種成纖維細(xì)胞系中可以加速細(xì)胞的生長(zhǎng)，并且在特定細(xì)胞系中具有激活B-Raf而不依賴(lài)于Ras的能力[4]。Rap1對(duì)于c-Raf1和B-Raf的活化效應(yīng)上的差異說(shuō)明，Rap1GTP與c-Raf1的半胱氨酸富集區(qū)的結(jié)合能力要比B-Raf強(qiáng)。在免疫系統(tǒng)中，未通過(guò)特異性抗原刺激增殖的無(wú)性系T細(xì)胞會(huì)顯示出異常高的Rap1GTP水平，并且在正常T細(xì)胞克隆中，RapV12的過(guò)高表達(dá)會(huì)誘導(dǎo)一種ERK的活化以應(yīng)對(duì)抗原刺激的狀態(tài)[5]。目前，RapV12已經(jīng)被廣泛認(rèn)為是Rap1的一種持續(xù)活性形式，并且最近的研究揭示了RapV12也是最不易受Rap1GAP的影響的一種形式[6]。在SPA-1（一種GAP）基因轉(zhuǎn)染的小鼠實(shí)驗(yàn)中，Ishida等人發(fā)現(xiàn)內(nèi)生的Rap1會(huì)促進(jìn)造血干細(xì)胞的增殖以及ERK的激活，這說(shuō)明Rap1GTP誘導(dǎo)ERK的活化可能是通過(guò)B-Raf而不是Ras。相反，在SPA-1基因敲除后的小鼠T細(xì)胞中抗原刺激下持續(xù)激活的Rap1最終會(huì)導(dǎo)致T細(xì)胞的無(wú)能，這是因?yàn)槿笔Я薘as介導(dǎo)的ERK的活化。同時(shí)，這些結(jié)果也證實(shí)了關(guān)于Rap1信號(hào)通路在細(xì)胞增殖中的作用是高度依賴(lài)于細(xì)胞環(huán)境的這一猜想。

1.2 Rap1在細(xì)胞黏附與細(xì)胞連接中的作用

1.2.1 Rap1調(diào)控整合素的信號(hào)通路

雖然Rap1信號(hào)通路的多種功能都已被發(fā)現(xiàn)，但最被認(rèn)可的是它參與整合素介導(dǎo)的細(xì)胞黏附過(guò)程。整合素是異二聚體形式的細(xì)胞內(nèi)的黏附分子（ICAMs），由一條不同的α鏈和β鏈組成。研究發(fā)現(xiàn)，粒細(xì)胞集落刺激因子誘導(dǎo)的細(xì)胞黏附可以通過(guò)轉(zhuǎn)染Spa1基因而被抑制[7]。后來(lái)又有三項(xiàng)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)證實(shí)Rap1在整合素的信號(hào)通路中發(fā)揮作用。其中Katagiri等人發(fā)現(xiàn)在白血病細(xì)胞中，Rap1的表達(dá)會(huì)誘導(dǎo)由整合素αLβ2（LFA1）介導(dǎo)的細(xì)胞黏附[8]。

1.2.2 Rap1調(diào)控細(xì)胞之間的連接形式

對(duì)細(xì)胞的黏附與連接的調(diào)控主要體現(xiàn)在兩個(gè)水平：（1）嚴(yán)密地控調(diào)是在E-鈣黏蛋白的囊泡分選，這決定了它在細(xì)胞表面的水平；（2）信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)控制細(xì)胞支架與E-鈣黏蛋白的連接，從而可以穩(wěn)定這種連接[9-10]。然而Rap1A和Rap1B似乎可以對(duì)兩種方式都產(chǎn)生影響。

首次發(fā)現(xiàn)Rap1參與細(xì)胞連接的調(diào)控是在果蠅的基因研究中，Rap1基因突變的細(xì)胞會(huì)有一個(gè)不同的形狀，并且會(huì)分散到周?chē)＝M織中，這說(shuō)明這些突變的細(xì)胞存在一個(gè)細(xì)胞連接上的缺陷[11]。事實(shí)上，果蠅中的E-鈣黏蛋白（DE-鈣黏蛋白）是會(huì)平均分布在野生型（WT）細(xì)胞的外側(cè)，但在Rap1突變的細(xì)胞中這種分布是不一致的：DE-鈣黏蛋白會(huì)呈簇狀分布且集中在細(xì)胞的一側(cè)。這些蛋白簇還包含其他的連接蛋白：α-連環(huán)蛋白、β-連環(huán)蛋白以及ZO-1等。更重要的是，細(xì)胞頂側(cè)-基底側(cè)的極性以及α-連環(huán)蛋白、β-連環(huán)蛋白和DE-鈣黏蛋白的分布在Rap1變異細(xì)胞中并沒(méi)有受到影響。

Rap1在哺乳動(dòng)物中對(duì)細(xì)胞連接的調(diào)控作用是通過(guò)發(fā)現(xiàn)DOCK4是一種非典型的GEF而確定的。這種蛋白是在篩查小鼠腫瘤抑制基因時(shí)發(fā)現(xiàn)的，而且此種蛋白的失活形式也在人類(lèi)腫瘤細(xì)胞系中發(fā)現(xiàn)了[12]。研究證實(shí)，在缺乏DOCK4的骨肉瘤細(xì)胞系中細(xì)胞之間的連接會(huì)消失，但在轉(zhuǎn)入了WT DOCK4或者活性形式的Rap1后，細(xì)胞之間的連接卻很容易形成。

1.3 Rap1在惡性腫瘤中的作用

最初盡管有研究者關(guān)注了Rap1在惡性腫瘤發(fā)展過(guò)程中的可能發(fā)揮的潛在作用，但是直到近些年才開(kāi)始有研究證明Rap1確實(shí)通過(guò)不同的信號(hào)通路在各類(lèi)癌癥中發(fā)揮作用。Jun Xiang等[13]人進(jìn)一步證實(shí)了在前列腺癌中，miR203會(huì)通過(guò)下調(diào)Rap1的表達(dá)從而抑制細(xì)胞增殖、黏附和侵襲。在卵巢癌中，有研究證實(shí)Rap1A可以通過(guò)ERK/p38以及Notch信號(hào)通路促進(jìn)癌癥的轉(zhuǎn)移[14]。在乳腺癌中，最新研究證明miR-433可通過(guò)MAPK-Rap1A通路抑制癌細(xì)胞的生長(zhǎng)[15]。綜上所述，盡管在不同實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了Rap1通過(guò)不同的信號(hào)通路在癌癥中發(fā)揮作用，但可得出結(jié)論是Rap1在癌癥中發(fā)揮了促癌的作用。

2 調(diào)控Rap1的信號(hào)通路

2.1 Rap1 GEFs

有一部分GEFs的蛋白活性中心的結(jié)構(gòu)是相同的，它們有著獨(dú)特的受體或者第二信使。C3G是第一種被分離出來(lái)的Rap1 GEF，可以結(jié)合Crk受體蛋白上的SH3結(jié)構(gòu)域，進(jìn)而磷酸化并激活[16]。Epac家族蛋白可以結(jié)合AMP并通過(guò)構(gòu)型的改變激活其GEF的活性。最近，有報(bào)道稱(chēng)c-AMP類(lèi)似物可以選擇性抑制由c-AMP介導(dǎo)的Epac的活化而不影響PKA活性。

2.2 Rap1 GAPs

相較于前面提到GEFs的分子多樣性，Rap1特異性的GAPs中只有兩類(lèi)有著共同的蛋白活性中心——GAP相關(guān)結(jié)構(gòu)域（GRD）：rap GAPs以及SPA-1家族蛋白。有著GRD的蛋白質(zhì)在線蟲(chóng)，果蠅到哺乳動(dòng)物中都是高度保守的[17]。rap GAP-Ⅰ是第一種被分離出來(lái)的GAP，rap GAP-Ⅱ的N-末端可以結(jié)合Gal并且可以通過(guò)G蛋白結(jié)合受體移位到細(xì)胞膜。SPA-1被分離出來(lái)的原型是一種在淋巴造血細(xì)胞中由促有絲分裂刺激誘導(dǎo)而來(lái)的蛋白[18]。因此，每一種GAP似乎在不同的組織細(xì)胞中都展現(xiàn)了一種獨(dú)一無(wú)二的表達(dá)和亞細(xì)胞定位。

3 結(jié)論

目前，越來(lái)越多的研究揭示了Rap1在細(xì)胞增殖、黏附與細(xì)胞的連接，甚至在癌癥中的生物學(xué)功能，但其中不同的信號(hào)通路及復(fù)雜的作用機(jī)制仍然沒(méi)有清楚的認(rèn)識(shí)。而對(duì)于GEFs和GAPs的分析則為Rap1在細(xì)胞中的活性，分布及穩(wěn)定的調(diào)控機(jī)制的探究提供了依據(jù)。Rap1在生理和病理過(guò)程中的信號(hào)通路的作用依賴(lài)于不同組織的細(xì)胞類(lèi)型，而其中的分子機(jī)制應(yīng)當(dāng)有希望為控制人類(lèi)疾病提供新的線索。