F-box蛋白家族及其與腫瘤相關(guān)問題的研究進(jìn)展

彭凱麗，陳宏輝

F-box蛋白家族因發(fā)現(xiàn)存在于細(xì)胞周期蛋白cyclinF中而得名，與Skp1、Cullin類蛋白組成SCF類E3參與泛素介導(dǎo)的細(xì)胞周期蛋白水解過程，調(diào)控著細(xì)胞周期［1］。其共同特征是含有F-box結(jié)構(gòu)域，在真核細(xì)胞廣泛存在。目前研究發(fā)現(xiàn)在人體、酵母、果蠅、線蟲及各種哺乳動物含有大量的F-box結(jié)構(gòu)域的蛋白，其中線蟲最多，大約300種。另外，基因技術(shù)檢測發(fā)現(xiàn)具有經(jīng)典F-box結(jié)構(gòu)域的蛋白也存在于原核細(xì)胞生物中［2］。近年已有研究表明F-box蛋白參與腫瘤的發(fā)生及發(fā)展。

1 F-box蛋白的結(jié)構(gòu)

F-box結(jié)構(gòu)域是F-box蛋白家族成員的標(biāo)志性結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域40～50個(gè)氨基酸殘基組成，F(xiàn)-box結(jié)構(gòu)域位于F-box蛋白的N端，而C端也存在一些相對保守的二級結(jié)構(gòu)。N端缺乏嚴(yán)格的保守序列，但C端的這些結(jié)構(gòu)域的功能與蛋白質(zhì)的相互作用相關(guān)，具有特異性［3］。根據(jù)C端二級結(jié)構(gòu)的不同可分為三個(gè)亞類：第一亞類是FBXW類，C端含有WD40重復(fù)序列結(jié)構(gòu)域；第二亞類是FBXL類，C端含有亮氨酸富集序列；其余的F-box蛋白含有多種不同的C端二級結(jié)構(gòu)，被定為FBXO亞類［22］。目前研究提示F-box結(jié)構(gòu)域與SCF（Skpl-Cullin-F-box protein）復(fù)合體中的Skpl或Skpl類似蛋白結(jié)合，不同的F-box可結(jié)合相同的Skpl底物。詳見圖1［22］。

2 F-box蛋白的功能

F-box結(jié)構(gòu)域的功能是介導(dǎo)蛋白間相互作用，關(guān)于F-box蛋白的功能研究主要圍繞著UPP（泛素-蛋白酶體途徑）展開，UPP是指在細(xì)胞內(nèi)能特異性降解蛋白過程，也被稱為泛素化過程，而泛素化過程是酶促級聯(lián)反應(yīng)構(gòu)成的，需要泛素激活酶E1，泛素載體蛋白E2和泛素結(jié)合酶E3。但E3結(jié)構(gòu)差異大，在泛素化過程中起關(guān)鍵作用。SCF作為一個(gè)E3連接酶，由F-box蛋白家族與結(jié)合蛋白Skp1、骨架蛋白 Cullin、Ring-finger家族和 Rbxl蛋白組成［23］。泛素化是蛋白的一種重要的翻譯后修飾方式。作為SCF重要組成成分的F-box蛋白主要通過參與UPP調(diào)控細(xì)胞周期進(jìn)程、轉(zhuǎn)錄、信號通路傳導(dǎo)［4］等。詳見圖 2［23］。

3 F-box蛋白家族在腫瘤中的功能分類

實(shí)驗(yàn)和臨床證據(jù)表明F-box蛋白在細(xì)胞周期調(diào)控具有關(guān)鍵性的作用，F(xiàn)-box蛋白分子的調(diào)控細(xì)胞周期紊亂與腫瘤的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)。圖3表示F-box家族在腫瘤細(xì)胞中的潛在功能［24］。目前王志偉將F-box蛋白家族在腫瘤中的功能分為抑癌蛋白類F-box蛋白、原癌蛋白類F-box蛋白和環(huán)境依賴類 F-box 蛋白［5］。

3.1 抑癌蛋白類 研究表明，F(xiàn)bxw7突變或缺失能促進(jìn)癌細(xì)胞的增殖相關(guān)的C-Myc、CyclinE基因的蓄積［6］。Wang等利用組織芯片技術(shù)和免疫組化探討Fbxw7在肝癌中的表達(dá)，提示Fbxw7突變量越大，肝癌惡性程度越高，并且發(fā)現(xiàn)Fbxw7過調(diào)節(jié) Notch1信號通路參與肝癌細(xì)胞的侵襲與轉(zhuǎn)移［7］。新證據(jù)顯示，F(xiàn)bxw7亦可控制多種組織干細(xì)胞的自我更新，分化，生存，包括造血系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)，肝和腸道。其他抑癌蛋白：如FBX031、FBXO4及FBXW8能夠選擇性降解Cyclin D1來誘導(dǎo)細(xì)胞周期G1進(jìn)程從而參與抑制腫瘤細(xì)胞的生長［1］。隨著基因檢測技術(shù)發(fā)展，新的抑癌F-box蛋白類陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，如：FBXO18、FBXO11、FBXO7等，但目前研究尚不深，具體體制尚不清楚，仍需進(jìn)一步探討。

3.2 原癌蛋白類 許多F-box蛋白具有抑癌功能，但有些F-box蛋白具有原癌蛋白的功能。Skp2（S-phase kinase-associated protein 2）也被稱為 FBXL1，屬于F-box蛋白中FBXL類。研究發(fā)現(xiàn)Skp2具有原癌蛋白的功能，Skp2參與G/S轉(zhuǎn)換期、S期、S/G2轉(zhuǎn)換期調(diào)節(jié)蛋白的降解，如：通過降解P27kip1促進(jìn)細(xì)胞進(jìn)入DNA合成期和分裂期，從而促進(jìn)癌細(xì)胞增殖。文獻(xiàn)顯示在乳腺癌、前列腺癌、直腸癌、肝癌等多種腫瘤組織中都高表達(dá)Skp2基因，并發(fā)現(xiàn)Skp2 mRNA及蛋白直接與惡性腫瘤的級別相關(guān)［8］。另外通過建立過表達(dá)的Skp2轉(zhuǎn)染子可上調(diào)金屬蛋白酶（MMP-2和MMP-9）的表達(dá)，從而增強(qiáng)腫瘤的浸潤及轉(zhuǎn)移能力［9］。FBXO8在乳腺癌中異常表達(dá)引起其參與Arf6的泛素化異常從而促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞的侵襲［10］。FBXO5 能夠通過抑制 APC/C 活性，維持 APC/C底物cyclinA、cyclinB、分離酶抑制蛋白等的穩(wěn)定性，調(diào)控細(xì)胞進(jìn)入S期及分離期，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖，并且發(fā)現(xiàn)表達(dá)水平與腫瘤的惡性程度及死亡率有關(guān)［11］。 此外，發(fā)現(xiàn) FBXO42、FBXO39 等也具有促癌的功能，但具體機(jī)制尚不明確。

圖1 人類F-box蛋白家族結(jié)構(gòu)示意圖［22］

圖2 F-box蛋白的功能示意圖［23］

圖3 F-box蛋白家族在腫瘤中功能示意圖［24］

3.3 環(huán)境依耐類 F-box蛋白家族龐大，一些抑癌蛋白隨著環(huán)境的改變，又會表現(xiàn)原癌蛋白功能，并具有一定的組織特異性。如：β-Trcp（FBXWI和FBXWII）識別的底物不僅包括腫瘤抑制因子（Ikβ、p53），也包括癌蛋白（β-catenin），因此 β-Trcp 因底物的特殊性，從而表現(xiàn)不同功能，如β-Trcp識別底物REST在上皮細(xì)胞中發(fā)揮抑癌作用，而在神經(jīng)細(xì)胞中顯示為致癌物質(zhì)［12］。另一方面發(fā)現(xiàn)依耐β-Trcp的腫瘤具有組織特異性，在直腸癌、肝癌、乳腺癌等多種腫瘤中FBXWI和FBXWII可通過降解IKB，激活NF-κB通路，促進(jìn)腫瘤的增殖［13］。因此普遍認(rèn)為FBXWI及FBXW11在腫瘤細(xì)胞中高表達(dá)并伴隨著臨床預(yù)后不佳。但在胃癌中檢測5種FBXW11發(fā)生錯(cuò)義突變，這種突變使β-catenin免于被β-Trcp識別和降解，從而激活MYC和cyclinD1的轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)細(xì)胞增殖，誘發(fā)腫瘤［14］，因此β-Trcp不僅具有促癌作用同時(shí)具有抑癌作用。目前發(fā)現(xiàn)在依耐FBXO31的腫瘤中，F(xiàn)BX031的功能具有組織特異性；在乳腺癌、肝癌、胃癌等領(lǐng)域結(jié)果均FBX031提示具有抑癌基因功能，但有報(bào)道發(fā)現(xiàn)其在食管鱗狀上皮細(xì)胞癌領(lǐng)域中卻具有促癌功能［15］。F-box家族參與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展及預(yù)后，但目前機(jī)制尚未清楚，仍在進(jìn)一步探討中。

4 F-box蛋白在腫瘤中主要作用

4.1 參與DNA損傷應(yīng)答 機(jī)體對DNA損傷應(yīng)答異常反應(yīng)往往會導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生。DNA的損傷是一個(gè)級聯(lián)反應(yīng)，DNA損傷后激活A(yù)TM，再通過磷酸化底物使DNA損傷的細(xì)胞不再繼續(xù)分裂。F-box家族一些成員作為ATM底物參與DNA損傷應(yīng)答。FBX4作為ATM磷酸化底物之一，在小鼠胚胎成纖維細(xì)胞 （MEF中）的 Fbx4突變破壞了 SCF Fbx4-αβ crystalline復(fù)合物的活性，導(dǎo)致細(xì)胞周期蛋白D1穩(wěn)定和核積累在整個(gè)細(xì)胞分裂［16］。 Santra 等［17］發(fā)現(xiàn)DNA受損后FBX031的278位絲氨酸殘基被ATM磷酸化，可介導(dǎo)細(xì)胞D1的降解從而使細(xì)胞周期阻滯在 G1 期。FBX12［18］則通過泛素化降解 KU80 蛋白從而參與DNA損傷非同源末端修復(fù)的調(diào)控。目前研究相繼發(fā)現(xiàn)FBXO39、FBXO44、FBX06等都參與DNA損傷調(diào)控。

4.2 參與腫瘤細(xì)胞的代謝 研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞與正常細(xì)胞代謝途徑具有顯著差異，正常細(xì)胞代謝所需能量主要通過氧化磷酸化產(chǎn)生，而腫瘤細(xì)胞卻通過糖降解途經(jīng)，消耗更多的葡萄糖，并產(chǎn)生大量乳酸。使腫瘤細(xì)胞具有更強(qiáng)競爭能力。而F-box蛋白與腫瘤代謝過程之間有著緊密的聯(lián)系，如Skp2、FBXW7、FBXO15、FBX039 等。 Skp2 構(gòu)成的SCFSKP2能夠通過泛素化介導(dǎo)的AKt激酶的激活和轉(zhuǎn)位，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞獲能途徑向有氧糖降解的方向轉(zhuǎn)換［19］。FBXW7可通過識別及泛酸化SREBP1使腫瘤細(xì)胞增強(qiáng)對低氧環(huán)境的耐受參與腫瘤代謝［20］。新型F-box蛋白家族FBX039基因在MCF7與Nera2兩種腫瘤細(xì)胞中，其腫瘤的相關(guān)代謝基因表達(dá)均受正向調(diào)控，表明FBX039基因很可能通過上調(diào)這些基因參與腫瘤的代謝過程，但具體機(jī)制尚不明確［21］。

綜上所述，F(xiàn)-box蛋白家族種類極多，不同類別的F-box在腫瘤細(xì)胞中發(fā)揮的作用機(jī)制各不相同，涉及多種信號通路及各個(gè)基因之間又有相互交叉。因此對F-box家族的結(jié)構(gòu)及在腫瘤中作用機(jī)制的研究，需進(jìn)一步深入及完善。針對其促癌及抑癌的作用可作為腫瘤的預(yù)防、治療及靶向藥物設(shè)計(jì)等，有望成為臨床腫瘤治療的一大突破點(diǎn)。

［1］ JINYUAN M，WEINAN G.Ubiquitination in melanoma pathogenesis and treatment［J］.Cancer，2017，6（6）：1362-1377.

［2］ KIPREOS ET，PAGANO M.The F-box protein family［J］.Genome Biol，2000，1（5）：1-7.

［3］ LI W.Genome-wide and functional annotation of human E3 ubiquitin ligases identifies MULAN，a mitochondrial E3 that regulates the organelle's dynamics and signaling［J］.PLoS ONE，2008，3（12）：1487.

［4］ WU ZH，PFEFFER LM.MicroRNA regulation of F-box proteins and its role in cancer［J］.Semin Cancer Biol，2016，（36）：80-87.

［5］ WANG Z，LIU P.Roles of F-box proteins in cancer［J］.Nat Rev Cancer，2014，14（4）：233-247.

［6］ TU K，ZHENG X.Evaluation of Fbxw7 expression and its correlation with the expression of c-Myc，cyclinE and p53 in human hepatocellular carcinoma［J］.Hepatol Res，2012，42（9）：904-910.

［7］ WANG X.Fbxw7 regulates hepatocellular carcinoma migration and invasion via Notch1 signalingpathway［J］.Oncol，2015，47（1）：231-243.

［8］ JINHO HEO.Deregulation of F-box proteins and its consequence on cancer development，progression and metastasisy［J］.Semin Cancer Biol，2016，36（1）：33-51.

［9］ LU H.Imbalance between MMP-2，9 and TIMP-1 promote the invasion and metastasis of renal cell carcinoma via SKP2 signaling pathways［J］.Tumour Biol，2014，35（10）：9807-9813.

［10］ LI R，PENG C.Roles of Arf6 in cancer cell invasion，metastasis and proliferation［J］.Life Sci，2017，182（1）：80-84.

［11］ ZHENG NN.Ubiquitination-mediated degradation of cell cyclerelated proteins by F-box proteins［J］.Cell，2016，73（1）：99-110.

［12］楊春華，劉英.β-Trcp與腫瘤關(guān)系的研究［J］.中國細(xì)胞生物學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33（7）：796-801.

［13］ MELIKIAN M.Model of the interaction between the NF-κB inhibitory protein p100 and the E3 ubiquitin ligase β-TrCP based on NMR and docking experiments［J］.2017，57（2）：223-233.

［14］ KIM CJ，SONG JH.Somatic mutations of the β-TrCP gene in gastric Cancer［J］.Apmis，2007，115（2）：127-133.

［15］ KOGO R，MIMORI K，TANAKA F，et al.FBXO31 determiines poor prognosis in esophageal squamous cell carinoma［J］.Int J Oncol，2011，39（1）：155-159.

［16］ KENTA YAMAMOTO.Early B-cell Specific inactivation of ATM synergizes with ectopic cyclinD1 expression to promote pre-germinal center B-cell lymphomas in mice［J］.Leukemia，2015，29（6）：1414-1424.

［17］ SANTRA MK，WAJAPEYEE N，GREEN MR.F-box protein FBX031 mediates cyclin D1 degradation to induce G1arrest after DNA damage［J］.Nature，2009，459（7247）：722-725.

［18］ POSTOW L，F(xiàn)UNABIKI H.An SCF complex containing Fbxl12 mediates DNA damage-induced Ku80 ubiquitylation［J］.Cell Cycle，2013，12（4）：587-595.

［19］ ELSTROMM RL.Akt stimulates aerobic glycolysis in cancer cells［J］.Cancer Res，2004，64（11）：3892-3899.

［20］ MARIA TERESA BENGOECHEA-ALONSO，JOHAN ERICSSON.The phosphorylation-dependent regulation of nuclear SREBP1 during mitosis links lipid metabolism and cell growth［J］.Cell，2016，15（20）：2753-2765.

［21］劉智勇，上官聰.FBXO39基因?qū)δ[瘤細(xì)胞代謝分子影響［J］.生命科學(xué)研究，2016，20（3）：202-207.

［22］ JIN J.Systematic analysis and nomenclature of mammalian F-box protein［J］.Genes Dev，2004，18（21）：2573-2580.

［23］ SCHULMAN BA，CARRANO AC，JEFFREY PD，et al.Insights into SCF ubiquitin ligases from the structure of the Skp1-Skp2 complex［J］.Nature，2000，408（6810）：382.

［24］ WANG ZW.Roles of F-box protein in cancer［J］.Nat Rev Cancer，2014，14（4）：233-247.

［2017－11－17 收稿，2017－12－11 修回］