基質(zhì)相互作用分子1的結(jié)構(gòu)和功能及其在疾病中的作用研究進展

張 俊，宋必衛(wèi)，章方珺

（1.浙江中醫(yī)藥大學附屬第二醫(yī)院，浙江杭州310005；2.浙江工業(yè)大學藥學院，浙江 杭州310014；3.杭州市臨安區(qū)人民醫(yī)院，浙江 杭州311300）

基質(zhì)相互作用分子（stromal interaction molecule，STIM）是一種由600～700個氨基酸殘基組成的廣泛分布于人體細胞中的單次跨膜蛋白［1］。最早在研究與前體結(jié)合的基質(zhì)細胞產(chǎn)物中被發(fā)現(xiàn)，因其能介導基質(zhì)與造血細胞之間的相互作用，而被命名為STIM［2］。人源STIM 家族蛋白主要包括STIM1和STIM2 兩種亞型，目前研究發(fā)現(xiàn)，兩者雖在主體序列部分同源性較高（具有61%序列一致），但在功能上卻大相徑庭［3］。STIM1 在人體的大部分組織中的表達和功能均較STIM2 強，提示STIM1 在人體生理功能中起主要作用，因此，現(xiàn)階段大部分的研究主要集中于STIM1。

STIM1 最早由Roos 等［1］于2005 年發(fā)現(xiàn)。該研究團隊利用核醣核酸干擾（RNA interference，RNAi）技術來尋找基因與鈣池調(diào)控鈣離子通道（store-operated calcium channel）的相關性。在經(jīng)過實驗篩選了170 種基因后，最終發(fā)現(xiàn)了STIM，并且在隨后的研究中進一步確定了STIM1 是鈣池操縱鈣內(nèi)流（store-operated calcium entry，SOCE）這一過程的重要參與者。SOCE 為非興奮性細胞鈣離子內(nèi)流的主要方式，而STIM1作為SOCE的鈣離子感受器，參與機體多種生理和病理過程，具有廣泛的生物學功能和極其重要的病理學意義。因近些年來不斷有研究發(fā)現(xiàn)STIM1 與多種疾病的發(fā)生發(fā)展關系密切，與其相關研究的熱度不斷攀升。

1 STIM1的結(jié)構(gòu)特點

STIM1 是一個由685 個氨基酸組成的Ⅰ型跨膜蛋白，其編碼基因位于人的第11 號染色體短臂第1 區(qū)第5 帶第5 亞帶上（11p15.5），堿基長度為4380 bp［4-5］。STIM1相對分子量為75 ku，由1個約22 ku位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或肌漿網(wǎng)內(nèi)的N端、1個單跨膜片段和1 個約51 ku 游離于胞漿中的C 端所構(gòu)成［3，6］。其中N 端又可進一步細分為EF-hand 結(jié)構(gòu)域和無菌α 基序（sterile alpha motif，SAM）結(jié)構(gòu)域，位于STIM1 蛋白的65-96 氨基酸位點的EF-hand 結(jié)構(gòu)域是1個帶負電荷殘基lelix環(huán)螺旋（lelix-loop-helix）的基序，中間是12 個氨基酸圍成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，為Ca2+的結(jié)合位點；C 端可分為2 個卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域即埃茲蛋白/根蛋白/膜突蛋白區(qū)（ezrin/radixin/moesin，ERM）、絲氨酸/脯氨酸富集（serine/prolinerich，S/P）區(qū)和Ploy-K 結(jié)構(gòu)域尾巴，主要用于維持靜 息 狀 態(tài) 時STIM1 的 結(jié) 構(gòu)。Yuan 等［7］確 定 了STIM1中能夠與Orai1蛋白通道發(fā)生相互作用并激活的最小片段，并將這個片段命名為STIM1-Orai1激活區(qū)（STIM1-Orai1 activated region，SOAR）。Yang 等［5］利用X 射線晶體學方法對其三維晶體結(jié)構(gòu)進行了解析。人源SOAR 的整個結(jié)構(gòu)類似于大寫字母“R”，它共有4個α-螺旋，在N和C端區(qū)域具有2 個長的α-螺旋并在中間有2 個短的α-螺旋。SOAR所形成的“V”型二聚體是激活Orai1通道所必需的。進一步研究發(fā)現(xiàn)，二聚體的2 個頂端存在著正電荷聚集區(qū)，此區(qū)域經(jīng)破壞后會失去激活Orai1通道的能力。

2 STIM1的作用機制與功能

目前研究認為，STIM1的作用機制為［8-11］：細胞靜息時，STIM1主要以二聚體形式散在分布于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上［12］。當細胞受到刺激后，細胞外信號分子與細胞膜上相應的受體結(jié)合，激活與受體偶聯(lián)的磷脂酶C（phospholipase C，PLC），PLC 通過水解磷脂酰肌醇二磷酸（phosphatidylinositol 4，5-bisphosphate，PIP2）產(chǎn)生第二受體三磷酸肌醇（inositol triphosphate，IP3），引起IP3 受體激活，經(jīng)過級聯(lián)反應后使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣庫中的鈣離子釋放入細胞胞漿中，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣池出現(xiàn)鈣離子損耗或耗竭，鈣離子排出后內(nèi)質(zhì)網(wǎng)IP3 受體構(gòu)象改變，IP3 受體通過蛋白質(zhì)相互作用傳送至質(zhì)膜鈣離子通道并與SOCE 發(fā)生結(jié)構(gòu)性交互作用，鈣離子感受蛋白STIM被激活，其EF-SAM 區(qū)域構(gòu)象改變導致其低聚化，并重新移位到質(zhì)膜與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)連接處，形成淚孔，進而與質(zhì)膜中相對應的Orai1 相互作用，進而激活鈣池操控鈣離子通道，引起細胞外鈣離子內(nèi)流。

STIM1分布廣泛，表達STIM1的細胞類型亦多種多樣，包括興奮性細胞（如神經(jīng)細胞、骨骼肌細胞和心肌細胞等）和非興奮性細胞（上皮細胞、內(nèi)皮細胞和免疫細胞等）。研究表明，STIM1 是調(diào)控非興奮性細胞鈣離子流入細胞內(nèi)的關鍵蛋白，是細胞內(nèi)鈣庫的鈣離子濃度感受器，它與位于細胞膜上的Orai1共同構(gòu)成了SOCE，通過調(diào)節(jié)SOCE通道的開放與關閉，影響第二信使鈣離子的濃度變化進而調(diào)控細胞的分泌、增殖、基因轉(zhuǎn)錄、分化、凋亡、遷移和黏附等一系列細胞生理功能。Jeon等［13］研究發(fā)現(xiàn)，P21-激活激酶1可能通過與STIM1相互作用影響細胞黏附。郭瑞威等［14］在通過基因敲除技術敲除血管平滑肌細胞的STIM1基因后發(fā)現(xiàn)，細胞內(nèi)鈣離子濃度明顯下降，細胞增殖被顯著抑制。Chen等［15］報道，STIM1 可激活在礦化組織中的成骨細胞和成牙本質(zhì)細胞的分化。He等［16］發(fā)現(xiàn)，抑制STIM1可以降低H9C2 細胞內(nèi)的鈣離子水平，并抑制缺氧后復氧導致的細胞凋亡。

3 STIM1與疾病

3.1 STIM1和腫瘤

STIM1 的發(fā)現(xiàn)最早源于對于惡性腫瘤的研究［17］。隨著對STIM1 的研究逐步深入，發(fā)現(xiàn)其在膠質(zhì)瘤、肝癌、乳腺癌、宮頸癌和肺癌等多種腫瘤細胞中均存在著異常表達的情況。這提示其與腫瘤細胞的增殖、凋亡、侵襲和轉(zhuǎn)移等惡性行為存在著關聯(lián)。Ho 等［18］發(fā)現(xiàn)，與人星形膠質(zhì)細胞相比，膠質(zhì)瘤細胞中的STIM1表達水平更高，并認為其增強了膠質(zhì)瘤細胞的侵襲性。進一步研究發(fā)現(xiàn)，黃腐酚能夠減少腫瘤侵襲性是由于上調(diào)了miR-4725-3p 水平，miR-4725-3p通過直接靶向結(jié)合STIM1基因的3′-非翻譯區(qū)抑制STIM1蛋白的表達。Yang等［19］在結(jié)腸癌細胞系HCT116 和SW1116 中使用慢病毒介導的短發(fā)夾RNAi技術特異性地敲低STIM1的表達，隨后通過MTT 實驗和集落形成實驗發(fā)現(xiàn)，結(jié)腸癌細胞的增殖能力被顯著抑制。李艷東等［20］對80 例結(jié)腸腺癌和50 例正常結(jié)腸黏膜中Orai1 和STIM1 的表達進行檢測后發(fā)現(xiàn)，結(jié)腸腺癌組織中STIM1 表達水平均顯著高于正常結(jié)腸黏膜，且與結(jié)腸腺癌患者預后相關，STIM1高表達組較低表達組預后更差。另有國內(nèi)學者鄧程偉等［21］研究了STIM1對乳腺癌細胞存活與增殖的影響，發(fā)現(xiàn)在下調(diào)其表達后能夠通過抑制增殖細胞核抗原表達從而抑制細胞活力；下調(diào)Bcl-2、上調(diào)Bax 和胱天蛋白酶3 表達，誘導乳腺癌細胞凋亡；降低炎癥因子白細胞介素6（interleukin-6，IL-6）和腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）表達，提高免疫及下調(diào)信號轉(zhuǎn)導及轉(zhuǎn)錄激活因子3信號。冶娟等［22］在人喉癌細胞Hep-2 中也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。此外，在對于胰腺癌SW1990 細胞的研究中發(fā)現(xiàn)，沉默STIM1可阻滯細胞于G2/M 期［23］。林丹苗等［24］發(fā)現(xiàn)，人肺腺癌A549細胞在經(jīng)姜黃素處理后，Orai1和STIM1 mRNA 的表達水平下降引起細胞凋亡。

綜上可以預見，隨著研究的不斷深入，STIM1與腫瘤細胞之間的相互作用及機制將越來越清晰，這預示著其可能為腫瘤治療提供新的檢測標志物或治療靶點。

3.2 STIM1和免疫系統(tǒng)疾病

STIM1 作為免疫細胞中重要的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣離子感受器，對機體免疫系統(tǒng)的激活起著重要作用。在機體對抗病原體過程中，STIM1能夠感受到細胞內(nèi)的鈣離子變化，促使SOCE 通道的開放，鈣離子能持續(xù)地流入免疫細胞，從而激活細胞內(nèi)的基因表達，促使免疫細胞大量增殖，啟動機體免疫細胞的開關［8］。STIM1 與T 細胞的成熟和功能密切相關，缺少STIM1基因的T細胞表現(xiàn)出IL-23受體表達的減少，而這是Th17細胞穩(wěn)態(tài)所需的，同時趨化因子依賴的T細胞遷移受損［25-26］。在免疫缺陷病及免疫失調(diào)的研究中，F(xiàn)uchs 等［27］發(fā)現(xiàn)，在STIM1 基因發(fā)生純合Arg-429-Cys 點位突變的患者中，由于STIM1 表達缺陷，雖然機體能夠產(chǎn)生T 細胞，但患者對慢性巨細胞病毒和愛潑斯坦巴爾病毒病毒感染表現(xiàn)出抗病毒免疫能力的不足。進一步研究證實，STIM1缺陷造成的自身免疫疾病可能由于調(diào)節(jié)性T 細胞細胞數(shù)量的減少，自然殺傷細胞功能的受損以及T 細胞的數(shù)量缺失。Zhang 等［28］研究表明，中性粒細胞介導的炎癥和宿主防御中STIM1 是激活吞噬細胞氧化酶所必需的。隨后Clemens 等［29］亦研究表明，STIM1和STIM2共同參與調(diào)控小鼠中性粒細胞因子的產(chǎn)生。

3.3 STIM1和心腦血管疾病

在多種心腦血管疾病的病程進展過程中，STIM1 扮演著極其重要的角色。STIM1 在心血管細胞中表達的增加或STIM1 的缺失都會引發(fā)各種心血管疾病，如在內(nèi)皮細胞中STIM1的缺失會導致血管內(nèi)皮功能障礙［30］。

血管平滑肌細胞（vascular smooth muscle cell，VSMC）是構(gòu)成血管壁的主要細胞類型之一。Kassan 等［31］研究發(fā)現(xiàn)，在VSMC 中敲除STIM1 基因不會影響血管內(nèi)皮的功能但會引起對苯腎上腺素引發(fā)的血管收縮性反應的降低。Mali 等［32］研究發(fā)現(xiàn)，STIM1SMC-/-小鼠能夠通過減少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激、氧化應激和細胞凋亡和炎癥反應，從而減小心肌梗死灶面積。朱金行等［33］研究發(fā)現(xiàn)，衰老可導致大鼠頸總動脈VSMC 中Orai1和STIM1蛋白表達降低，從而引起血管收縮功能下降。

高血壓是心腦血管病最主要的危險因素，與導致動脈粥樣硬化、卒中和缺血性心臟病等疾病密切相關。姜婉等［34］通過建立高鹽誘導大鼠高血壓模型發(fā)現(xiàn)，高鹽能夠引起高血壓大鼠基底動脈平滑肌的收縮顯著增強，認為與多囊蛋白和STIM1表達增加有關。日本學者Nishimoto 等［35］發(fā)現(xiàn)，STIM1 基因敲除小鼠的血壓水平顯著升高（尤其是在夜間）。進一步研究發(fā)現(xiàn)，STIM1能夠通過調(diào)控一氧化氮的產(chǎn)生影響血管功能，從而發(fā)揮血壓調(diào)節(jié)作用。

3.4 STIM1和肝損傷

Li 等［36］通過實驗揭示了在肝缺血再灌注損傷模型中，STIM1不管是在基因還是蛋白水平的表達都要比正常小鼠肝組織中高，并且在細胞實驗中也得到了相同結(jié)果。隨后又用STIM1-/-小鼠與野生型（WT）小鼠驗證STIM1 在肝損傷中的作用發(fā)現(xiàn)，與WT 小鼠相比，STIM1-/-小鼠的肝損傷程度明顯減輕，血清中谷丙轉(zhuǎn)氨酶和谷草轉(zhuǎn)氨酶活性降低，肝組織中的超氧化物歧化酶活性升高，丙二醛含量和活性氧簇水平降低，促炎細胞因子TNF-α，IL-6 和IL-1β 顯著減少，且NFAT1、Orai1 和活化的胱天蛋白酶3 等蛋白的表達水平也都下調(diào)。這些結(jié)果表明，敲除STIM1 能夠抑制炎癥反應、氧化應激和細胞凋亡，從而減輕肝損傷。

Cui 等［37］研究表明，STIM1 在乙醇性肝損傷中扮演了重要的角色。抑制STIM1表達，能夠減輕肝損傷的機制和其抑制細胞內(nèi)鈣超載，降低活性氧簇和脂質(zhì)過氧化物水平，減少炎癥相關蛋白NF-κB和TNF-α的表達相關。

肝作為人體最大的解毒器官，極易受到損傷，進一步探討STIM1 與肝損傷的關系對于重要臟器的保護具有重要意義。

3.5 STIM1和其他疾病

STIM1 還和其他多種疾病密切相關。印第安納大學醫(yī)學院的研究者發(fā)現(xiàn)［38］，2 型糖尿?。╰ype 2 diabetes，T2D）患者、鏈脲佐菌素誘導的糖尿病模型小鼠的胰島和用促炎性細胞因子及棕櫚酸酯處理的大鼠胰島素瘤細胞系1 中STIM1 的mRNA 和蛋白水平表達都呈現(xiàn)特異性的降低；通過增強STIM1蛋白的功能能夠在促炎條件下提高胰島β細胞的生存率，并改善T2D 患者胰島素分泌功能。Bojarski 等［39］發(fā)現(xiàn)，家族性阿爾茨海默病存在著STIM1 的表達異常和SOCE 的功能失調(diào)。盧敏等［40］則通過研究認為，STIM1在腦皮質(zhì)組織中的過表達與癲癇的發(fā)生有關。STIM1 能夠激活SOCE通道介導鈣離子快速內(nèi)流，引起一系列去極化過程，導致興奮性神經(jīng)遞質(zhì)的過度釋放，興奮性系統(tǒng)處于優(yōu)勢，誘發(fā)癲癇。

4 結(jié)語

隨著對STIM1研究的不斷深入，其研究領域已經(jīng)涉及腫瘤、免疫系統(tǒng)疾病和心血管疾病等多個方面。但目前的研究仍然十分局限，有關STIM1在上述疾病中的確切機制仍不清楚，尚存在許多亟待解決的問題。在今后的研究中，應充分利用現(xiàn)代生物信息學、細胞生物學以及分子生物學等技術手段深入研究STIM1在疾病發(fā)病機制中的作用，明確相關分子相互作用關系，揭示相關生物信號傳導途徑。相信隨著對STIM1 新功能的不斷發(fā)現(xiàn)和機制的闡明，以其為靶點的相關藥物研發(fā)必將進入高潮。