小泛素樣修飾蛋白特異性蛋白酶SENPs與癌癥

方晉仁，尹小慧，吳雅娟綜述，楊南揚(yáng)審校

0 引 言

小泛素樣修飾蛋白(small ubiquitin-like modifier，SUMO)化修飾是一種新型的蛋白質(zhì)翻譯后修飾形式，它通過將SUMO1或SUMO2/3分子共價(jià)連接到靶蛋白上來調(diào)控靶蛋白的穩(wěn)定性、亞細(xì)胞定位及其蛋白相互作用等，進(jìn)而影響細(xì)胞內(nèi)諸多的生命活動(dòng)過程[1-2]。細(xì)胞內(nèi)被SUMO化修飾的靶蛋白也能發(fā)生將共價(jià)連接的SUMO從靶蛋白上切除下來的逆過程，即去SUMO化修飾；該逆過程是由一類SUMO特異性蛋白酶SENPs通過其異肽酶活性來催化發(fā)生。因此，SENPs對(duì)正常細(xì)胞內(nèi)SUMO化與去SUMO化動(dòng)態(tài)平衡的保持十分重要。

在哺乳動(dòng)物中共有7種SENPs，分別是SENP1～SENP3和SENP5～SENP8；其中SENP8不作用于SUMO分子。依據(jù)底物選擇偏好性、亞細(xì)胞定位和序列等方面的不同，6種可作用于SUMO的SENP成員可被細(xì)分為3個(gè)亞家族，分別是SENP1和SENP2， SENP3和SENP5，以及SENP6和SENP7。在底物選擇偏好性上，SENP1和SENP2能廣泛地作用于3種SUMO亞型(SUMO1、SUMO2/3)修飾的靶蛋白，而SENP3和SENP5則只特異地催化被SUMO2/3修飾底物分子的去SUMO2/3化過程。SENP6和SENP7同樣偏好SUMO2/3分子，但其主要催化被多聚SUMO2/3修飾靶蛋白的去多聚化修飾過程[3]。在序列同源性上，6種SENP蛋白家族成員C端均包含有一至兩個(gè)保守的半胱氨酸蛋白酶催化結(jié)構(gòu)域，該種保守催化結(jié)構(gòu)域與其去SUMO化修飾功能直接相關(guān)；而不同SENP亞型的N端序列則高度可變，并可通過與不同蛋白的相互作用，來決定SENP不同成員在細(xì)胞內(nèi)不同的亞細(xì)胞定位[4]。在細(xì)胞內(nèi)分布上，SENP1、SENP6和SENP7主體定位于細(xì)胞核的核質(zhì)區(qū)，而SENP3和SENP5則定位于核仁區(qū)[5]。盡管SENP2定位在細(xì)胞核的核孔區(qū)，但它與SENP1序列中所具有的核輸出信號(hào)，使該兩類SENP能夠在細(xì)胞核細(xì)胞質(zhì)間發(fā)生轉(zhuǎn)運(yùn)。

目前，已有許多研究發(fā)現(xiàn)多種腫瘤組織中SENPs的表達(dá)異常，提示了SENPs與癌癥的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。近年來的許多文獻(xiàn)也報(bào)道了不同SENP成員在部分癌癥中的作用及分子機(jī)制，本文就SENPs家族與癌癥的研究進(jìn)展作一綜述。

2 SENP1和癌癥

已有的研究發(fā)現(xiàn)，SENP1在多種癌癥中高表達(dá)，提示其在癌癥的發(fā)生與發(fā)展中的潛在作用。目前，SENP1在前列腺癌中的作用及機(jī)制研究最為清楚。它被發(fā)現(xiàn)在前列腺上皮肉瘤癌前病變和前列腺癌臨床標(biāo)本中均高表達(dá)；且能通過促進(jìn)前列腺癌的細(xì)胞增殖、血管生成、細(xì)胞上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)、腫瘤骨轉(zhuǎn)移和繼發(fā)性腫瘤形成以及抑制細(xì)胞凋亡等多種機(jī)制，促進(jìn)前列腺癌的發(fā)生和發(fā)展。在該過程中，SENP1主要通過下調(diào)其不同靶蛋白的SUMO化修飾，進(jìn)而改變靶蛋白自身的蛋白穩(wěn)定性或/與調(diào)節(jié)靶蛋白下游基因的轉(zhuǎn)錄活性，來實(shí)現(xiàn)對(duì)前列腺癌發(fā)生發(fā)展的促進(jìn)作用。例如，SENP1可以去SUMO化HIF-1α并使其穩(wěn)定，進(jìn)而增強(qiáng)下游血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子VEGF、基質(zhì)金屬蛋白酶MMP2和MMP9的表達(dá)；前者促進(jìn)了前列腺癌發(fā)展過程中的血管生成，后兩者則促進(jìn)前列腺癌骨轉(zhuǎn)移的發(fā)生[6]；與HIF-1α的情況不同，SENP1對(duì)TGF-β/SMADs信號(hào)通路中Smad4蛋白的去SUMO化修飾則降低了Smad4蛋白自身以及其下游E-cadherin的表達(dá)，協(xié)同SENP1引起的vimentin的表達(dá)上調(diào)，共同促進(jìn)了前列腺癌的上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化過程[7]。盡管如此，也有一些文獻(xiàn)報(bào)道了SENP1對(duì)靶基因去SUMO化修飾功能非依賴的作用方式。SENP1很早就被發(fā)現(xiàn)能通過上調(diào)雄激素受體AR自身的表達(dá)及其介導(dǎo)的下游轉(zhuǎn)錄來促進(jìn)前列腺癌細(xì)胞的增殖，但SENP1對(duì)AR下游轉(zhuǎn)錄的激活促進(jìn)作用被證明并不依賴AR的SUMO化狀態(tài)[8]。

除前列腺癌之外，SENP1在多種其他癌癥中通過類似的分子機(jī)制發(fā)揮促癌作用。Dong等[9]發(fā)現(xiàn)，SENP1能通過去SUMO化修飾HIF-1α并增強(qiáng)其蛋白穩(wěn)定性來促進(jìn)透明細(xì)胞型腎癌細(xì)胞的增殖。另外，當(dāng)Ma等[10]敲除了胰腺癌細(xì)胞中高表達(dá)的SENP1后，細(xì)胞的MMP9表達(dá)水平顯著下降，從而促進(jìn)了胰腺癌細(xì)胞的增殖和轉(zhuǎn)移；而在乳腺癌中，SENP1則通過去SUMO化促癌蛋白Pin1，來逆轉(zhuǎn)SUMO化對(duì)Pin1蛋白穩(wěn)定性的降低以及其介導(dǎo)的下游基因，如細(xì)胞周期相關(guān)蛋白cyclinD 1,的轉(zhuǎn)錄抑制，最終促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞的增殖[11]。在結(jié)腸癌中，SENP1則被發(fā)現(xiàn)既可通過去SUMO化來觸發(fā)STAT6磷酸化以及下游基因的轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)細(xì)胞的遷移和EMT的發(fā)生；也可通過下調(diào)細(xì)胞周期依賴性蛋白激酶CDK抑制因子p16、p19、p21、p27的表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞的增殖過程[12]。

2 SENP2和癌癥

不同于同一亞家族成員SENP1在多種癌癥中的高表達(dá)，SENP2在原發(fā)性肝癌、膀胱癌、乳腺癌、骨肉瘤、胃癌和白血病等多種癌癥中的表達(dá)均下調(diào)。與SENP1顯示出來的促癌作用相反，大多數(shù)情況下SENP2行使抑癌功能；SENP2表達(dá)的下調(diào)導(dǎo)致其對(duì)相關(guān)癌癥的抑制作用減弱，從而促進(jìn)癌癥的發(fā)生發(fā)展。有研究表明， SENP2可通過去SUMO化修飾來降低β-catenin蛋白的穩(wěn)定性，進(jìn)而抑制肝癌細(xì)胞的增殖[13]。而SENP2對(duì)膀胱癌轉(zhuǎn)移的抑制作用，也是通過對(duì)β-catenin信號(hào)的負(fù)調(diào)控來實(shí)現(xiàn)：它可抑制β-catenin的入核，進(jìn)而抑制轉(zhuǎn)移促進(jìn)因子MMP-9的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)[14]。除了負(fù)調(diào)控β-catenin信號(hào)之外，SENP2也可通過去SUMO化修飾酶活性依賴或非依賴的形式抑制許多其他經(jīng)典信號(hào)通路。有研究發(fā)現(xiàn)，SENP2通過減弱TGF-βI型受體的SUMO化修飾來抑制TGF-β信號(hào)通路以及該通路活化所介導(dǎo)的膀胱癌EMT發(fā)生[15]。在乳腺癌中，SENP2則能去SUMO化NEMO蛋白來抑制NF-kB信號(hào)通路，進(jìn)而增強(qiáng)乳腺癌耐藥細(xì)胞對(duì)阿霉素的治療敏感性[16]。在胃癌中，SENP2通過去SUMO化NDRG2蛋白并增強(qiáng)其蛋白穩(wěn)定性來實(shí)現(xiàn)對(duì)胃癌細(xì)胞的增殖抑制[17]。除上述去SUMO化修飾酶活性依賴的作用方式外，SENP2下調(diào)雌激素受體ERα介導(dǎo)的下游轉(zhuǎn)錄并抑制乳腺癌細(xì)胞增殖的過程則是其不依賴去SUMO化修飾酶活性發(fā)揮作用的例子[18]。另外，SENP2在骨肉瘤和白血病中也被認(rèn)為扮演腫瘤抑制的角色。在骨肉瘤中，它可促進(jìn)SOX9蛋白的泛素化降解并抑制骨肉瘤細(xì)胞的增殖、遷移和侵襲能力[19]；而在白血病中，SENP2通過抑制Notch和NF-κB信號(hào)通路來發(fā)揮抑癌作用[20]。

盡管以上研究證明SENP2在多種癌癥中發(fā)揮抑癌作用，但也有文獻(xiàn)報(bào)道了其在三陰性乳腺癌中的促進(jìn)作用。研究結(jié)果顯示，SENP2通過去SUMO化Smad4來上調(diào)TGF-β/Smad4信號(hào)通路介導(dǎo)的MMP-9的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)了乳腺癌細(xì)胞的遷移[21]。

3 SENP3和癌癥

SENP3是一種在細(xì)胞氧化應(yīng)激下積累的氧化還原敏感分子；與SENP1類似，它被發(fā)現(xiàn)在多種癌癥中表達(dá)上調(diào)；比如肺癌、前列腺癌、卵巢癌、口腔鱗癌、直腸癌和結(jié)腸癌等。目前的觀點(diǎn)認(rèn)為，SENP3主要通過去除底物蛋白的SUMO 2/3修飾，抑制或激活底物蛋白相關(guān)信號(hào)通路，來促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖、腫瘤發(fā)生、血管生成和上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化等過程。在肺癌中，SENP3介導(dǎo)的p53去SUMO2/3化修飾降低了后者的轉(zhuǎn)錄活性及其細(xì)胞增殖抑制能力[22]；與肺癌細(xì)胞中P53蛋白的情況相反，SENP3在胃癌中介導(dǎo)的FOXC2去SUMO化修飾，則可使后者的轉(zhuǎn)錄活性增強(qiáng)，進(jìn)而促進(jìn)其下游基因N-cadherin的表達(dá)，最終誘導(dǎo)胃癌EMT及轉(zhuǎn)移的發(fā)生[23]。在頭頸部鱗狀細(xì)胞癌中，SENP3通過對(duì)STAT 3的去SUMO化修飾促進(jìn)STAT 3磷酸化，進(jìn)而促進(jìn)癌細(xì)胞的增殖、存活、血管生成、免疫逃逸、上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)移和化學(xué)抵抗等過程的發(fā)生[24]。在卵巢癌細(xì)胞中，沉默SENP3也能顯著抑制細(xì)胞的增殖、遷移和浸潤(rùn)能力[25]。此外，SENP3在口腔鱗癌和前列腺癌中的表達(dá)增高也有被提及[5,26]，但關(guān)于其在這兩種癌癥中具體的生理功能還未明確，仍待深入研究。

4 SENP5和癌癥

目前已有的研究發(fā)現(xiàn)，SENP5在一些癌癥中的表達(dá)增高，并在相關(guān)癌癥的發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮促進(jìn)作用。例如，在肝癌與乳腺癌組織中，SENP5的表達(dá)即被發(fā)現(xiàn)異常上調(diào)；通過RNA干擾沉默SENP5的表達(dá)后，肝癌細(xì)胞和乳腺癌細(xì)胞的增殖均受到了顯著的抑制[27-28]。SENP5沉默介導(dǎo)的DNA損傷應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)信號(hào)通路中ATRIP蛋白SUMO2修飾的增強(qiáng)，降低了HepG2細(xì)胞的DNA損傷反應(yīng)并使細(xì)胞對(duì)基因毒性應(yīng)激敏感。而在乳腺癌細(xì)胞中，除細(xì)胞增殖抑制作用外，沉默SENP5還能抑制轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β的I型受體以及其下游靶基因MMP9的表達(dá)，進(jìn)而抑制乳腺癌細(xì)胞的遷移和浸潤(rùn)過程。Cashman等[27]對(duì)包含有1363名乳腺癌患者基因表達(dá)數(shù)據(jù)庫的分析結(jié)果也顯示，乳腺癌患者中SENP5的低表達(dá)與預(yù)后良好相關(guān)，其可作為乳腺癌的一種有效的預(yù)后生物標(biāo)志物。此外，SENP5在口腔鱗癌與骨肉瘤中也被發(fā)現(xiàn)表達(dá)上調(diào)，它可下調(diào)一系列抑制細(xì)胞增殖(如cyclin B1等)和促進(jìn)細(xì)胞凋亡的標(biāo)志蛋白(如caspase-3/-7)的表達(dá)來促進(jìn)癌癥的發(fā)生和發(fā)展[28-30]。

與上述幾種癌癥中SENP5蛋白的表達(dá)上調(diào)不同，其在臨床急性髓系白血病患者中性粒細(xì)胞中的表達(dá)則被顯著抑制；并且SENP5的低表達(dá)被證明可減弱AML中性粒細(xì)胞的分化。這提示了SENP5蛋白在急性髓系白血病中的抑癌作用[31]。

5 SENP6、SENP7和癌癥

目前關(guān)于SENP6在各種癌癥中的表達(dá)及生理功能的報(bào)道還極少。僅有文獻(xiàn)報(bào)道了其在乳腺癌中的mRNA表達(dá)下調(diào)以及肝癌和惡性膠質(zhì)瘤中的表達(dá)上調(diào)[5,32-33]。沉默SENP6則可導(dǎo)致肝癌細(xì)胞生長(zhǎng)遲緩和放射增敏，這提示了SENP6與前述的SENP1、3和5一樣，可能發(fā)揮促進(jìn)腫瘤發(fā)生發(fā)展的功能。

盡管已經(jīng)有在正常上皮細(xì)胞內(nèi)高表達(dá)的SENP7亞型SENP7S去SUMO化Axin1和β-catenin來抑制c-Myc癌基因以及cyclin D1蛋白等的基因表達(dá)，實(shí)現(xiàn)抑制細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化的報(bào)道[34]，但關(guān)于SENP7在各種癌癥中的表達(dá)及生理功能還未見報(bào)道。

6 總結(jié)與展望

總體來講，在SUMO蛋白的加工成熟和靶蛋白去SUMO化修飾中發(fā)揮作用的SENPs的異常(表達(dá)上調(diào)、下調(diào)或者活性喪失)，與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。它可通過下調(diào)其不同靶蛋白的SUMO化修飾，改變靶蛋白自身的蛋白穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)靶蛋白下游基因的轉(zhuǎn)錄活性等分子機(jī)制，來調(diào)控和參與癌細(xì)胞的增殖、分化、凋亡、細(xì)胞周期調(diào)控、上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化以及侵襲轉(zhuǎn)移等諸多過程，這使其有望成為癌癥治療的新型有效靶點(diǎn)。盡管如此，SENPs卻在不同癌癥中的不盡相同的作用使其具體分子機(jī)制仍撲朔迷離，許多問題仍待深入探討。例如，為什么SENP家族中不同的SENP，甚至同一亞家族中的不同SENP成員在癌癥中發(fā)揮截然不同的生理功能，再比如在大部分癌癥中，SENP1的促癌作用vsSENP2的抑癌作用？為什么同一種SENP蛋白在不同癌癥中能發(fā)揮截然相反的作用，比如SENP5在許多癌癥中的促癌作用vs急性髓系白血病中的抑癌作用？SENPs家族成員在癌癥發(fā)生發(fā)展中不盡相同的作用是否取決于其作用的具體底物蛋白的功能？這些問題的探討和解決，將為深入了解腫瘤的發(fā)生發(fā)展以及SENPs成為腫瘤標(biāo)志物或癌癥治療的潛在靶分子提供一定的理論依據(jù)。