HIP-55介導(dǎo)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子機(jī)制研究

陳星卉，韓 峰，盧應(yīng)梅

(1. 南京醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，心腦血管病重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211166； 2. 浙江大學(xué)城市學(xué)院，醫(yī)學(xué)院，浙江 杭州 310015；3.南京醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，生理系，江蘇 南京 211166)

MAP4K1(又名HPK1) 作為MAP4K家族的成員，是一種哺乳動(dòng)物Ste20相關(guān)的絲氨酸/蘇氨酸激酶。它能通過(guò)MAP3K轉(zhuǎn)導(dǎo)信號(hào)至MAP2K，從而激活c- Jun N末端激酶(c-JunN-terminal kinase，JNK)。因此，HPK1蛋白能夠?qū)庑盘?hào)從質(zhì)膜傳遞到細(xì)胞核從而調(diào)控在哺乳動(dòng)物細(xì)胞的增殖、分化或應(yīng)激調(diào)節(jié)等生命功能。HIP-55 (HPK1-interacting protein of 55 ku) 作為與HPK1蛋白相結(jié)合的一種接頭蛋白能夠增加MAP4K1和JNK的激酶活性。此外，由于HIP-55具有多蛋白結(jié)合結(jié)構(gòu)域，因而主要承擔(dān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的功能。目前關(guān)于HIP-55主要圍繞調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖與凋亡、心血管調(diào)控、免疫調(diào)節(jié)與中樞神經(jīng)調(diào)控。本文將以HIP-55蛋白的生物學(xué)功能為基礎(chǔ)，重點(diǎn)介紹其胞內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和該信號(hào)參與的病理生理過(guò)程調(diào)控，為其在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)關(guān)聯(lián)的臨床疾病研究奠定理論基礎(chǔ)。

1 HIP-55蛋白結(jié)構(gòu)及生物學(xué)功能研究

1.1 HIP-55蛋白分布與表達(dá)HIP-55是一種含有多種結(jié)構(gòu)域的接頭蛋白，是在1996年由Sparks等[1]首次從含有SH3結(jié)構(gòu)域的蛋白中純化而得，能夠與骨架蛋白F-actin、HPK1相結(jié)合的一種新型接頭蛋白，N端與肌動(dòng)蛋白F-actin相結(jié)合的結(jié)構(gòu)域和C端的SH3結(jié)構(gòu)域[2](Fig 1)。HIP-55通過(guò)SH3結(jié)構(gòu)域與Synapsin 1、dynamin 1、synaptojanin 1[3]和Fgd1[4]蛋白相結(jié)合，在小鼠胚胎時(shí)期HIP-55蛋白表達(dá)量呈先升后降的趨勢(shì)[2]。2006年，Connert等[5]首次應(yīng)用HIP-55敲除老鼠證實(shí)其主要表達(dá)于腦、胸腺、脾臟、心臟和肺中。然而，綜合數(shù)據(jù)庫(kù)資料顯示，HIP-55雖普遍存在于人體組織器官，但是在卵巢和肌肉中表達(dá)量很少或無(wú)表達(dá)。細(xì)胞水平上表明，HIP-55定位于細(xì)胞骨架與細(xì)胞膜上。2009年，Goroncy等[6]首次對(duì)HIP-55的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析，并證實(shí)ADF-H結(jié)構(gòu)域?yàn)殚L(zhǎng)螺旋結(jié)構(gòu) (Fig 2)。

Fig 1 Schematics of domain structure of HIP-55 proteins

Fig 2 Schematic diagram of HIP-55 protein crystal structure

1.2 HIP-55生物學(xué)功能HIP-55蛋白分布廣泛，體內(nèi)眾多細(xì)胞均可表達(dá)，因此所行使的生物學(xué)功能也多種多樣。已有文獻(xiàn)表明HIP-55能夠抑制心臟成纖維細(xì)胞的增殖分化且下調(diào)心臟收縮力，調(diào)控心血管功能[7]。HIP-55對(duì)免疫系統(tǒng)也具有調(diào)控作用，已有文獻(xiàn)報(bào)道HIP-55調(diào)控白細(xì)胞粘附能力[8]和吞噬能力[9]。在高速流動(dòng)血液的條件下，HIP-55對(duì)于多型核中性粒細(xì)胞(PMN) 從管內(nèi)外滲及擴(kuò)散也是至關(guān)重要的。此外，HIP-55能夠激活T細(xì)胞[10]和B細(xì)胞[11]:HIP-55能夠激活T細(xì)胞和B細(xì)胞的增殖分化能力、細(xì)胞因子產(chǎn)生能力、激活能力，還可以促進(jìn)T細(xì)胞形成免疫突觸(immunological synapse，IS) 有利于與抗原遞呈細(xì)胞 (antigen-presenting cells，APCs) 相結(jié)合，達(dá)到激活T細(xì)胞的目的[11]。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，HIP-55參與到網(wǎng)格蛋白所介導(dǎo)的內(nèi)吞(clathrin-mediated endocytosis，CME) 過(guò)程中[3,12]，保持突觸前膜活動(dòng)與功能完整性[13]，調(diào)控神經(jīng)元形態(tài)[14-15]。Connert等[5]于2006年首次在全敲HIP-55老鼠中發(fā)現(xiàn)存在神經(jīng)系統(tǒng)障礙且神經(jīng)元突觸的遞質(zhì)循環(huán)受到損傷。

2 HIP-55信號(hào)參與生理過(guò)程調(diào)控的分子機(jī)制研究

2.1 HIP-55的磷酸化修飾HIP-55作為酪氨酸激酶的反應(yīng)底物可以通過(guò)Syk、Lyn和Blk磷酸化，從而將信號(hào)傳導(dǎo)至構(gòu)成細(xì)胞骨架的蛋白中[9]。Liu等[16]應(yīng)用質(zhì)譜聯(lián)用磷酸肽富集技術(shù)(mass spectrometry combined with phosphopeptide enrichment technique) 系統(tǒng)鑒定哺乳動(dòng)物細(xì)胞中HIP-55蛋白的磷酸化位點(diǎn)。該研究成果為進(jìn)一步研究不同亞型的HIP-55磷酸化提供了依據(jù)，也為進(jìn)一步研究其在該蛋白參與的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)在生理與病理狀態(tài)下的生物學(xué)功能提供了參考。

2.2 HIP-55參與調(diào)控細(xì)胞增殖等生命活動(dòng)許多蛋白參與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)從而調(diào)控細(xì)胞凋亡、增殖、影響細(xì)胞周期等生理和生化過(guò)程，已有文章報(bào)道胞外信號(hào)可通過(guò)G蛋白偶聯(lián)受體TGR5將AKT蛋白激酶B磷酸化，從而影響細(xì)胞的生命活動(dòng)[17]。同樣HIP-55作為一種接頭蛋白也能夠參與到多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中，調(diào)控多條胞內(nèi)信號(hào)通路[2,13]。HIP-55通過(guò)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)參與到細(xì)胞增殖分化、遷移侵襲及凋亡等生命活動(dòng)中。蛋白磷酸化是一類常見(jiàn)的翻譯后修飾，在許多細(xì)胞生命功能中起重要作用[18-20]。由于HIP-55是酪氨酸激酶的反應(yīng)底物，HIP-55通過(guò)在其酪氨酸位點(diǎn)337和347上磷酸化可以參與不同生理功能的調(diào)控:能夠促進(jìn)細(xì)胞足小體(podosome rosette) 的形成進(jìn)而參與到成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化過(guò)程中[21]；促進(jìn)胚胎期的神經(jīng)元由腦室區(qū)(ventricular zone，VZ) 或腦室下區(qū)(subventricular zone，SVZ) 產(chǎn)生并逐漸向大腦皮層多極遷移[22]；HIP-55絲氨酸位點(diǎn)269磷酸化能夠調(diào)控FHL2/HIP-55復(fù)合體的活性，進(jìn)而調(diào)控腫瘤細(xì)胞的增殖和侵襲[23]。此外，HIP-55還可以通過(guò)GTPase參與細(xì)胞的生命活動(dòng)的調(diào)控中 (Fig 3):HIP-55通過(guò)抑制RhoA家族信號(hào)通路轉(zhuǎn)導(dǎo)，與能夠上調(diào)細(xì)胞侵襲和RhoA的蛋白FHL2通過(guò)N端ADF-H結(jié)構(gòu)域相結(jié)合，激活Rho GTPase信號(hào)通路協(xié)同調(diào)控細(xì)胞侵襲過(guò)程[23]。當(dāng)細(xì)胞受到趨化遷移刺激時(shí)，HIP-55通過(guò)Rac1蛋白激活誘導(dǎo)F-actin肌動(dòng)蛋白重排[2]，并且可以使HIP-55快速富集到片狀偽足。在趨化因子刺激時(shí)Arp2/3與HIP-55共定位形成動(dòng)力區(qū)域參與到F-actin細(xì)胞骨架重排引起片狀偽足的形成[24]。另一方面，HIP-55與GTPase Dynamin相互作用也可以參與到細(xì)胞內(nèi)吞及膜轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程[3]。HIP-55作為肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白，能夠被凋亡狀態(tài)細(xì)胞的Caspase裂解從而引起細(xì)胞骨架和形態(tài)的改變參與細(xì)胞凋亡過(guò)程中。

Fig 3 Participation of HIP-55 in regulation of cell activities through GTPase

2.3 HIP-55參與免疫系統(tǒng)調(diào)控HIP-55作為HPK1/JNK信號(hào)通路的上游激活蛋白，可以和HPK1結(jié)合抑制由T細(xì)胞受體(TCR) 激活誘導(dǎo)產(chǎn)生的細(xì)胞因子上調(diào)。當(dāng)TCR激活后發(fā)現(xiàn)JNK和HPK1活性降低，并且在HIP-55敲除的T細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)TCR激活功能發(fā)生損傷，p38蛋白的磷酸化也相應(yīng)下調(diào)[16]。同時(shí)TCR激活后，HIP-55能夠與HPK1結(jié)合并將其復(fù)合體轉(zhuǎn)運(yùn)至T細(xì)胞與抗原遞呈細(xì)胞(APC) 接觸位置[25]，證明TCR激活過(guò)程中需要HIP-55調(diào)控的HPK1/JNK信號(hào)通路參與(Fig 4)。對(duì)于B細(xì)胞受體(BCR)，HIP-55同樣通過(guò)招募B細(xì)胞抑制性因子HPK1到達(dá)BCR上從而削弱B細(xì)胞活性[11]。白細(xì)胞從血液流向發(fā)炎組織的遷移粘附能力受到整合素調(diào)控，是免疫應(yīng)答產(chǎn)生的關(guān)鍵，而β2整合素(CD11/CD18) 的激活對(duì)于白細(xì)胞從高速流動(dòng)的血液中捕獲到粘附在血管內(nèi)壁是至關(guān)重要的。2009年，Barbara Walzog實(shí)驗(yàn)室利用全敲HIP-55老鼠發(fā)現(xiàn)在全敲老鼠體內(nèi)的HIP-55缺失引起β2整合素(CD11/CD18) 數(shù)量下調(diào)[8]，提示HIP-55作為接頭蛋白可參與由β2整合素調(diào)控的免疫細(xì)胞的粘附作用影響白細(xì)胞生命活動(dòng)。該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)HIP-55通過(guò)肌動(dòng)蛋白的調(diào)控參與到β2整合素介導(dǎo)的白細(xì)胞吞噬過(guò)程中[9]。

Fig 4 T cell activation regulated by Hip -55 through HPK1/JNK signaling pathway

2.4 HIP-55與神經(jīng)突觸功能調(diào)控在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，神經(jīng)信號(hào)傳遞由突觸囊泡釋放神經(jīng)遞質(zhì)開(kāi)始，之后突觸前膜回收已釋放神經(jīng)遞質(zhì)的突觸囊泡以維持整體突觸的結(jié)構(gòu)及功能完整性。已有研究表明HIP-55可以調(diào)控神經(jīng)遞質(zhì)囊泡回收過(guò)程，其機(jī)制是HIP-55的SH3結(jié)構(gòu)域與GTPase Dynamin的結(jié)合參與由網(wǎng)格蛋白包被囊泡及網(wǎng)格蛋白所介導(dǎo)的內(nèi)吞(clathrin-mediated endocytosis，CME)過(guò)程[3,12]。另一方面，突觸前活性區(qū)的重要組成蛋白Piccolo能夠和HIP-55結(jié)合參與神經(jīng)遞質(zhì)在突觸前活動(dòng)區(qū)鄰近位置的內(nèi)吞過(guò)程，支持突觸前的活動(dòng)與功能完整性[13]。此外，肌動(dòng)蛋白對(duì)于神經(jīng)元的骨架重排非常重要，HIP-55作為與肌動(dòng)蛋白相結(jié)合的接頭蛋白，可以通過(guò)RhoA家族蛋白Cdc42調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架重排調(diào)節(jié)生長(zhǎng)錐(Growth Cone)[4]。具體機(jī)制為:Fgd1直接與Cortactin和HIP-55在細(xì)胞骨架上結(jié)合，通過(guò)特異性激活Cdc42進(jìn)一步上調(diào)N-WASP和Arp2/3復(fù)合體活性，促使偽足的形成 (Fig 5)。在早期發(fā)育的神經(jīng)元中敲低HIP-55能夠正向調(diào)控軸突長(zhǎng)度[24]和樹(shù)突棘長(zhǎng)度[14]，然而SH3結(jié)構(gòu)域過(guò)表達(dá)后下調(diào)樹(shù)突棘及蘑菇型樹(shù)突棘的密度[14]。另有報(bào)道證實(shí)HIP-55能夠與抑制小腦浦肯野細(xì)胞分化的Cobl蛋白結(jié)合，協(xié)同下調(diào)細(xì)胞樹(shù)突分枝點(diǎn)數(shù)量及樹(shù)突分支密度[15]。

Fig 5 Cytoskeleton arrangement regulated by HIP-55

3 HIP-55信號(hào)參與病理過(guò)程調(diào)控的分子機(jī)制研究

3.1 HIP-55參與腫瘤細(xì)胞凋亡過(guò)程HIP-55可以通過(guò)HPK1/JNK通路促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖[23]，當(dāng)過(guò)表達(dá)HIP-55能夠降低HPK1的活性激活腫瘤分化能力[23,26]。另一條促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖存活的機(jī)制是HIP-55通過(guò)AKT激酶的調(diào)控與14-3-3形成穩(wěn)定的復(fù)合物[27]，從而下調(diào)腫瘤細(xì)胞凋亡能力。此外，通過(guò)對(duì)已發(fā)表數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行篩選，發(fā)現(xiàn)HIP-55在宮頸癌和胰腺癌患者中高度表達(dá)[28]，揭示HIP-55可能作為一種潛在的檢測(cè)腫瘤細(xì)胞的指標(biāo)蛋白。在癌癥患者中，HIP-55在十二種腫瘤組織中均有上調(diào)，這些數(shù)據(jù)提示當(dāng)HIP-55過(guò)表達(dá)誘發(fā)腫瘤細(xì)胞的生成。此外，Yang等[26]利用HIP-55敲低的A549肺癌細(xì)胞系，用微陣列法分析證實(shí)HIP-55參與腫瘤細(xì)胞的存活，下調(diào)由依托泊苷(etoposide) 引起的腫瘤細(xì)胞凋亡過(guò)程。

3.2 HIP-55與心力衰竭相關(guān)的心肌功能調(diào)控心力衰竭往往導(dǎo)致心肌組織重構(gòu)，而心肌纖維化是心肌組織重構(gòu)過(guò)程中的關(guān)鍵步驟。β-腎上腺素能受體 (β-adrenergic receptors，β-ARs) 能夠引起心肌纖維化， ERK1/2 MAPK信號(hào)通路是β-ARs介導(dǎo)心臟成纖維細(xì)胞增殖的重要途徑，當(dāng)在心臟成纖維細(xì)胞中過(guò)表達(dá)HIP-55之后，由β-腎上腺素能受體激動(dòng)劑異丙腎上腺素(ISO) 誘導(dǎo)的ERK1/2磷酸化程度下調(diào)。且在成纖維細(xì)胞中當(dāng)HIP-55過(guò)表達(dá)時(shí)能抑制p38磷酸化和激酶活性，進(jìn)一步揭示HIP-55通過(guò)下調(diào)p38 MAPK通路抑制ISO引起的成纖維細(xì)胞增殖[29]。此外，心肌收縮力對(duì)保持正常血流輸出量和心臟正常功能至關(guān)重要，當(dāng)HIP-55敲低時(shí)能夠激活心臟收縮力，其機(jī)制是HIP-55通過(guò)肌動(dòng)蛋白結(jié)合對(duì)心臟收縮力進(jìn)行調(diào)控。

4 總結(jié)與展望

目前關(guān)于HIP- 55的研究主要從其蛋白結(jié)構(gòu)特性入手，針對(duì)其能夠與多種蛋白相互作用并且參與多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)(Tab 1)，從而發(fā)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)異常所引起的病理現(xiàn)象。越來(lái)越多的研究表明，HIP-55對(duì)免疫應(yīng)答、心血管系統(tǒng)調(diào)控、細(xì)胞的增殖與凋亡以及神經(jīng)功能調(diào)節(jié)等方面起著重要作用，具有廣泛的生物學(xué)效應(yīng)。由于在腫瘤患者的組織中檢測(cè)到高表達(dá)的HIP-55，因此可以作為一種潛在的檢測(cè)腫瘤細(xì)胞增殖的指標(biāo)蛋白。然而，關(guān)于HIP-55的亞細(xì)胞定位、動(dòng)物整體水平HIP-55的缺失導(dǎo)致的發(fā)育功能障礙以及器官形態(tài)變化的機(jī)制尚未揭示，并且對(duì)于HIP-55突變或者其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)異常關(guān)聯(lián)的臨床疾病相關(guān)資料報(bào)道尚少。因此，隨著對(duì)HIP-55及其介導(dǎo)的信號(hào)通路深入研究，有助于深入理解細(xì)胞骨架運(yùn)動(dòng)和細(xì)胞凋亡過(guò)程等調(diào)控機(jī)制。鑒于HIP-55是一種由受體介導(dǎo)的接頭蛋白，開(kāi)發(fā)HIP-55作為一種新型藥物靶標(biāo)以及對(duì)其參與的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究更具意義。

Tab 1 HIP-55 interacting proteins in mammals