張迪迪,顧宇軒,孫霄麟,張麗娜
北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)部生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院, 北京 100124
惡性腫瘤,即癌癥,已發(fā)展成為世界范圍內(nèi)備受關(guān)注的疾病。而腫瘤的形成和轉(zhuǎn)移是一個由多因素、多基因、多步驟和多階段共同作用的結(jié)果,涉及到癌基因的激活、抑癌基因的失活以及由此引發(fā)的多種細(xì)胞生物學(xué)行為的改變[1-2]。96序列相似的家庭成員A(family with sequence similarity 96 member A,F(xiàn)AM96A)和96序列相似的家庭成員B(family with sequence similarity 96 member B,F(xiàn)AM96B)最初是運用比較基因組的方法從人類表達序列標(biāo)簽(expressed sequence tag,EST)數(shù)據(jù)庫中通過比對人與線蟲的基因組而發(fā)現(xiàn)的一類基因[3]。研究表明,F(xiàn)AM96A和FAM96B是屬于MIP18(MMS19-interacting protein of 18 kD)家族的2個高度保守的同源蛋白。MIP18可以與具有DNA損傷修復(fù)作用的甲基磺酸敏感性基因19(methyl methanesulfonate sensitivity gene 19,MMS19)和胞質(zhì)鐵硫組裝蛋白組分1(cytosolic iron-sulfur assembly component 1,CIAO1)組成一個復(fù)合物,與胞質(zhì)鐵硫簇組裝相關(guān)[4]。目前國內(nèi)外關(guān)于FAM96A和FAM96B功能的研究報道相對較少,其中一些報道發(fā)現(xiàn),F(xiàn)AM96A和FAM96B在多種腫瘤組織中的表達水平下降,提示其可能是作為抑癌基因參與腫瘤的發(fā)生發(fā)展[5-8]。但目前對于FAM96A和FAM96B具體的抑癌作用機制尚不明確。因此,系統(tǒng)揭示FAM96A和FAM96B在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的功能差異和分子機制具有重要的意義。
除與腫瘤發(fā)生發(fā)展相關(guān)外,近年來國內(nèi)外一些研究團隊已經(jīng)鑒定出多種與FAM96A和FAM96B相互作用的不同蛋白質(zhì),揭示FAM96A和FAM96B在體內(nèi)發(fā)揮著多種不同功能。除FAM96A和FAM96B都可以與CIAO1結(jié)合,參與胞質(zhì)鐵硫蛋白組裝過程外[9],F(xiàn)AM96A同凋亡蛋白酶激活因子1(apoptosis protease activating factor 1,Apaf1)相互作用增強線粒體凋亡的誘導(dǎo)作用[5],而FAM96B與凋亡素(apoptin)相互作用參與細(xì)胞凋亡調(diào)控[10]。這說明FAM96A和FAM96B主要是通過與其他蛋白質(zhì)相互作用在體內(nèi)發(fā)揮功能。因此,篩選和鑒定與FAM96A和FAM96B相互作用的其他蛋白質(zhì),有助于揭示二者在體內(nèi)更多的新功能?;诖?,本文就目前國內(nèi)外關(guān)于FAM96A和FAM96B的結(jié)構(gòu)與功能所取得的研究進展予以綜述,并對其未來的研究前景進行展望,從而為進一步明確FAM96A和FAM96B的功能和機制提供基礎(chǔ)。
FAM96A亦稱為CIA2A或CIAO2A,定位于染色體15q22.31;FAM96B亦稱為CIA2B、CIAO2B、MIP18或CGI-128,定位于染色體16q22.1-22.3。FAM96A包含160個氨基酸,F(xiàn)AM96B包含163個氨基酸,二者的相對分子質(zhì)量大小約為18 kD,序列同源性高達50%,都含有DUF59(domain of unknown function 59)結(jié)構(gòu)域[11]。FAM96A和FAM96B一級結(jié)構(gòu)(圖1)的區(qū)別在于:FAM96A的N端有一小段預(yù)測的27個氨基酸的信號肽序列(1~27),28~160位氨基酸是DUF59結(jié)構(gòu)域;FAM96B的N端則沒有信號肽,DUF59結(jié)構(gòu)域位于43~121位氨基酸[12]。
圖1 FAM96A和FAM96B的一級結(jié)構(gòu)特征示意圖Fig.1 Schematic diagram of primary structure features of FAM96A and FAM96B
人單體FAM96A(28~160 AA)的DUF59結(jié)構(gòu)域的溶液結(jié)構(gòu)已經(jīng)通過核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)手段解析得到(PDB ID:2M5H)[12]。有趣的是,F(xiàn)AM96A的DUF59結(jié)構(gòu)域在溶液中存在單體和二聚體兩種形式,而且在結(jié)晶過程中FAM96A的單體可以轉(zhuǎn)化成不同的結(jié)構(gòu)域交換(domain-swapped)二聚體,這種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域交換會導(dǎo)致其在體內(nèi)具有更多的生物學(xué)功能。通過X射線衍射手段解析FAM96A的DUF59結(jié)構(gòu)域127個氨基酸的1.8 ?晶體結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),F(xiàn)AM96A存在2種結(jié)構(gòu)域交換的二聚體結(jié)構(gòu)形式,分別稱為major dimer和minor dimer結(jié)構(gòu)形式[13]。來自于PDB數(shù)據(jù)庫(http://www.rcsb.org/)FAM96A的major dimer(PDB ID:3UX2)和minor dimer(PDB ID:3UX3)2種不同的二聚體的晶體結(jié)構(gòu)如圖2所示。Major dimer的每個亞基是一種包含5個α螺旋和2個β鏈的開放構(gòu)象,結(jié)構(gòu)域交換的部分位于多肽鏈的中間,這種結(jié)構(gòu)形式是比較穩(wěn)定的;而minor dimer這種結(jié)構(gòu)形式的穩(wěn)定還需要結(jié)合Zn2+離子。通過比較這2種結(jié)構(gòu)形式,發(fā)現(xiàn)除2個鉸鏈環(huán)外,它們具有相同的二級結(jié)構(gòu)排列。2個鉸鏈環(huán)控制著FAM96A的結(jié)構(gòu)域交換,而且它們是高度靈活且保守的。具體來講,第1個鉸鏈環(huán)在major dimer延伸,在minor dimer形成一個緊密的轉(zhuǎn)彎;第2個鉸鏈環(huán)位于交換結(jié)構(gòu)域的C端區(qū)域(122~127 AA),在major dimer中是無序的且高度靈活的[11,13]。序列比對分析結(jié)果表明,真核生物的DUF59區(qū)域序列高度保守,原核生物的此區(qū)域并不保守,而且目前已經(jīng)有3個細(xì)菌DUF59蛋白的結(jié)構(gòu)被解析得到[14],但是它們只有單體結(jié)構(gòu)形式,沒有結(jié)構(gòu)域交換的二聚體形式出現(xiàn)。這暗示結(jié)構(gòu)域交換可能是真核生物而非細(xì)菌DUF59結(jié)構(gòu)域的一個共同特征。
圖2 PDB數(shù)據(jù)庫中的FAM96A的2種domain-swapped二聚體晶體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Crystal structure of two kinds of domain-swapped dimers of FAM96A from PDB database
人FAM96B的DUF59結(jié)構(gòu)域的晶體結(jié)構(gòu)尚未被單獨解析報道,但是FAM96B可以和CIAO1相互作用,目前PDB數(shù)據(jù)庫已經(jīng)收錄了利用X射線晶體衍射解析的小鼠和黑腹果蠅的MMS19-CIAO1-FAM96B CIA靶向復(fù)合體(PDB ID:6TC0)以及黑腹果蠅的CIAO1-FAM96B CIA核心復(fù)合體(PDB ID:6TBN)的晶體結(jié)構(gòu)。
雖然含有DUF59結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)在原核生物和真核生物中均已經(jīng)被發(fā)現(xiàn),但是據(jù)預(yù)測哺乳動物體內(nèi)含有DUF59結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)只有FAM96A和FAM96B[13]。還有一些研究表明DUF59結(jié)構(gòu)域?qū)τ诮Y(jié)合金屬離子發(fā)揮著特定的作用。例如,在需氧菌中,2個含DUF59結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)PaaD和PaaJ是苯乙酰輔酶A加氧酶復(fù)合物的金屬離子結(jié)合亞基[15];來自于極端嗜熱菌海棲熱袍菌(Thermotogamaritima)的DUF59蛋白TM0487結(jié)構(gòu)中包含1個保守的二價金屬離子結(jié)合活性位點,暗示著細(xì)菌DUF59蛋白可能在結(jié)合鐵硫簇中發(fā)揮作用[14];此外,在模式植物擬南芥中的研究發(fā)現(xiàn)含DUF59結(jié)構(gòu)域的蛋白HCF101和AE7很可能是負(fù)責(zé)鐵硫簇的組裝[16-17];最近還有研究表明含有DUF59結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)與鐵硫蛋白成熟和細(xì)胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)相關(guān)[18]。
近年來,國內(nèi)外一些研究發(fā)現(xiàn)FAM96A和FAM96B在人胃腸道間質(zhì)瘤、結(jié)腸癌、肝癌、胃癌和乳腺癌組織中的表達量顯著降低,提示二者可能是潛在的抑癌基因參與腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程。
2015年,國外一項研究報道發(fā)現(xiàn)FAM96A在人胃腸道間質(zhì)瘤中表達量降低,而在胃腸道間質(zhì)瘤細(xì)胞中過表達FAM96A會增加間質(zhì)瘤細(xì)胞的凋亡敏感性,降低致瘤性。進一步研究顯示,F(xiàn)AM96A可以通過結(jié)合Apaf1誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生線粒體凋亡[5]。Apaf1可以結(jié)合線粒體釋放的細(xì)胞色素c,再結(jié)合Caspase-9從而激活Caspase-3,誘發(fā)細(xì)胞凋亡的級聯(lián)反應(yīng)[19]。FAM96A可以結(jié)合Apaf1,被認(rèn)為是人胃腸道間質(zhì)瘤的一個新的促凋亡腫瘤抑制因子[5]。國內(nèi)最新的一項研究也證實FAM96A和FAM96B在胃腸道間質(zhì)瘤組織中呈低表達,F(xiàn)AM96A和FAM96B很可能是新的抑癌基因,其表達的減少甚至缺失可能抑制了胃腸道間質(zhì)腫瘤細(xì)胞的凋亡[20]。隨后,Zhang等[21]構(gòu)建了人端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶受體(human telomerase reverse transcriptase receptor,hTERTR)和FAM96A的融合蛋白,發(fā)現(xiàn)hTERTR-FAM96A融合蛋白可以分別與hTERT和Apaf1特異性結(jié)合,而且能誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞凋亡,并進一步提高肝癌細(xì)胞凋亡敏感性,同時抑制肝癌細(xì)胞增殖、遷移和侵襲。此外,hTERT-FAM96A聯(lián)用還可以促進毒性T淋巴細(xì)胞反應(yīng)、γ-干擾素釋放和T淋巴細(xì)胞炎性浸潤,從而增強對肝癌細(xì)胞的毒性作用。因此,hTERTR-FAM96A融合蛋白可能是一種有效的抗腫瘤抑制劑[22]。
此外,國內(nèi)不少研究還發(fā)現(xiàn)FAM96A和FAM96B在人類多種腫瘤組織(包括胃腸道間質(zhì)瘤、肝癌、胃癌、結(jié)腸癌和乳腺癌組織)中表達顯著下降,具體情況如表1所示。這些研究已經(jīng)初步證實在相應(yīng)的腫瘤細(xì)胞中過表達FAM96A或FAM96B會抑制腫瘤細(xì)胞增殖,促進腫瘤細(xì)胞凋亡,其表達水平可能與腫瘤的發(fā)生發(fā)展和侵襲轉(zhuǎn)移密切相關(guān)[6-7,23]。目前關(guān)于FAM96B在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中的功能尚無系統(tǒng)性的完整報道,僅知道其在腫瘤組織中呈現(xiàn)低表達,而在結(jié)腸癌細(xì)胞HCT116[8]、胃癌細(xì)胞SGC7901[7]和肝癌細(xì)胞HepG2[23]中過表達FAM96B能夠抑制腫瘤細(xì)胞增殖、促進腫瘤細(xì)胞凋亡,但對于其具體的分子調(diào)控機制尚不明確。
表1 FAM96A和FAM96B在不同類型腫瘤組織中的表達Table 1 Expression of FAM96A and FAM96B in different types of tumor tissues
這些研究結(jié)果基本已經(jīng)證實FAM96A和FAM96B與腫瘤發(fā)生發(fā)展的進程密切相關(guān),可以作為潛在的抑癌基因發(fā)揮抑制腫瘤生長的作用,二者很可能成為臨床上惡性腫瘤新的診斷標(biāo)志物和治療靶點。但目前關(guān)于FAM96A和FAM96B在腫瘤組織中呈現(xiàn)低表達的原因以及抑制腫瘤生長轉(zhuǎn)移的分子機制并不清楚,因此,深入系統(tǒng)地研究FAM96A和FAM96B在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的分子調(diào)控機理具有非常重要的意義。
除了與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān),F(xiàn)AM96A和FAM96B在體內(nèi)還具有多種重要的生理功能。目前大多數(shù)研究表明FAM96A和FAM96B在體內(nèi)發(fā)揮不同的功能主要是依賴于與其他蛋白質(zhì)之間的相互作用。
CIAO1可以參與胞質(zhì)和核鐵硫蛋白的組裝[32-33]。早期酵母雙雜交實驗分析表明FAM96A和FAM96B都能同CIAO1發(fā)生相互作用[34]。隨后通過免疫共沉淀實驗證明FAM96A和CIAO1在體內(nèi)也存在相互作用,而且FAM96A主要定位于細(xì)胞質(zhì)中[13]。進一步研究證實FAM96B也可以同CIAO1在體內(nèi)發(fā)生相互作用,F(xiàn)AM96A、FAM96B和CIAO1都是胞質(zhì)鐵硫蛋白組裝器(cytosolic Fe/S protein assembly machinery,CIA)的組分,CIAO1與FAM96A或FAM96B以及CIA靶向因子MMS19相互作用組成2種大的蛋白復(fù)合物。其中,F(xiàn)AM96B-CIAO1-MMS19復(fù)合物可以促進大多數(shù)胞質(zhì)-核鐵硫蛋白的組裝,而FAM96A-CIAO1-MMS19蛋白復(fù)合物特異性促進鐵調(diào)節(jié)蛋白1(iron regulatory proteins 1,IRP1)成熟和IRP2穩(wěn)定化,從而維持細(xì)胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)[9,35-36]。FAM96B不僅與CIAO1和MMS19相互作用形成復(fù)合物,還能進一步同ADP/ATP轉(zhuǎn)運酶2(ADP/ATP carrier protein,ANT2)相互作用形成復(fù)合體參與胞質(zhì)鐵硫簇蛋白的組裝[4]。此外,F(xiàn)AM96B還是有絲分裂紡錘體相關(guān)的MMXD(MMS19-MIP18-XPD)復(fù)合體的組分,MMXD復(fù)合體的功能是負(fù)責(zé)DNA的損傷修復(fù)和染色體的正確分離[37]。在人結(jié)腸癌HCT116細(xì)胞中敲低FAM96B、MMS19或XPD則導(dǎo)致有絲分裂中紡錘體的錯誤定位和異型細(xì)胞核堆積,這也說明FAM96B是定位于紡錘體中,在有絲分裂染色體的正常分離過程中發(fā)揮重要作用[37]。由此可見,F(xiàn)AM96A和FAM96B可與一些相同的蛋白質(zhì)(如CIAO1和MMS19)相互作用形成不同的復(fù)合體而表現(xiàn)出不同的功能,這可能跟二者不同的亞細(xì)胞定位有關(guān)。
研究發(fā)現(xiàn)FAM96A和FAM96B是通過與不同的蛋白質(zhì)相互作用特異性誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。其中,F(xiàn)AM96A是與Apaf1相互作用,通過線粒體凋亡途徑在胃腸道間質(zhì)瘤細(xì)胞中發(fā)揮促凋亡功能[5]。在胃腸道間質(zhì)瘤細(xì)胞中過表達FAM96A,可增強胃腸道間質(zhì)瘤細(xì)胞對凋亡的敏感性,而且在體內(nèi)抑制腫瘤的生長,而沉默F(xiàn)AM96A的表達導(dǎo)致胃腸道間質(zhì)瘤發(fā)生[5]。早期通過酵母雙雜交系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)Apoptin(凋亡素)相互作用的蛋白FAM96B,經(jīng)免疫共沉淀實驗證明FAM96B在正常細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞中都與Apoptin存在相互作用[10]。Apoptin是來源于雞貧血病毒的一種小分子蛋白,由121個氨基酸組成,分子量為13.6 kD,通過不依賴于p53介導(dǎo)的途徑特異性誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡,而對正常細(xì)胞無毒副作用。Apoptin蛋白的核定位與其誘導(dǎo)凋亡的活性密切相關(guān),研究發(fā)現(xiàn)在腫瘤細(xì)胞中過表達的FAM96B通過與Apoptin的相互作用可導(dǎo)致部分Apoptin滯留于細(xì)胞質(zhì)中,從而顯著抑制Apoptin誘導(dǎo)的腫瘤細(xì)胞凋亡效應(yīng),這可能與FAM96B導(dǎo)致Apoptin的核定位改變有關(guān)[38-39]。由此可見,F(xiàn)AM96A和FAM96B在腫瘤細(xì)胞凋亡調(diào)控方面存在比較大的差異,二者是通過與不同的凋亡相關(guān)蛋白相互作用而參與腫瘤細(xì)胞凋亡調(diào)控。
3.3.1FAM96A參與炎癥調(diào)控 早期研究發(fā)現(xiàn),F(xiàn)AM96A mRNA在人和小鼠的巨噬細(xì)胞中高度富集,在B和T淋巴細(xì)胞中其表達水平明顯升高,提示FAM96A可能是一個重要的炎癥調(diào)節(jié)因子和抗炎藥物設(shè)計靶點[13]。FAM96A與hTERT聯(lián)用可以通過上調(diào)毒性T淋巴細(xì)胞反應(yīng)、γ-干擾素釋放和T淋巴細(xì)胞炎性浸潤,從而增強對肝癌細(xì)胞的毒性作用[21]。最新一項在小鼠結(jié)腸炎模型中的研究發(fā)現(xiàn),F(xiàn)AM96A-/-基因敲除小鼠對葡聚糖硫酸鈉(dextran sulfate sodium, DSS)誘導(dǎo)的結(jié)腸炎的易感性明顯增加,F(xiàn)AM96A可以通過預(yù)防腸道微生物失調(diào)來維持結(jié)腸內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)[40]。該項研究提供了關(guān)于宿主-微生物群相互作用的新證據(jù),也進一步表明FAM96A在體內(nèi)炎癥調(diào)控中也發(fā)揮重要的作用。
3.3.2FAM96B在細(xì)胞增殖與遷移中的作用 目前還有一些研究報道了FAM96B的其他功能,也是跟其相互作用的蛋白質(zhì)密切相關(guān)。Yang等[41]發(fā)現(xiàn)FAM96B與血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖與遷移相關(guān)。FAM96B是堿性螺旋-環(huán)-螺旋蛋白(E2-2)的調(diào)節(jié)基因,F(xiàn)AM96B通過與E2-2蛋白相互作用發(fā)揮功能。由于E2-2負(fù)向調(diào)控血管內(nèi)皮生長因子受體2(vascular endothelial growth factor receptor 2,VEGFR2)的啟動子活性,在血管內(nèi)皮細(xì)胞中過表達FAM96B可下調(diào)E2-2蛋白的表達,從而促進血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖、遷移及微管形成。
3.3.3FAM96B在細(xì)胞衰老中的作用 FAM96B還與細(xì)胞衰老有關(guān)。Xiong等[42]采用酵母雙雜交和免疫共沉淀實驗技術(shù)證實FAM96B通過與A型核纖層蛋白前體(prelamin A)相互作用參與細(xì)胞衰老調(diào)控。Prelamin A的加工過程與衰老密切相關(guān),是一種新的血管衰老的生物標(biāo)志物[43]。這個過程可能是通過prelamin A相互作用蛋白FAM96B實現(xiàn)的,prelamin A與FAM96B在細(xì)胞內(nèi)外均有相互作用,prelamin A通過相互作用將定位于胞質(zhì)中的FAM96B招募至核周,并共定位于細(xì)胞核膜,導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定,促進細(xì)胞衰老。
最新研究發(fā)現(xiàn)FAM96B能抑制牙髓干細(xì)胞的衰老。在牙髓干細(xì)胞中沉默F(xiàn)AM96B基因?qū)е耇ERT活性下降,衰老相關(guān)的SA-β-gal陽性細(xì)胞數(shù)量及p16和p53蛋白表達量明顯增加;過表達FAM96B則導(dǎo)致堿性磷酸酶活性顯著升高,牙髓干細(xì)胞的礦化能力增強[44]。
3.3.4FAM96B與SelW蛋白相互作用 此外,F(xiàn)AM96B還被報道是腦硒蛋白W(selenoprotein W,SelW)的一個新的相互作用蛋白。Chen等[45]采用酵母雙雜交和免疫共沉淀以及熒光共振能量轉(zhuǎn)移(fluorescence resonance energy transfer,F(xiàn)RET)實驗證實FAM96B與SelW在體內(nèi)存在直接的相互作用。SelW蛋白在大腦發(fā)育中起著關(guān)鍵作用,SelW蛋白與FAM96B之間的這種直接相互作用可能為SelW蛋白在腦發(fā)育和神經(jīng)退行性疾病中的作用提供新的見解。研究發(fā)現(xiàn)沉默SelW的小鼠胚胎神經(jīng)細(xì)胞對DNA損傷表現(xiàn)的更為敏感[46];SelW還被證實參與調(diào)控細(xì)胞周期蛋白激酶,通過激活細(xì)胞分裂周期25同源物B(cell division cycle 25 homolog B,CDC25B)逆轉(zhuǎn)DNA損傷導(dǎo)致的G2期阻滯[47]。由于FAM96B在DNA損傷修復(fù)中也發(fā)揮著作用,SelW與FAM96B之間的相互作用可能阻斷SelW的作用,導(dǎo)致細(xì)胞周期阻滯,從而啟動DNA損傷修復(fù),確?;蚪M的穩(wěn)定性。
綜上所述,F(xiàn)AM96A和FAM96B不僅作為潛在的抑癌基因抑制腫瘤的發(fā)生發(fā)展,而且能通過與其他不同的蛋白質(zhì)相互作用在體內(nèi)發(fā)揮不同的功能。雖然目前針對FAM96A和FAM96B功能的研究取得了一定的進展,但是仍然有許多亟待解決的問題,如FAM96A和FAM96B在腫瘤組織中的表達降低的原因和分子機制,沉默F(xiàn)AM96A和FAM96B對腫瘤細(xì)胞的生物學(xué)功能的影響。因此,在未來的工作中通過系統(tǒng)研究并揭示FAM96A和FAM96B在腫瘤組織中低表達的原因及其在腫瘤發(fā)生發(fā)展中具體的分子調(diào)控機制,有望為惡性腫瘤的臨床診斷和治療提供新靶點和新思路。此外,通過酵母雙雜交和免疫共沉淀等實驗技術(shù)篩選和鑒定更多與FAM96A和FAM96B相互作用的蛋白質(zhì)也是頗具研究前景的一個方向,有望揭示FAM96A和FAM96B在體內(nèi)參與的更多新的功能。