Cullin蛋白家族在癌癥發(fā)生發(fā)展中的研究進(jìn)展

高志遠(yuǎn) 謝騰 蒯冀

湖北民族大學(xué)附屬荊門(mén)市第一人民醫(yī)院神經(jīng)外科 448000

泛素化修飾是一個(gè)或多個(gè)泛素分子在一系列酶的作用下與底物蛋白結(jié)合的翻譯后修飾過(guò)程，經(jīng)泛素化修飾后的底物蛋白可以被26S 蛋白酶體識(shí)別并降解；具體由泛素分子、多種酶系統(tǒng)（E1 泛素活化酶、E2 泛素結(jié)合酶、E3 泛素連接酶）、底物蛋白以及蛋白酶體參與，共同構(gòu)成泛素-蛋白酶系統(tǒng)［1］。Cullin 泛素連接酶家族由 CUL1、2、3、4A、4B、5、7 和9 組成，作為招募其他亞基的支架。每個(gè)Cullin 都有一個(gè)球狀的C-末端Cullin 同源結(jié)構(gòu)域，它與環(huán)結(jié)構(gòu)域亞基結(jié)合，識(shí)別與泛素結(jié)合的同源E2 酶。然后，Cullin 的長(zhǎng)柄狀N-末端結(jié)構(gòu)域直接或通過(guò)接頭亞單位與底物受體或激活亞基結(jié)合，以識(shí)別同源底物蛋白［2］。Cullins 不是傳統(tǒng)的癌蛋白或腫瘤抑制因子，因?yàn)樗鼈儗?duì)腫瘤發(fā)生的影響是由它們的底物受體和相應(yīng)的底物決定的。底物受體或底物中的突變會(huì)導(dǎo)致癌蛋白的積累，從而推動(dòng)增殖，并帶來(lái)生存和基因組的不穩(wěn)定性。Cullin 蛋白通常通過(guò)接頭蛋白連接底物靶向單位和CRL 中的環(huán)指成分，CRLS 以多種底物為靶標(biāo)，影響一系列生物學(xué)過(guò)程，包括細(xì)胞生長(zhǎng)、發(fā)育、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、基因組完整性和腫瘤抑制［3］。通過(guò)組織CRL，可能引導(dǎo)許多底物進(jìn)行泛素依賴(lài)的降解，Cullin家族蛋白構(gòu)建了一個(gè)在控制蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)平衡方面至關(guān)重要的細(xì)胞調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，從而改變了從細(xì)胞周期調(diào)控到信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的廣泛生物學(xué)過(guò)程［3］。

1 CUL1

在E3連接酶的環(huán)型中，SCF（Skp1-Cullin1-F-box）復(fù)合物研究較多。SCF 復(fù)合物由支架蛋白Cullin1、環(huán)指蛋白R(shí)bx1、接頭蛋白 Skp1 和 F-box 蛋白組成。Rbx1 的功能是招募 E2 酶 ，而 Skp1 則 與 F-box 蛋 白 結(jié) 合［4］。 研 究 證 實(shí) ，CUL1 基因敲除可顯著減少肺轉(zhuǎn)移和血管生成［5］，CUL1 還在胚胎發(fā)育中起著重要作用，并對(duì)正常和惡性細(xì)胞過(guò)程有顯著影響。

FBXL1 是CUL1 中的一種，又稱(chēng)Skp2，已被認(rèn)為是一種癌蛋白。Skp2 蛋白由4 個(gè)不同的結(jié)構(gòu)域組成，即破壞結(jié)構(gòu)域（D-box）、核定位信號(hào)（NLS）、F-box 結(jié)構(gòu)域和C-末端LRR 結(jié)構(gòu)域［6］。被廣泛研究的 F-box 蛋白 Skp2 與 Skp1 和CUL1 組裝成SCF 復(fù)合物，靶向細(xì)胞周期抑制因子p27/Kip1 進(jìn)行降解［6］。在小鼠中敲除Skp2 導(dǎo)致細(xì)胞核明顯增大，具有多倍體和多中心體，表明Skp2 在控制細(xì)胞周期調(diào)控因子方面起著關(guān)鍵作用［7］。雖然Skp2介導(dǎo)的泛素化的凈效應(yīng)支持細(xì)胞增殖，但SCFSkp2也被報(bào)道控制癌蛋白的降解［8］。

雖然SCFSkp2在促進(jìn)腫瘤發(fā)生中有很好的特征性作用，但F-box 蛋白βTrCP 在維持正常和惡性生長(zhǎng)之間的平衡中的作用更為復(fù)雜，可能依賴(lài)于細(xì)胞環(huán)境。βTrCP 的許多底物已被確定在細(xì)胞周期、凋亡和遷移中起著關(guān)鍵作用，βTrCP 的異常調(diào)控參與了腫瘤的發(fā)生［6］。有研究確認(rèn)了βTrCP 在REST（一種促進(jìn)神經(jīng)分化的腫瘤抑制因子）和PHLPP1（Akt 信號(hào)的抑制劑）的降解中的新致癌作用［9］。REST 通過(guò)βTrCP 在細(xì)胞周期的G2 階段被降解，以允許MAD2的轉(zhuǎn)錄去抑制，MAD2是紡錘體組裝檢查點(diǎn)的一個(gè)重要組成部分［10］。研究發(fā)現(xiàn)，沉默βTrCP 抑制乳腺癌細(xì)胞的增殖和存活，并增加化療藥物的細(xì)胞毒性［11］。以βTrCP 為靶點(diǎn)可能有利于提高抗癌治療的效果。SCFβTrCP在限制β-catenin 等癌蛋白的細(xì)胞水平上也起著重要作用。βTrCP或β-catenin 的DSGXXS 降解決定子的突變都會(huì)導(dǎo)致β-catenin 的積累增加，從而導(dǎo)致胃癌和子宮內(nèi)膜癌的發(fā)?。?2-13］。另一個(gè)底物SCFFbx4在阻斷腫瘤發(fā)生中的作用主要是通過(guò)細(xì)胞周期蛋白D 靶向介導(dǎo)的。抑制Fbx4E3 連接酶活性可導(dǎo)致細(xì)胞核周期蛋白D1 的積聚和致癌轉(zhuǎn)化。Fbx4 基因敲除小鼠促進(jìn)了食管癌致癌物N-亞硝基甲基芐胺（NMBA）誘導(dǎo)的乳頭狀瘤，表明FBXO4 可能是食管癌發(fā)生的抑制因子［14］。在人類(lèi)癌癥中也觀察到了Fbx4 突變，這種突變抑制了SCF（Fbx4）連接酶的二聚化，并促進(jìn)了癌癥的發(fā)生［15］。

2 CUL2

CUL2 的泛素連接酶以Elongin B/C 為銜接子來(lái)組裝功能復(fù)合物，募集含有細(xì)胞因子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制因子（SOCS）抑制劑的底物受體。研究最廣泛的CUL2 底物受體是vonHippel-Lindau（VHL）腫瘤抑制因子，它以氧感應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子 HIF1α 為靶標(biāo)［16］。VHL 腫瘤抑制基因的突變是家族性vonHippel-Lindau 病的原因，該疾病的特征是眼、腦、脊髓、腎、胰腺和腎上腺的腫瘤。缺氧條件下，HIF1α 積聚并激活促血管生成基因如血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子和血小板衍生生長(zhǎng)因子的表達(dá)，通過(guò)刺激血管生成和氧利用而增加氧輸送，增加葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)和向丙酮酸的轉(zhuǎn)化，減少線粒體質(zhì)量。β2-腎上腺素能受體（β2AR）最近被確定為VHL 的另一種底物，其EGLN3（一種O2依賴(lài)性的含鐵脯氨酰羥化酶）的羥基化作用可引發(fā) β2AR 泛素化和蛋白酶體降解［17］。VHL 還針對(duì)激活的非典型蛋白激酶Cλ（一種細(xì)胞極性和生長(zhǎng)的調(diào)節(jié)因子）進(jìn)行泛素化，進(jìn)一步促進(jìn)了CUL2的腫瘤抑制作用。

3 CUL3

CUL3的泛素連接酶具有包含BTB 結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)，該蛋白質(zhì)整合了銜接子和底物受體的功能［18］。最近有研究證實(shí)，CUL3在乳腺癌和腎癌中下調(diào)，提示其具有抑癌作用［19］。最具特征性的CUL3 底物受體是Keap1，它以Nrf2 轉(zhuǎn)錄因子為靶點(diǎn)，泛化和降解。Keap1 通過(guò)N 端BTB 結(jié)構(gòu)域與Cul3-Rbx1 結(jié)合，C 端 DGR/Kelch 結(jié)構(gòu)域連 接 Nrf2，介導(dǎo)Nrf2 泛素化和降解，從而抑制Nrf2 下游基因轉(zhuǎn)錄［20］。氧化應(yīng)激下Nrf2 通過(guò)與抗氧化反應(yīng)元件作用，誘導(dǎo)一系列內(nèi)源性抗氧化劑基因轉(zhuǎn)錄和上調(diào)Ⅱ相解毒酶，用于緩和毒物和癌基因效應(yīng)，維持細(xì)胞內(nèi)氧化還原平衡；表明Nrf2與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。

4 CUL4

CUL4 包括CUL4A 和CUL4B，它們具有廣泛的序列同源性和功能冗余。CUL4A 表達(dá)的降低導(dǎo)致G1 期阻滯并增加p21 和p27 蛋白水平［20］，從而導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生。對(duì)于CUL4B，研究發(fā)現(xiàn)CUL4B過(guò)表達(dá)可以促進(jìn)細(xì)胞增殖，其低表達(dá)則引起細(xì)胞S 期停滯。CUL4B 可以通過(guò)調(diào)控CyclinE、H2A、CDC6等因子的表達(dá)而在細(xì)胞增殖和DNA復(fù)制過(guò)程中發(fā)揮重要作用，從而導(dǎo)致腫瘤形成、發(fā)展［21］。

隨訪研究表明，DDB 是CUL4 泛素連接酶的組成部分［22］。DDB2作為底物受體與CUL4A 和DDB1形成復(fù)合物，靶向另一種NER損傷傳感器XPC，使其泛素化，從而增加其對(duì) DNA 的親和力［23］。DDB2 及其底物的下調(diào)限制了 NER 的活性，而強(qiáng)制表達(dá)DDB2 或敲除Cul4A 會(huì)導(dǎo)致更大的DNA修復(fù)，從而降低了遺傳毒性［24-25］。最近發(fā)現(xiàn)NF2 編碼的腫瘤抑制因子Merlin 在與VprBP/DCAF1 的復(fù)合物中抑制CUL4A 的泛素連接酶活性，進(jìn)一步支持了CUL4A 作為癌基因的作用［26］。Katiyar S 等［27］最近報(bào)道稱(chēng)，CUL4A 還可與另一種mTOR 信號(hào)抑制劑REDD1 結(jié)合，并利用βTrCP 作為CUL4A 底物受體。而CUL4B 與人類(lèi)癌癥的發(fā)生發(fā)展關(guān)系鮮有報(bào)道，有待進(jìn)一步發(fā)掘。

5 CUL5

目前為止，尚未描述CUL5 的內(nèi)源性底物受體，但發(fā)現(xiàn)病毒蛋白可充當(dāng)基于CUL5的泛素連接酶的底物識(shí)別成分?？úㄎ魇先饬鱿嚓P(guān)皰疹病毒（KSHV）編碼潛伏期相關(guān)核抗原（LANA），這是 CUL5-ElonginB/C 復(fù)合物的 SOCS-box 底物受體，其靶向腫瘤抑制因子VHL 和p53 進(jìn)行降解。在關(guān)于CUL5與癌癥研究方面，在乳腺癌、肺癌、白血病均有文獻(xiàn)報(bào)道提示與CUL5的表達(dá)存在相關(guān)性。

6 CUL7

CUL7 是作為E3 泛素連接酶支架蛋白的Cullin 蛋白家族的成員。與Cullin 家族的其他成員，如CUL1、CUL3 和CUL4 一樣，CUL7 也是一個(gè)新的癌基因。CUL7 由 1 698 個(gè)氨基酸組成。CUL7 具有與FBXW8 結(jié)合和ROC1 結(jié)合相關(guān)的doc1 結(jié)構(gòu)域和C-末端Cullin 結(jié)構(gòu)域，有助于有絲分裂和細(xì)胞分裂［28］。關(guān)于CUL7 是如何組裝功能性泛素連接酶復(fù)合物的知之甚少，因?yàn)橐粋€(gè)明確的范例還沒(méi)有定義。CUL7 基因敲除的小鼠有血管缺陷，表明CUL7 在細(xì)胞生長(zhǎng)和血管形態(tài)發(fā)生中起著至關(guān)重要的作用［29］。有研究表明，CUL7 雙等位功能喪失突變被認(rèn)為擾亂了有絲分裂和胞質(zhì)分裂，導(dǎo)致了的表型［30］。CUL7 還能促進(jìn) E-cadherin 酶的表達(dá)。E-cadherin 酶是一種分泌型銅依賴(lài)性胺氧酶，能降解細(xì)胞外彈力蛋白和基質(zhì)膠原交聯(lián)，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖和侵襲遷移［31］。例如，在膠質(zhì)瘤中，神經(jīng)膠質(zhì)瘤具有生長(zhǎng)迅速、浸潤(rùn)程度高的特征［32］。研究發(fā)現(xiàn)，CUL7 通過(guò)影響 MST1 泛素化和NF-KB 通路的激活促進(jìn)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的增殖、侵襲和遷移［33］。在乳腺癌的Her2陽(yáng)性乳腺癌的靶向治療中，Qiu N等［34］發(fā)現(xiàn)CUL7 通過(guò)降低IRS-1 絲氨酸磷酸化的表達(dá)水平和下調(diào)IGFBP-3 的表達(dá)，從而解除對(duì)IRS-1 酪氨酸磷酸化的阻斷和誘導(dǎo)IGF 途徑激活，增強(qiáng)PI3K/AKT 信號(hào)通路，誘導(dǎo)腫瘤干細(xì)胞樣特性和對(duì)曲妥珠單抗的耐藥性。CUL7 還被發(fā)現(xiàn)在食管癌［35］、大腸癌［36］、肝癌［37］等過(guò)度表達(dá)，促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞的侵襲和遷移。

7 CUL9

CUL9 是Cullin 家族中最大和進(jìn)化上最年輕的成員，它是在脊椎動(dòng)物出現(xiàn)后進(jìn)化而來(lái)的，包含多個(gè)功能結(jié)構(gòu)域。小鼠CUL9 缺失導(dǎo)致細(xì)胞核形態(tài)異常，DNA 損傷增加，在多個(gè)器官和組織自發(fā)發(fā)展的多種腫瘤中出現(xiàn)廣泛的非整倍體［38］。在人類(lèi)細(xì)胞中，CUL9 的功能是維持 p21 的基礎(chǔ)表達(dá)和誘導(dǎo)表達(dá)以響應(yīng)DNA 損傷所必需的。對(duì)于CUL9 在促進(jìn)癌癥發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移過(guò)程中的作用還有待進(jìn)一步發(fā)掘。

8 前景與展望

Cullin 家族作為復(fù)合物SCF 泛素連接酶中的一個(gè)亞基，作為支架參與泛素連接酶（E3）的構(gòu)成，在蛋白泛素化過(guò)程中扮演著重要角色。盡管Cullin 家族已被證明以多種具有不同功能的底物為靶標(biāo)，但在特定的細(xì)胞環(huán)境中，也有一些主要的底物決定了Cullin在腫瘤發(fā)生中的作用。然而，泛素領(lǐng)域的一個(gè)重要瓶頸是底物的識(shí)別，因?yàn)樵S多假定的底物受體已經(jīng)被鑒定出來(lái)，但它們對(duì)應(yīng)的底物仍有待確定。受體及其底物的分配將有助于揭示Cullin 介導(dǎo)的腫瘤發(fā)生機(jī)制。Cullin 家族在腫瘤發(fā)生中的密切參與表明，Cullin 介導(dǎo)的泛素化途徑是干預(yù)和預(yù)防腫瘤發(fā)生的有吸引力的靶點(diǎn)。隨著學(xué)術(shù)界和制藥行業(yè)對(duì)利用泛素途徑作為干預(yù)目標(biāo)的興趣與日俱增，泛素組很有可能成為發(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā)抗癌和其他人類(lèi)疾病的新療法的有吸引力的來(lái)源。