多物種中非肌肉肌球蛋白IIA 相關功能的研究進展

黎國安鐘望濤張晶晶

(廣東醫(yī)科大學附屬醫(yī)院,廣東 湛江 524001)

肌球蛋白超家族是三大主要動力蛋白超家族之一,其分類超過30 種,主要與肌動蛋白結合,并以鎂離子依賴的方式水解ATP 獲得能量從而發(fā)揮動力作用[1-3]。 肌球蛋白II 是其中的一種,包括肌肉肌球蛋白II 和非肌肉肌球蛋白II。 非肌肉肌球蛋白II 幾乎在所有細胞都有表達,參與細胞的多種生理活動,如細胞遷移、極化和粘附、細胞形狀維持和信號轉導等[2]。 在脊椎動物中,非肌肉肌球蛋白II 有3 個亞型:非肌肉肌球蛋白IIA(NM IIA)、非肌肉肌球蛋白IIB(NM IIB)和非肌肉肌球蛋白IIC(NM IIC), 分別由MYH9、MYH10 和MYH14 基因編碼[4-5]。 本文將對人、小鼠和斑馬魚中NM IIA 相關功能的研究進展進行綜述。

1 人類發(fā)育與疾病中NM IIA 相關功能的研究

人NM IIA 的結構包括氨基端的頭部結構域和羧基末端的尾部結構域。 頭部結構域由動力蛋白(由MYH9 的1 到19 號外顯子編碼)和頸部區(qū)域(由MYH9 的20 號外顯子編碼)組成。 尾部結構域包含長卷曲螺旋結構(由MYH9 的21 到40 號外顯子編碼)和短非卷曲螺旋區(qū)域(由MYH9 的41 號外顯子編碼)[2]。MYH9 基因突變引起的MYH9-RD,是一種常染色體顯性遺傳性疾病,主要表現(xiàn)為巨大血小板減少、粒細胞NM IIA 分布異常,且可能同時并發(fā)腎疾病、耳聾和白內障[6]。

1.1 人類多系統(tǒng)器官組織中NM IIA 功能的研究

NM IIA 在人類中的研究主要涉及血液系統(tǒng)、腎和聽覺系統(tǒng)等。 報道指出,MYH9-RD 在血液系統(tǒng)的異常表現(xiàn)主要是巨大血小板減少、中性粒粒細胞NM IIA 分布異常和粒細胞有包涵體等[6-7]。 除此之外,NM IIA 動力蛋白結構域的突變將導致患者出現(xiàn)異常形態(tài)的紅細胞,主要表現(xiàn)為細胞形態(tài)細長[8]。 研究表明這可能與NM IIA 動力蛋白無法產(chǎn)生維持紅細胞形狀的膜表面張力有關[9]。 在腎方面,Arrondel 等[10]通過原位雜交和免疫熒光技術發(fā)現(xiàn)MYH9 的mRNA 和蛋白在胚胎期和成人腎的小動脈、腎小球和腎小管周圍的毛細血管內皮細胞中表達,同時在近端小管的刷狀緣和足細胞中也有表達。 有研究表明歐裔美國人、尼日利亞人和西班牙人的NM IIA 遺傳變異可導致非糖尿病腎病的發(fā)病率上升[11-13],而漢族人的NM IIA 遺傳變異則導致糖尿病腎病發(fā)病率的升高[14]。 進一步研究發(fā)現(xiàn),糖尿病腎病患者的腎小球和足細胞的NM IIA 表達減少,足細胞內肌動蛋白應力纖維縮短且數(shù)量減少,細胞間緊密連接蛋白ZO-1 表達下調。 這些病理生理改變導致腎小球白蛋白濾過率上升,腎功能受損。 而實驗證實過表達NM IIA 可使血管緊張素II誘導的腎功能損害得到恢復[15]。 這提示NM IIA 可能與腎發(fā)育與腎功能維持有關。 而在聽覺系統(tǒng)中,NM IIA 突變還與聽力障礙有關,有研究發(fā)現(xiàn)MYH9的p.D1424N 突變將導致成年發(fā)病和進行性惡化的聽力損傷[16],而p. R705H 位點的突變除導致患者肝功能異常和血細胞缺陷外,還導致神經(jīng)性耳聾[7,17]。 Verver 等[18]指出,不同的位點突變可導致不同程度的神經(jīng)性耳聾,而同一位點的不同突變類型也會有不同的影響,如p.R702C 位點的突變導致的耳聾比p. R702H 嚴重,p. R1165L 突變導致耳聾的程度比p.R1165C 嚴重。 對于有MYH9 突變家族史的幼兒,可在早期進行此基因突變位點的篩查,以便在發(fā)病初期實施治療,以改善患者生活質量。

1.2 人類腫瘤中NM IIA 功能的研究

NM IIA 與多個瘤種的發(fā)生發(fā)展有關,在不同瘤種中分別扮演促癌或抑癌的角色。 Coaxum 等[19]研究發(fā)現(xiàn)抑制NM IIA 的表達可增加P53 野生型頭頸部鱗狀細胞癌的侵襲能力,提示了其在頭頸鱗狀細胞癌中起到抑癌作用。 而更多的研究表明NM IIA在腫瘤中起到促癌作用。 在一項關于胃癌的研究中發(fā)現(xiàn),腫瘤組織高表達NM IIA,且與患者病情進展和不良預后相關[20]。 體外實驗研究表明抑制NM IIA 的表達導致c-Jun 氨基末端激酶(JNK)水平的降低從而抑制胃癌細胞的遷移和侵襲[21]。 此外,有研究表明結直腸癌組織高表達NM IIA,且與患者的低生存率相關,這可能與它激活AMPK/mTOR 信號通路有關[22]。 Zhou 等[23]發(fā)現(xiàn)NM IIA 在胰腺癌中高表達,其主要通過激活Wnt/β-catenin 信號而促進胰腺癌細胞的增殖、遷移和侵襲。 在肺癌的研究中表明,通過DT-13(一種從麥冬中分離得到的具有生物活性的皂苷單體)下調NM IIA 的表達可激活Raf-ERK1/2 信號通路進而有效抑制肺癌細胞的遷移[24]。 Gao 等[25]研究表明,通過DT-13 靶向抑制NM IIA 的表達可顯著抑制乳腺癌細胞的遷移。 綜上所述,NM IIA 通過作用于不同的分子機制在不同的瘤種中發(fā)揮促癌或抑癌作用。 除了上述的瘤種外,其是否參與其他腫瘤的發(fā)生發(fā)展尚不明確,有待進一步研究。 闡明NM IIA 在不同瘤種中的作用機制可為其在未來的臨床應用提供理論支撐。

2 小鼠中NM IIA 相關功能的研究

小鼠NM IIA 主要在肝、腎、肺和脾表達,在心臟和大腦中有低表達,而在骨骼肌中不表達,與人類NM IIA 同源度達98%[26]。 近年來有研究表明NM IIA 參與腦卒中病理生理過程的調節(jié),與腎疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關。 其突變除了導致腎和血管的發(fā)育異常外,還影響血細胞的成熟和形態(tài)。

2.1 小鼠腦卒中中NM IIA 功能的研究

NM IIA 與腦卒中的發(fā)病機制有關。 體內外研究表明,腦卒中導致腦血管內皮細胞緊密連接蛋白occludin、claudin-5、ZO-1 表達下調,引起血腦屏障通透性增加,而特異性敲降或者使用NM II 的抑制劑Blebbistatin 抑制腦血管內皮細胞的NM IIA 的表達可恢復緊密連接蛋白的表達水平,降低血腦屏障通透性,減輕腦損傷[27-28]。 此外,NM IIA 還通過其他機制調節(jié)腦卒中的發(fā)生發(fā)展。 Wang 等[29-30]發(fā)現(xiàn),抑制NM IIA 的表達可通過抑制神經(jīng)元凋亡和促進神經(jīng)元自噬發(fā)生而改善缺血性腦損傷。 綜上說明,NM IIA 可以通過多個途徑參與調節(jié)腦卒中病理生理過程,而靶向抑制NM IIA 的表達有望成為卒中治療的新策略。

2.2 小鼠腎發(fā)育與疾病中NM IIA 功能的研究

NM IIA 與腎的發(fā)育和疾病相關。 研究表明小鼠NM IIA 的R702C、D1424N和E1841K位點突變會導致腎小球硬化和腎功能進行性下降,表現(xiàn)為足細胞消失和蛋白尿逐漸加重[31]。 除了點突變外,NM IIA 的缺失突變也會導致腎的發(fā)育異常。Recuenco 等[32]研究發(fā)現(xiàn)條件性敲除腎間質細胞NM IIA 不影響小鼠存活至成年但可導致小鼠腎功能衰竭,并出現(xiàn)腎小囊和腎小管擴張、腎囊腫等病理改變;而同時敲除腎間質細胞的NM IIA 和NM IIB 則會導致小鼠出生不久后死亡,表現(xiàn)為雙腎體積減小,皮質的腎單位缺失和凋亡等病理變化。 除了調控腎發(fā)育外,NM IIA 還與足細胞分離和缺失相關的腎疾病有關。 Fan 等[33]指出神經(jīng)導向因子-2(SLIT2)及其受體(ROBO2)的激活可以抑制腎足細胞NM IIA 的活性,從而引起足細胞間黏著斑形成的減少、細胞間黏附力減弱,導致蛋白尿等腎功能下降的表現(xiàn)。 NM IIA 的突變導致腎異常發(fā)育的機制尚不明確,有待進一步研究。 而NM IIA 活性的抑制導致足細胞分離和缺失相關的腎疾病的發(fā)生,提示我們靶向激活NM IIA 有利于提高足細胞的存活,從而恢復腎小球濾過屏障功能,最終實現(xiàn)對這類腎疾病的有效治療。

2.3 小鼠血細胞成熟和凝血機制中NM IIA 功能的研究

NM IIA 參與調控血小板形成、止血與凝血、紅細胞成熟與形態(tài)維持等生理過程。 研究發(fā)現(xiàn)NM IIA 在巨核細胞和血小板表達[34],且與小鼠巨核細胞中血小板形成和釋放過程有關[35-36],其缺失會導致小鼠的血小板減少癥[37]。 另外,NM IIA 缺失通過影響巨核細胞肌動蛋白的結構,而影響細胞器分布,進而導致成熟的血小板細胞器含量的異常[38]。NM IIA 在止血和血栓形成過程中具有重要作用,Li等[39]發(fā)現(xiàn)條件性敲除血管內皮細胞NM IIA 導致分泌性細胞器WPB(Weibel-Palade body)釋放障礙,即影響vWF(von Willebrand factor)的釋放,導致凝血時間延長。 NM IIA 除了與血小板形成和促凝血機制有關,還與網(wǎng)織紅細胞的成熟和紅細胞雙凹圓盤狀形態(tài)的維持有關[40-41]。 而Kanematsu 等[42]發(fā)現(xiàn)NM IIA 突變導致小鼠血紅蛋白減少,促紅細胞生成素升高和巨脾癥。 但因其突變并不影響紅細胞的分化過程,故作者認為這可能與NM IIA 突變導致造血微環(huán)境異常有關,具體機制有待進一步研究。

2.4 小鼠血管發(fā)生中NM IIA 功能的研究

NM IIA 在小鼠血管發(fā)育方面具有不可替代的作用。 Ma 等[43]發(fā)現(xiàn)條件性敲除血管內皮細胞NM IIA 將導致胚胎小鼠背部皮膚的血管密度減少、血管異常聚集成團等,而同時敲除NM IIA 和NM IIB則會加重血管異常的程度。 新近的研究認為,血管發(fā)生由內皮細胞上的絲狀偽足來源的指狀突起介導,指狀突起與胞外無血管基質聯(lián)系緊密,從而引導血管發(fā)生,絲狀偽足與指狀突起的數(shù)量平衡在調節(jié)血管發(fā)生中起重要作用。 體外實驗表明,NM IIA在尖細胞中的表達水平明顯高于莖細胞,且通過調節(jié)指狀突起和絲狀偽足之間的數(shù)量平衡從而調控血管出芽,引導血管發(fā)生[44]。 綜上表明NM IIA 是維持血管正常發(fā)育中的重要因子,其缺失是導致血管發(fā)生缺陷的重要原因,但其中的調控機制尚未完全明確,有待進一步研究。

3 斑馬魚中NM IIA 相關功能的研究

斑馬魚是新興的模式生物。 斑馬魚的myh9 有兩個亞型,myh9a和myh9b,與人類MYH9 基因同源度分別為77%和79%,其中myh9a位于6 號染色體的反義鏈,而myh9b位于3 號染色體的反義鏈[45]。myh9a和myh9b在斑馬魚幼魚表皮層表達,此外,myh9b還在腦組織表達[46-47]。 研究表明NM IIA 對斑馬魚腦、腎、顱面發(fā)育至關重要。

3.1 斑馬魚腦發(fā)育中NM IIA 功能的研究

在斑馬魚腦形態(tài)發(fā)生過程中,NM IIA 具有重要作用。 Gutzman 等[46]利用斑馬魚來研究調節(jié)脊椎動物高度保守的中腦-后腦邊界(midbrain-hindbrain boundary,MHB)首次折疊的分子機制,發(fā)現(xiàn)NM IIA可通過調節(jié)細胞縮短從而促進MHB 收縮,形成正常的腦形態(tài)。 利用myh9b特異性嗎啉代寡核苷酸(morpholino oligonucleotide,MO)抑制NM IIA 的表達導致斑馬魚MHB 收縮區(qū)域上的細胞明顯變長,引起MHB 收縮減弱、MHB 交角變大,腦形態(tài)異常。綜上表明NM IIA 對細胞形狀的維持和腦形態(tài)的發(fā)育至關重要。

3.2 斑馬魚腎發(fā)育中NM IIA 功能的研究

在斑馬魚前腎的研究中,利用myh9 特異性MO抑制NM IIA 的表達除了可觀察到幼魚腎小球形態(tài)發(fā)育異常、腎小球的毛細血管數(shù)量減少和畸形、腎小囊囊腔增大和系膜細胞數(shù)量減少等現(xiàn)象外,還可觀察到腎小球基膜不均勻增厚、內皮窗孔減少等超微結構改變。 通過腎功能評價實驗表明,抑制NM IIA 的表達將導致腎小球濾過率下降[48]。 因此,NM IIA 對維持斑馬魚腎的正常發(fā)育及功能至關重要,但其在腎發(fā)育中的分子機制尚不明確,有待進一步研究。

3.3 斑馬魚其他組織中NM IIA 功能的研究

除了調控斑馬魚腦和腎發(fā)育外,NM IIA 還參與其他組織器官發(fā)育。 研究表明,NM IIA 通過與Trio(Rho-GEF 家族成員之一)相互作用來調控神經(jīng)嵴細胞遷移和分化從而維持顱面結構的正常發(fā)育[49]。Casalou 等[50]證實,NM IIA 在Arl13b(一種Arf 樣蛋白)的介導下參與斑馬魚圓形背部皺褶形成。 在血液系統(tǒng)中,抑制NM IIA 的表達后并未發(fā)現(xiàn)血小板聚集和血栓形成[48],但抑制NM IIA 是否影響血小板形態(tài)尚不明確。 此外NM IIA 是否參與其他血液細胞的形態(tài)和功能調控也有待進一步研究。

4 結語

NM IIA 在物種間是保守的,幾乎在所有細胞中表達,參與調控細胞黏附、細胞遷移、極化和粘附、細胞形狀維持和信號轉導等細胞生理過程。 NM IIA 對器官發(fā)育至關重要,其突變可導致腦、腎和血管的發(fā)育異常。 近年來有研究報導NM IIA 通過多個途徑參與調控腦卒中的病理生理過程,抑制NM IIA 表達通過上調緊密連接蛋白從而減少腦卒中的血腦屏障滲漏,同時,抑制NM IIA 的表達可減少神經(jīng)元凋亡和促進神經(jīng)元自噬發(fā)生進而減輕腦損傷,但其是否還通過其他途徑參與腦卒中的發(fā)生發(fā)展的調控尚不明確,有待進一步研究。 此外,有研究表明,NM IIA 在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中表現(xiàn)出雙面性,例如在頭頸鱗癌中表現(xiàn)出抑癌作用,而在胃癌和胰腺癌中表現(xiàn)出促癌作用。 但目前仍有多個瘤種未見其報道,明確其在其他瘤種中的具體作用機制,可為NM IIA 在腫瘤診斷和治療方面的應用提供理論支撐。