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WW 结构域及相关蛋白在肿瘤发生中的作用

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第33卷1O 第3期 2013年 9月 WW结构域及相关蛋白在肿瘤发生中的作用 孟冈0 代方银 陈聪 童晓玲 鲁成 (家蚕基因组生物学国家重点实验室,农业部蚕桑功能基因组与生物技术重点实验室, 西南大学生物技术学院,重庆400716) 摘要 ww结构域由35--40个氨基酸残基组成,存在两个高度保守的色氨酸残基,能特异地 与富含脯氨酸的蛋白基序结合。ww结构域存在于多种蛋白中,广泛参与细胞内各种生化过程和 信号通路。ww结构域及其参与构成的蛋白与包括癌症在内的多种人类疾病存在密切联系,成为 疾病诊断、治疗和药物开发的新靶标。本论文中,我们综述了ww结构域及其参与构成的蛋白在 肿瘤和癌症发生中的重要作用和研究进展。 关键词 WW结构域ww0X ITCH Hippo信号通路 肿瘤 ww结构域(ww domain)是一类特异性识别并结合富含脯氨酸的蛋白基序(proline—rich motif,PRM)和磷酸化的丝氨酸/色氨酸一脯氨酸位点,介导蛋白相互作用的一类小的蛋白模 块_】]。ww结构域分布广泛,由其参与构成的蛋白在RNA转录和加工、蛋白运输和稳态、细 胞骨架等多种细胞生化过程中广泛存在,近年来的研究也表明ww结构域在Hippo肿瘤 抑制信号通路等细胞信号转导通路中发挥了重要作用 ]。ww结构域和相关蛋白与人类多种 疾病有关,包括李德尔氏综合症(Liddle’S syndrome)、Rett综合征(Rett syndrome)、阿耳茨海 默症(Alzheimer’S disease)、肌营养不良症(Muscular dystrophy)和亨廷顿舞蹈病 (Huntington’S disease)E ,以及各种肿瘤和癌症_4 ],这也使得该结构域和由其参与构成的 蛋白质(或复合体)成为癌症诊断、治疗和药物开发的新靶标。 1 WW结构域概述 ww结构域由35~4O个氨基酸残基组成,其中存在2个由20~23个氨基酸残基间隔开 的高度保守的色氨酸残基(tryptophan,W),结构域的名称(wW)也因此得来(图1,源自ht- tp://pfam.sanger.ac.uk/family/ww)。在某些蛋白中,Ww结构域中的第二位色氨酸残基 可被酪氨酸和苯丙氨酸等所取代,形成wW结构域的亚型。 基于ww结构域与富含脯氨酸残基基序的亲和偏好性,可将该结构域分为五个类 型 ]。I型ww结构域特异结合核心保守序列为PPxY的蛋白基序(P指脯氨酸,x指非保 守氨基酸,Y指酪氨酸)。大多数情况下,PPxY序列中末位酪氨酸磷酸化与否可影响其与 ww结构域的亲和能力,起到ww—PPxY偶联的作用。如在B一肌营养不良蛋白聚糖中, PPxY基序中的酪氨酸磷酸化可以阻断其与杜兴肌营养障抗肌萎缩蛋白的ww结构域相结 合¨I 。I型是ww结构域中最大的一个类群,而且在一系列的信号转导相关蛋白中广泛存 *资助项目:863项目(2013AA102507);国家自然科学基金项目(31072088);高校基本科研业务费 重大培育项目(XDJK2013A001)。 作者简介:孟通讯作者:鲁N ̄(1984--),男,博士研究生。研究方向:特种动物科学。E-mail:linxi_mengg@163.com 成(1957一),男,博士,教授,博士生导师。E-mait:lucheng@swu.edu.cn 3期 孟 刚等:ww结构域及相关蛋白在肿瘤发生中的作用 11 在,如YAP(YES—associated protein)、SAV、Wats、ITCH和WWOX(ww—domain—containing oxidoreductase)等。Ⅱ型特异性结合序列为PPPLPp的蛋白基序。Ⅲ型特异性结合多聚精氨 酸/脯氨酸残基(PR motif)的蛋白基序,该型又可进一步分为两个的亚型,其一识别(p/f) P(p/g)PPpR位点,如FE65中的Ww结构域;其二识别(P/f)PP(R/K)gpPp位点,如FBP21 中的ww结构域。Ⅳ型与磷酸化丝氨酸或苏氨酸位点前的脯氨酸残基结合,其识别序列为 (poS/poT)P的蛋白基序。V型ww结构域识别并结合序列为(p/f)PPPPP的多聚脯氨酸序 列,这段序列的第一位须为疏水性氨基酸残基。 Position 图1 WW结构域的隐马科夫模型(Hidden Markov Model,HMM) 表1 WW结构域的分类 注:L:亮氨酸,S:丝氨酸,T:苏氨酸,po:磷酸化残基,小写字母表不半保守性氨基酸残基。 ww结构域形成的三级结构由三支反向平行的B折叠片构成,分别由16~22,26~32和 35~39位上的氨基酸残基组成,两个保守性的色氨酸残基在三级结构中处于相对的位置,这 也是目前所知在没有辅因子和二硫键等维持下形成的最小最致密的蛋白球状结构l_】 。在 ww结构域三级结构中,氨基端形成的钩型结构由氨基端的色氨酸残基和高度保守的亮氨酸 脯氨酸基序互作来维持口卜¨]。富含脯氨酸残基的蛋白基序(PPxY)通常借助该基序中两个 保守的脯氨酸残基和wW结构域中的两个氨基酸残基相互作用而被结合到其疏水表面,其一 是羰基末端的色氨酸残基,位于三级结构上的第三个p折叠片上,另一个通常是位于第二p折 叠片上的具较高保守性的酪氨酸或苯丙氨酸残基。 不同类型的ww结构域均可折叠形成极为相似的三级结构,但它们可以和多种不同的配 体相结合。此外ww结构域常在一个蛋白质中存在多个并串联分布,如E3泛素连接酶 ITCH含有四个ww结构域,YAP蛋白含有两个ww结构域。串联排布的ww结构域使得 由其参与构成的蛋白可以利用各ww结构域与多种靶标结合,进而构成蛋白复合体或复杂的 蛋白网络,因此ww结构域在蛋白间偶联以致参与形成复杂的网络和生理生化路径 过程中起到了桥梁的作用l1 。 蚕学通讯 2 ww结构域与肿瘤发生 含有ww结构域的蛋白参与了多种信号通路,通过与目的基序的偶联作用参与对靶标蛋 白的时空表达、亚细胞定位和蛋白稳定性等多方面的。因此,由ww结构域参与构成的 蛋白其细胞学水平上的变化可能对细胞生长和凋亡、肿瘤和癌症发生等产生显著影响。大量 研究表明,wW结构域相关蛋白的基因变异和功能缺陷,包括基因缺失(如wwOX)和转录后 修饰(如YAP和ITcH)等,均与肿瘤和癌症密切相关。 2.1 WWOX 人类wWOX(WW domain—containing oxidoreductase)基因位于染色体16q23.3~24.1 区段上,跨越FRA16D脆性位点,长约1.1Mbp,其开放阅读框(open reading frame,ORF)包 含9个外显子,编码414个氨基酸,wwOX蛋白含有一个SDR结构域(central short—chain dehydrogenase/reductase)和两个ww结构域(ww1位于18~47,ww2位于59~88肽段 上)Elr]。Ww1属I型ww结构域,含有两个色氨酸残基,特异识别并结合PPxY基序,ww2 结构域中的第二位色氨酸残基被酪氨酸取代,WWOX通过ww结构域可与p53、Bmil、sur— vivin、p73、Ap2 ̄/7、c—Jun、ErbB4、Runx2等相互作用而发挥凋亡作用。 wwOx表达下调或缺乏可导致肿瘤和癌症的形成,因此wwOx是一种肿瘤抑制因子 (tumor suppressor)。研究发现在多种器官包括胸腺、卵巢、前列腺、胃、造血细胞、食管、肝脏、 肺以及膀胱等的癌细胞中WWOX表达异常,如在多种消化道肿瘤中发现WWOX mRNA表 达低下或缺失,WWOX蛋白丰度处于低水平口 。体内研究发现,在原本低水平表达WWOX 的癌细胞中上调WWOX水平可抑制细胞生长和肿瘤发生__1 ;靶向敲除小鼠WWOX基因 (WWOX-√)可诱导自发形成骨肉瘤,此外,同野生型(WWOX+√。。)小鼠相比,杂合型 (WWOX-√)小鼠即便在存在单倍剂量WWOX时罹患肺癌和乳腺癌的机率显著较高,表明 wwOx表达水平的下调确实与癌症发生有关,而且杂合型(wwOX 一)小鼠在用ethyl ni— trosourea(ENU)处理后易患肺癌和淋巴瘤,NMBA处理后也易患贲门窦_2 。这些研究证实 WWOX表达的缺乏或低水平与肿瘤形成存在密切联系,而过表达WwOX可诱导细胞凋亡, 起到抑制肿瘤的作用。 WWOX通过ww结构域与靶基因PPxY基序相偶联,发挥其对靶基因亚细胞定位和活 性水平等,参与一系列涉及骨骼与生殖细胞形成、细胞生长与凋亡、转录以及抑制肿瘤发 生等的多种信号通路。此外,WWOX还与其它含有Ww结构域的蛋白竞争结合靶标蛋白,研 究发现WWOX可和YAP竞争结合ErbB4 ICD,起到抑制YAP诱导的ICD活化l_2lj;WWOX 通过抑制DVL蛋白进入细胞核而起到Wnt一8一catenin信号通路l_2 ;WWOX还在典 型NF—JcB通路(canonical NF—Kb pathway)和滤过性病毒肿瘤(vital tumorigenesis)发生中起 到重要作用,Fu等 研究发现wwoX可阻遏由Tax诱导的IKK 在RelA蛋白上的募集而 使RelA的serine536残基不能被磷酸化,起到抑制Tax诱导典型NF—fcB通路活化的作用, WWOX蛋白上位于ww1上的Tyrosine33残基点突变可使其失去该阻遏作用,结果诱发由 Tax参与导致的肿瘤形成。 WWOX在肿瘤发生各事件中扮演了重要角色,WWOX在多种靶蛋白功能时均需要 ww结构域的参与,深入解析WWOX在肿瘤和癌症发生中的功能和机制需要进一步发现和 研究与wwOX具有相互作用的蛋白,而基于ww结构域介导的蛋白互作和形成的网络 3期 孟刚等:ww结构域及相关蛋白在肿瘤发生中的作用 13 将为此提供有利的理论基础和操作手段。 2.2 YAP YAP(Yes—associated protein)是Hippo通路最主要的末端效应因子,哺乳动物含有一个 yap基因座位,由选择性剪切最终翻译形成两种多肽链YAP1和YAP2,两者均能参与Hippo 信号通路,YAP1含有一个ww结构域,YAP2含有两个ww结构域,均属于I型ww结构 域,特异识别和结合PPxY基序,通常情况下YAP2是主要的转录形式,YAP1仅在某些特殊 条件或组织中存在,组织内YAP2相较YAP1具有更高的核内转录辅助激活能力[e4-25]。果 蝇与之同源的基因为yorkie(yki),Yki蛋白也含有两个保守的ww结构域,不过果蝇Yki蛋 白羰基端不含YAP具有的PDZ结构域 。YAP和Yki均含有多个磷酸化位点,前者包括 Ser61、Serl09、Serl11、Serl64、Serl27、Ser250、Ser381,后者包括Serl68、Serl11和Ser250等 位点,YAP中Serl27(Yki中相应位点为Serl68)是接受Lats磷酸化的关键位点,磷酸化后的 YAP蛋白一方面可和14—3—3蛋白偶联而滞留于细胞质中,另一方面也可进入G—TRCP E3 泛素连接酶介导的蛋白酶体降解途径而降解,起到抑制YAP进入细胞核发挥转录辅激活的 作用 。研究表明YAP在肿瘤发生中发挥了至关重要的作用,是一种癌基因(oncogene)。 在多种癌细胞中发现YAP总蛋白水平及在细胞核内的积累上调;在小鼠肝脏中转入并过表 达S127A点突变的YAP可促使肝脏过度生长并肿瘤化(hepatic carcinoma,HCC)E283;在乳 腺皮层细胞MCF10A中过表达YAP蛋白可诱发皮层细胞一间质细胞的转化(EMT),抑制细 胞凋亡,促使组织增生并向肿瘤化发展[2 。YAP水平上调与癌症发生相关,同时研究发现 YAP也具有抑制肿瘤发生的作用(tumor—suppress protein),在染色体1lq22 ̄23位点缺失的 偶发性乳腺癌中可观察到YAP蛋白表达水平下调或缺失;在裸鼠乳腺细胞系中敲除YAP基 因可诱导细胞癌化 。 ww结构域在Yki和YAP发挥功能的过程中起到重要作用。果蝇中的研究发现,抑制 Yki核内转录辅助激活作用,除通过Hippo磷酸级联反应中的Wts使Yki相应位点磷酸化使 其滞留于细胞质这一途径外,Ex、Wts或Hpo还可通过PPxY基序与Yki ww结构域直接结 合而调节Yki亚细胞定位,起到抑制Yki核内活性的作用l3 跎 。Yki在细胞核内与其他转录 因子结合,发挥核内转录作用也需要ww结构域的参与,研究发现SMADs、p73、 TTF一1以及Pax3等与Yki/Yap/Taz等相互作用均(部分程度上)依赖于两者分别具备的 PPxY基序和ww结构域 。 ,此外,Oh H.等发现利用Gal4一DNA结合结构域构建的融合 蛋白中,Yki与报告基因的启动子结合需要ww结构域的参与。这些结果表明,Yki在细胞核 内募集其他转录因子启动对下游靶基因转录时可能存在一种依赖ww结构域一 PPxY基序偶联的机制,在哺乳类YAP参与转录的过程中也获得与此类似的结果。Yki ww结构域在细胞质中起到抑制Yki活性而在细胞核中又起着促进转录辅作用,表明具 有PPxY基序的蛋白可能竞争与Yki结合并参与对后者的。 ww结构域在高等动物YAP中发挥的作用可能更为复杂和多样化。研究发现 YAP面对不同的偶联蛋白和靶基因以及处于不同细胞环境中发挥功能时,是否需要ww结 构域参存在选择性,而且该结构域在相应条件下所起到的作用也存在差异,如在NIH3T3细 胞转化过程中需要wW结构域参与,而在胸腺表皮细胞中,缺乏ww结构域的YAP蛋白相 较正常型具有更高的促进细胞转化的能力,表明YAP ww结构域在该类型细胞中对其活性 起到抑制作用 ;此外,研究还发现哺乳动物中LATs1与YAP的互作关系依赖于YAP 引。 ww结构域与LATS1 PPxY基序之间的偶联作用 3期 孟 刚等:ww结构域及相关蛋白在肿瘤发生中的作用 15 近年来越来越多的研究证实,Hippo通路参与了多种肿瘤及癌症的形成。在果蝇和高等 动物中均发现,Hippo通路中任一组分的功能缺陷均能诱发组织过度生长(overgrowth)和肿 瘤化(tumorigenesis)。Zhang Xi等发现小鼠Savl(homolog to Sav)或MST1/2(homolog to Hippo)缺失可导致肝脏急剧过度生长,进而形成肿瘤;果蝇SAV(Salvador)功能缺失可导致 组织过度生长,在SAV缺陷型细胞中可观察到Cyclin E和DIAP1水平的升高,同时细胞周期 退出延缓,细胞凋亡也受到一定程度的损伤 。 多项研究结果表明癌症中Hippo通路核心组分和YAP表达水平存在下调现象。肉瘤、 星状细胞瘤及乳腺癌中因LATS1/2基因启动子超甲基化使其mRNA水平下调,在成髓细胞 瘤中其蛋白活性降低l_3 ;人类黑色素瘤和鼠源乳腺癌细胞系中,MOB1基因存在突变 。]; 。在小鼠中经遗传学研究 MOB1基因mRNA水平在人源结肠癌和非小细胞肺癌中下调_4 证实MST1/2是一种肿瘤抑制因子,Mstl/Mst2 一基因杂合型小鼠因Mst2表达水平下调 使其易于罹患肝癌(HCC),且在肝脏中同时敲除Mstl和Mst2基因可诱发重症肝癌[4 ,研 究还发现人类肝癌细胞中的MST1/2活性降低l4 。此外,在癌症中,除Hippo核心组件活性 水平降低,该通路上游和下游的因子活性水平也存在同样的下调现象,如在多种癌症中均 可观察到上游因子NF2和FAT4存在突变或缺失 。 由ww结构域与富含脯氨酸的基序(PRM)介导蛋白一蛋白结合在许多生化途径中均有 发现,而这一现象在Hippo信号通路中尤为普遍,ww结构域和PPxY基序在Hippo通路核 心组分及其上下游因子中均广泛存在(表2),ww PPxY偶联作用为Hippo通路各组分 在细胞内发挥各作用和互作构建复杂网络提供基础。 表2 Hippo通路中含有WW结构域和PPxY基序的蛋白 注:①PPxF基序在体外实验中可以同ww结构域结合,但其在体内是否也具备同样功能尚未见报道; ②哺乳动物含有四个与果蝇Fat同源的基因FAT1,FAT2,FAT3和FAT4。FAT1含有两个PPxY基序, FAT4含有四个PPxY基序,FAT3和FAT4则无PPxY基序。 Hippo信号通路中广泛分布的ww结构域有助于深入解析该通路的分子机制,辅助预测 新的信号通路组件和鉴定其他参与该通路的蛋白质组分。基于此,Zaidoun Salah等利用 免疫共沉淀等技术鉴定了几个新的可与I ATS1相结合且含有ww结构域的蛋白,其中 ITCH通过其含有的ww结构域与LATS1的PPxY基序结合,进而促使后者泛素化并进入 蛋白酶体降解途径,而且ITCH介导的LATS1降解途径与促进细胞生长,诱导表皮间质细胞 转变和促进肿瘤发生等方面存在紧密联系l4 。基于ww结构域介导蛋白相互作用将有助于 蚕学通 讯 详尽了解Hippo信号转导通路的作用机制,阐明该通路在肿瘤发生和癌症中的作用,为实现 人为该信号通路、癌症诊断、治疗和药物开发提供理论基础和新的靶标。 3 WW结构域与其它疾病 含有ww结构域的蛋白还与其他多种疾病有关,目前已获研究和证实的包括李德尔(氏) 综合征 、Rett综合征 、阿耳茨海默(氏)症l5 、亨延顿(氏)舞蹈病 以及肌营养不良 症[5 等。在李德尔(氏)综合征中,由于上皮中一种钠离子通道l3和 亚基中的PPxY基序变 异,使得该蛋白不能被E3泛素蛋白连接酶NEDD4正常降解,引起体内钠盐离子水平失衡,导 致血压过高等病征;Rett综合症是由甲基CpG结合蛋白2(MeCP2)功能缺失引起的神经紊乱 性疾病,该蛋白的变异导致其不能与FBP11 ww结构域结合,结果在雄性个体中导致精神发 育迟缓;阿耳茨海默(氏)病是与TAU蛋白的过度磷酸化有关,该蛋白因一个丝氨酸或苏氨酸 残基的磷酸化使其形成了可与脯氨酸异构酶PIN1 ww结构域结合的冗余位点,结果在AD 病人神经元中引起神经纤维紊乱(neurofibrillary tangles,NFTs),此外还有研究表明AD病 人中WWOX水平下调也与TAU蛋白的过磷酸化有关[5 j;肌营养不良症的形成是由维系肌 细胞及其周边细胞组织的(肌)营养不良蛋白糖蛋白复合体功能缺陷导致的,研究认为J3一肌营 养不良蛋白聚糖的羰基末端PPxY基序是肌营养不良蛋白ww结构域的锚定位点。 4结论与展望 ww结构域及其参与构成的蛋白互作网络在调节细胞内稳态、应答外源信号以及病 理发生等多种生理生化途径中起到了重要作用。通常情况下,含有ww结构域的蛋白不会独 立的发挥作用,它们往往是多种蛋白共同参与形成复合体,进而与一系列的通路相整合, 从而在细胞生长、信号转导和中发挥不同的作用,而且这些复合体和信号通路往往表现出 组织和细胞的特异性。由于ww结构域和基于该结构域的偶联配体在许多疾病和癌症中起 到了重要作用,因此鉴定和分析更多的含有ww结构域的蛋白和配体,以及由其参与形成的 复合体或信号通路,对疾病研究、控制和药物开发等具有重要作用。另一方面,由于ww结构 域及其偶联配体(通常是PPxY保守基序)长度都相对较短(分别为约40个和5个氨基酸残 基),因此使用基因疗法和小分子药物治疗由ww结构域(或其偶联配体)功能缺陷引起的疾 病成为可能,有报道称抗肿瘤药物cardiac glycolside digitoxin和etoposide phosphate等与 wW结构域或I型ww结构域具有极高的亲和能力。 尽管WW结构域可能是一个重要的疾病潜在治疗位点,但是考虑到含有wW结构域的 不同蛋白在功能上存在巨大差异,即便同一蛋白在不同细胞或不同组织类型中均可能表现 不同的功能,此外,串联排布在同一蛋白上的ww结构域在面对不同配体时也可能存在不同 的特异性,因而在实际操作上需要谨慎和综合考虑各方面因素。因此,深入研究和分析ww 结构域特异性与靶位点结合的动力学原理以及其他作用因子的参与机制,可为今后设计币Il发 现涉及ww结构域的治疗方针和药物开发提供重要理论基础。 参 考 文 献 [1]Sudol M.Structure and function of the ww domain[Jj.Prog Biophys Mol Biol,1996,65(1 2):1 1 3…32. 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Key words WW domain WWOX ITCH Hippo signal pathway tumorigenesis 

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