凋亡蛋白Omi/HtrA2和 Survivin與腫瘤的研究進展

河北工程大學附屬醫院(邯鄲 056029)張方林 趙延敏 喬廣兵 薛 亮 郝占平 綜述 張愛莉 審校

細胞凋亡是一種由基因調控的高度保守的細胞主動死亡過程,在多細胞有機體的生長發育,維持組織同源性等過程起重要作用。腫瘤的發生與凋亡過程的紊亂有著密切的關系。細胞凋亡是細胞由于降解酶的作用,降解酶主要是水解酶,如蛋白酶與核酸酶作用,在近乎正常的細胞質膜內趨向死亡,這與壞死時細胞質膜早期破壞不同[1]。這種死亡方式不會導致溶酶體及細胞膜破裂,沒有細胞內涵物的外泄,不會引起炎癥反應和次級損傷,表現出一些共同特征,如形態學改變,包括膜小泡形成,細胞皺縮,凋亡小體形成 ,生物化學特性改變 ,如胞膜內磷脂酰絲氨酸外翻,DN A片段化,細胞骨架解離,細胞內功能蛋白降解等[2]。凋亡是一個生理性的細胞自我毀滅過程,在胚胎發育,生物體內環境的穩定及多細胞生物防御外在及內在傷害等方面均起著重要的作用。凋亡過程的紊亂,可能與許多疾病的發生有直接或間接的關系,如腫瘤,自身免疫病,神經退行性病變及局部損傷等[3]。凋亡與腫瘤的關系:細胞凋亡受抑,將導致細胞生存期延長,有利于轉化突變的細胞生長積聚,最終可致腫瘤的產生。細胞凋亡過程受到各種促凋亡蛋白和抑制凋亡蛋白的調節,Omi/HtrA2與 Survivin便是其中重要的組成部分。線粒體促凋亡因子Omi/HtrA2是新近發現的一種存在線粒體膜間腔的絲氨酸蛋白酶,參與細胞凋亡的下游反應。研究表明 Omi/HtrA2主要通過抑制凋亡抑制蛋白(Inhibitor of apotosis protein,IAP)家族蛋白發揮作用 ,而 Survivin蛋白是IAP家族中分子量最小的成員,但其作用也是最強的,它在正常組織中不表達,或者表達很少,但其廣泛存在于胚胎組織和腫瘤組織中,與腫瘤的發生發展轉移和預后有著密切關系,本文就 Omi/HtrA2與 Survivin與腫瘤的關系作一綜述。

1 Omi/HtrA2和 Survivin的結構和生物學功能

1.1 Omi/HtrA2的結構:Omi/HtrA2由 458個氨基酸殘基組成,相對分子質量 51kD,編碼基因位于染色體 2q13(或2p12),含有 8個外顯子,轉錄生成 2.1kb和 4.5kb兩種不同的mRN A,但以前者為主[4]。 Omi/Htr A2分子中除絲氨酸蛋白酶序列 (GN SGG,甘-天冬酰胺-絲-甘-甘氨酸)外還存在多個結構域 和基 序 ,主 要有 氨 基端 PPPASPR(脯 -脯 -脯 -丙 -絲-脯 -精 氨酸)序列構成的 SH3結合結構域,羧基端 365～ 455位氨基酸殘基構成的 PDZ結構域,以及 182～ 330位氨基酸殘基構成的胰蛋白酶樣(Trypsin-like)催化結構域(組氨酸殘基 His198、天門冬氨酸殘基 Asp228和絲氨酸殘基 Ser306組成的催化三聯體)[5]。 PDZ結構域最初是在 PSD-9、Dlg和 ZO-1中發現并命名,它能夠識別膜受體和離子通道 C-末端的疏水序列,參與蛋白質之間相互作用。實際上,Faccio等就是在研究由 PDZ介導的Omi/HtrA2與細胞蛋白質Mxi2相互作用的基礎上才鑒定出Omi的。 Omi/HtrA2前 60位氨基酸序列中含有線粒體定向序列 (Mito-chondrial targeting sequence,M TS)[6],也稱為線粒體定位信號(Mito-chondrial localization signal,M LS),具有引導Omi/HtrA2進入線粒體的作用(van Gurp等.2003)。另外,在105～ 123位氨基酸殘基之間可能還存在一個跨膜區(the transmembrane segment,TM)。

1.2 Survivin的結構:Survivin基因定位于染色體的17q25,4個外顯子和 3個內含子,長度為15kb。在 Survivin的啟動區 5'端有 T ATA序列、2個 AP2位點、3個 N F-KB位點和 1個 Sp1位點,還有許多細胞周期依賴元件 (Cell cycledepenent elements,CDEs)和一個細胞周期基因同源區 (Cell cycle gene homology region,CHR)。 -51區的 CHR和-57區的 CDE對細胞周期的調控很重要。 CDE/CHR和增強因子的突變可能使 TIAP/m-Survivin的表達紊亂,影響細胞的生存和導致腫瘤的發生[7]。 Survivin蛋白是 IAP家族中最小的成員,結構相對簡單,相對分子質量只有 16500,由 142個氨基酸殘基構成。Survivin蛋白只包含兩個特定的結構:N端BIR(Baculovirus IAP repeat桿狀病毒群抗細胞凋亡重復序列)單拷貝、C端疏水α螺旋。而不包含 IAP家族其他成員所具有的環指結構(Ring Finger),該結構具有蛋白泛肽化降解信號的作用[8]。

1.3 Omi/HtrA2的生物學功能:Caspase依賴性凋亡是指在某些刺激因素的作用下,細胞中的 caspases家族成員序列激活,最終引起細胞凋亡發生的過程。van LooG[9]等觀察到成熟Omi/HtrA2分子中的前四位氨基酸殘基AV PS(或 AV PA)形成的四肽結構域(即 Reaper結構域),可以與XIAP分子中第 3個 BIR基序相互作用(BIR3-XIAP),據此推測Omi/HtrA2通過破壞 caspase 9和 BIR3-XIAP之間的相互作用,解除 XIAP對caspase9的抑制,導致下游caspases活化促進凋亡的發生,即Omi/HtrA2通過增強caspase活性參與線粒體凋亡途徑發揮致凋亡作用。另外 Suzuki等[10]認為 Omi/HtrA2-XIAP相互作用也可以發生在BIR2基序。V erhagen等[11]觀察到Omi/HtrA2拮抗了 XIAP抑制 caspase活化的效應,而且其與 BIR-3結構域相互作用的能力強于 BIR-2結構域 ,因此對于 Omi/Htr A2而言,破壞 IAP-caspase 3、7相互作用強于破壞 IAP-caspase 9相互作用。

Omi/HtrA2除了通過促進caspase活化參與細胞凋亡過程外,還可以直接利用其蛋白酶活性發揮促凋亡作用。

1.4 Survivin的生物學功能:Survivin可能與 Caspase-9結合從而抑制其活性[12]。Survivin可與輔助性線粒體源性Caspase激活因子(Second mitochondria-derived activator of caspase,Omi/HtrA2)結合,Omi/HtrA2是一種通過結合 IAP而保護 Caspase活性的蛋白[13],Survivin與 Omi/HtrA2結合并對抗之進而抑制Caspase活性。通過這種方式,Survivin還可保護其他 IAP家族成員如 XIAP免受 Omi/HtrA2抑制而維持它們的功能。

Survivin也參與血管生成和管腔形成的關鍵因子,Papapetropoulos等研究了培養的毛細血管內皮細胞,發現Ang21主要通過 PI3/Aak機制使內皮細胞 Survivin表達上調,認為 Ang21通過作用于關鍵的生存信使 Akt和上調 Survivinr的表達阻止內皮細胞凋亡,Survivinr是一個新Ang21作用的靶基因。

2 Omi/HtrA2、 Survivin與腫瘤

2.1 Omi/HtrA2與腫瘤:細胞凋亡在惡性腫瘤發生發展中具有重要作用,凋亡調控機制的失常對腫瘤的生長浸潤和轉移等生物學機制有重要影響。絲氨酸蛋白酶Omi/HtrA2是最近才發現的線粒體促凋亡因子,在腫瘤發生發展中的作用剛剛認識到。

徐宗全[14]等發現Omi/HtrA2在肝癌組織中表達與癌旁組織和正常肝組織中的表達相比有顯著差異。Omi/HtrA2的表達與肝癌分化程度相關,另外,Omi/HtrA2蛋白的表達與腫瘤大小和臨床分期相關 ,與有無肝硬化 HBsAg、有無癌栓和 AFP無關,在腫瘤＞5cm分化越差。臨床晚期肝癌組織中 Omi/HtrA2表達減少,而且強度減弱,而在腫瘤 ＜5cm,腫瘤分化高和臨床早期肝癌組織中 Omi/HtrA2表達增多而且強度增加。陳沛等[15]研究用 RT-PCR和免疫組織化學方法檢測發現喉癌組織也有Omi/HtrA2基因與蛋白的高表達,在良性增生性疾病聲帶息肉組織中也有表達,但在正常粘膜組織中無表達或表達極弱。Omi/Htr A2基因與蛋白在喉癌組織的表達均較癌旁正常組織與聲帶息肉間的差異有顯著性,在不同病理分化程度的喉癌中表達水平不同。

2.2 Survivin在腫瘤中的表達:Survivin廣泛表達人類腫瘤細胞,Saitoh等研究的 42例子宮頸癌 Survivin的表達率為100%,在非小細胞肺癌中表達率約 85%,在結腸癌的陽性率為53%,在乳腺癌約 70%存在 Survivin表達,黑色素瘤中 Survivin表達率約為93%,膀胱癌Survivin的陽性率也達到了87%,在這些腫瘤的正常組織及細胞間質不表達。Survivin在腫瘤的廣泛表達 ,提示 Survivin與腫瘤關系密切。在 Sui等[16]研究的 103例上皮性卵巢腫瘤中提示 Survivin在上皮性卵巢腫瘤的發生、發展中起關鍵作用。 Kappler等[17]對 63例軟組織肉瘤(STS)患者的 Survivin水平進行檢測 ,與正常對照組比較發現:Survivin的過度表達與腫瘤的預后不良存在密切聯系。以上研究提示,Survivin參與腫瘤的發生發展、與預后密切相關,是其診斷預后的重要參考指標

3 Omi/HtrA2蛋白及 Survivin蛋白在惡性腫瘤的治療

胡曉勇等[18]構建Omi/HtrA2的表達載體和 siRN A載體,并用脂質體法分別將兩載體轉染至 pc-3細胞中,發現 Omi/HtrA2可通過抑制抗凋亡蛋白 PED/PEA-15表達而在pc-3細胞凋亡中發揮重要作用。由于 PED/PEA-15為單基因而 IAPS是多基因組成的家族,故若能應用SIRN A方法建立PED/PEA-15基因表達缺失的pc-3細胞系,并通過基因轉染高表達 Omi/HtrA2,有望進一步放大 Omi/HtrA2促前列腺癌細胞凋亡效應,并為前列腺癌的基因治療提供新的思路。

由于 Survivin蛋白表達于幾乎所有人類常見腫瘤組織,以及 Survivin蛋白抑制細胞凋亡的功能活性在腫瘤的發生、發展中起關鍵性作用,Survivin蛋白已經成為倍受關注的抗腫瘤治療的新靶點。由于 Survivin蛋白僅特異性地表達于腫瘤組織,在正常成人組織幾乎不表達,使得應用 Survivin蛋白特異性抗體免疫治療以及反義 Survivin基因治療具有良好的靶向性、特異性及安全性。隨著 Omi/HtrA2類似物 HtrA2/Omi以及特異性拮抗 XIAP的蛋白X AF-1的發現,IAP的抑制劑正成為腫瘤治療的藥物開發新趨勢。

4 Omi/HtrA2與 Survivin的研究展望

細胞凋亡是維持機體內穩定的重要機制,對凋亡機制的深入研究與探討無論是對臨床還是基礎研究都有十分重要的意義。Omi/HtrA2是哺乳動物體內一種重要的線粒體絲氨酸蛋白酶,在蛋白質修復和細胞凋亡中有重要作用,迄今為止相關分子機制被研究清楚的還很有限,特別是它在生理、病理過程中的調控機制還未深入涉及,但是隨著研究步伐的加快,對Omi/HtrA2的認識也將更為全面。另外,隨著特異性阻斷劑的出現和應用,下一步應該加大對 Omi/HtrA2與相關疾病關系的研究力度,Omi/HtrA2和 Survivin在腫瘤方面表達是否相關,尚需要進一步研究。這將為臨床針對特定靶點治療有關疾病提供一定依據。

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