腫瘤壞死因子超家族成員分子結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展

熊 娟(綜述)，徐笑紅(審校)

(浙江省腫瘤醫(yī)院檢驗(yàn)科，杭州310022)

細(xì)胞內(nèi)外配體和受體的相互作用是多細(xì)胞生物維持生存和調(diào)控功能的基礎(chǔ)，腫瘤壞死因子超家族成員(tumor necrosis factor superfamily，TNFSF)和其膜受體(tumor necrosis factor receptor，TNF-R)的相互作用是該調(diào)控途徑中一個(gè)典范，不僅與機(jī)體免疫系統(tǒng)的功能及組織高度相關(guān)，且可能與一些獲得性的免疫缺陷病及遺傳基因病的病因?qū)W有關(guān)。體內(nèi)有多種免疫活性因子(干擾素、白細(xì)胞介素等)即通過(guò)激活上調(diào)TNF-R以達(dá)到清除腫瘤細(xì)胞、減輕炎癥效應(yīng)、促進(jìn)細(xì)胞凋亡的目的。它們發(fā)揮的生物學(xué)功能是復(fù)雜的，但兩者均存在相似的結(jié)構(gòu)，且相互作用位點(diǎn)是高度保守的，對(duì)其結(jié)構(gòu)的深入了解有利于對(duì)其功能進(jìn)行研究。

1 TNFSF

TNFSF的配體是由18個(gè)基因編碼的Ⅱ型跨膜蛋白，具有共同的同源結(jié)構(gòu)域(TNF homeodomains，THD)，位于羧基端，即胞外端。盡管TNF的大多數(shù)配體都是膜結(jié)合蛋白，但可溶性是其發(fā)揮其功能的必要條件，體內(nèi)某些可溶性配體可被限制性蛋白水解酶水解，如金屬蛋白酶作用于TNF和人核因子κB受體活化因子配基(receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand，RANK)［1，2］，基質(zhì)溶解因子作用于FasL［3］，枯草桿菌蛋白酶家族成員能作用于TNF的某些成員，如人可溶性B淋巴細(xì)胞刺激因子(B-cell activating factor，BAFF)、纖維連接蛋白(extradomain A，EDA)、人腫瘤壞死因子相關(guān)弱凋亡誘導(dǎo)因子(tumour necrosis factor related weak inducer of apoptosis，TWEAK)和增殖誘導(dǎo)配體(a proliferation-inducing ligand，APRIL)［4，5］。相反，一些膜結(jié)合配體的脫離會(huì)抑制其功能，如FasL遇到蛋白水解酶水解后，其細(xì)胞毒活性會(huì)大大減弱［6］;淋巴毒素(lymphotoxin，LT)的氨基端能模擬信號(hào)肽結(jié)構(gòu)，使其順利轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄问剑蔐T很少以膜結(jié)合蛋白的形式存在，除了其與LTβ結(jié)合成LT1β2二聚體。Zhang 等［7］研究發(fā)現(xiàn)，TNF相關(guān)的凋亡誘導(dǎo)配體(TNF-related apoptosis-inducing ligand，TRAIL)被半胱氨酸蛋白酶水解后，由于水解產(chǎn)生的可溶片段太小，反而難以維持其功能的發(fā)揮。

研究發(fā)現(xiàn)，參與TNF家族調(diào)節(jié)免疫和炎癥的配體反應(yīng)在幾個(gè)水平，其中LT、LTβ對(duì)次級(jí)淋巴器官的形態(tài)發(fā)生提供了重要的信號(hào)［8］，而B(niǎo)淋巴細(xì)胞有關(guān)的因子，如BAFF和CD40L可能參與免疫前體細(xì)胞的修飾和激活［9］，另外促凋亡相關(guān)基因的TNF家族配體(如FasL及TRAIL)可通過(guò)激活誘導(dǎo)細(xì)胞死亡發(fā)揮其細(xì)胞毒作用，并參與淋巴系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡［10］。此外，有研究表明有些配體在調(diào)節(jié)上皮細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和破骨細(xì)胞的成熟和分化中發(fā)揮重要的作用［11］。除了參與免疫調(diào)節(jié)，TNF家族成員與獲得性或遺傳性缺陷疾病也相關(guān)，在一些獲得性免疫反應(yīng)中，如敗血癥性休克或類(lèi)風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者體內(nèi)往往過(guò)表達(dá)一些TNF 家族［9］。

2 TNF家族配體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

THD是一個(gè)長(zhǎng)約150個(gè)氨基酸的序列，包含芳香族和疏水性殘基的保守骨架。不同TNF家族配體結(jié)構(gòu)中的THD有著幾乎完全相同的空間折疊構(gòu)型，且與三聚蛋白形成密切相關(guān)。THD包含兩個(gè)β–片層，每個(gè)β–片層由五個(gè)反向平行5個(gè)β折疊股構(gòu)成。內(nèi)層為A'、A、H、C和F折疊股，這一構(gòu)型與三聚體形成密切相關(guān);外層為E、D、G、B和B'結(jié)構(gòu)域。三聚體中，每一個(gè)亞基的一個(gè)邊緣(鏈E和F)與相鄰的亞基的彼此相對(duì)，形成大的疏水界面，從而達(dá)到非常穩(wěn)定的相互作用［12］。近年來(lái)，研究發(fā)現(xiàn)多數(shù)TNF家族配體均利用一個(gè)二硫鍵將CD和EF環(huán)鏈接在一起，在TRAIL中，EF環(huán)中可能存在一個(gè)單獨(dú)的半胱氨酸殘基(Cys230)參與協(xié)調(diào)鋅離子，這種金屬結(jié)合位點(diǎn)在腫瘤壞死因子家族中是唯一的，不僅對(duì)TRAIL穩(wěn)定性和生物活性有重要影響，也有助于單體之間的相互配位［13］。Hao等［14］也贊同此觀點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的結(jié)構(gòu)配對(duì)，尤其是不完全的鋅離子對(duì)位，局部氧化，和錯(cuò)誤的二硫鍵鏈接在促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡的同時(shí)可能造成嚴(yán)重的肝臟毒性。

3 TNF-R

在人類(lèi)中，迄今確定有29種TNF-R，其中大部分是I型(胞外N末端，細(xì)胞內(nèi)C端)跨膜蛋白，但也有例外，如B淋巴細(xì)胞成熟抗原(B cell maturation antigen，BCMA)、跨膜激活劑及鈣調(diào)親環(huán)素配體相互作用分子(transmembrane activator and calcium modulator and cyclophilin ligand interactor，TACI)，BAFFR 和X-連鎖性外胚層發(fā)育不良受體為Ⅲ型跨膜蛋白(缺乏一個(gè)信號(hào)多肽)，而凋亡誘導(dǎo)配體受體3(TNF-related apoptosis-inducing ligand receptor 3，TRAIL-R3)則被一個(gè)共價(jià)鍵錨定在C-末端糖脂上，骨保護(hù)素和死亡誘騙受體3缺乏膜相互作用域，因此可作為可溶性蛋白分泌出胞外，其中 CD27、CD30、CD40分子，TNF-R1和TNF-R2等可溶性受體釋放，F(xiàn)as則通過(guò)選擇性剪接編碼跨膜區(qū)的外顯子而產(chǎn)生，這些可溶性受體通過(guò)修飾釋放后是機(jī)體腫瘤細(xì)胞實(shí)現(xiàn)免疫逃逸的重要方式［15，16］。近年來(lái)許多研究認(rèn)為可溶性受體對(duì)其同源配體的激活作用中起著重要作用，Gileva等［17］在對(duì)TNFR類(lèi)似物相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)，即正痘病毒的細(xì)胞因子反應(yīng)修飾因子CrmB、CrmC和CrmD，這些病毒開(kāi)放閱讀框架編碼受體與腫瘤壞死因子存在相互作用，并可能干擾炎性反應(yīng)的發(fā)生。

4 腫瘤壞死因子受體家族結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

腫瘤壞死因子受體最具特征性結(jié)構(gòu)是其胞外域富含半胱氨酸的結(jié)構(gòu)域(cysteine-rich domains，CRDs)，通常載有6個(gè)半胱氨酸殘基參與形成三個(gè)二硫鍵。CRDs的數(shù)量在不同的受體有所不同，從1到4個(gè)不等。人的CD30的三個(gè)CRDs有部分重復(fù)，但小鼠CD30沒(méi)有。CRDs的重復(fù)和規(guī)則的排列在受體上形成一個(gè)拖長(zhǎng)的形狀，通過(guò)略有扭曲的二硫鍵而達(dá)到穩(wěn)定。TNF-R的序列比對(duì)存在困難，因?yàn)槭荏w間半胱氨酸殘基的間隔并不總是固定的。多數(shù)研究認(rèn)為T(mén)NF-R為單體，TNF-R1易形成頭對(duì)頭和頭對(duì)尾的二聚體，組織中Fas、TNF-R1和CD40分子在細(xì)胞膜中易形成低聚物，低聚物結(jié)構(gòu)的形成促使其插入外膜并形成通道，從而發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)，而單體形成往往沒(méi)有此功能［18］。

5 腫瘤壞死因子配體和受體的相互作用

1993年，Banner等［19］發(fā)表了開(kāi)創(chuàng)性的研究來(lái)解釋腫瘤壞死因子配體的一級(jí)結(jié)構(gòu)與其同源受體(TNF-R1)的結(jié)合。其中三個(gè)受體與三個(gè)配體組裝六組分的復(fù)合物，而單一的腫瘤壞死因子三聚體結(jié)合三個(gè)受體分子(圖1)。最近，TRAIL和TRAIL-R2之間更多高度相似的晶體結(jié)構(gòu)已被確認(rèn)，其3∶3的比例是其基本的信號(hào)單位［12］。事實(shí)上，幾何形狀的受體-配體復(fù)合物促使TRAF-2和TNF-R2及CD40分子信號(hào)的傳遞。最近確定的受體 BCMA、TACI、BAFFR和成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子誘導(dǎo)的早期反應(yīng)蛋白14參與TNF-R1及TRAIL-R2與其各自的配體的結(jié)合，這意味著不同的受體配體接口必須存在且三聚體的空間結(jié)構(gòu)對(duì)于這些配體受體復(fù)合物可能也是保守的［20］。

受體分子的結(jié)合位于界面間單體與單體間形成的溝槽中，大致與三聚體中C3對(duì)稱(chēng)軸向平行。構(gòu)象上的變化對(duì)復(fù)合體的形成影響相對(duì)較小，但很大程度上會(huì)影響受體與配體的接觸(CD and AA')［19］。在受體和配體之間主要有兩個(gè)接觸區(qū)域，第一個(gè)區(qū)域涉及第二個(gè)CRD的相應(yīng)殘基(A1加一半的B2)，兩個(gè)相鄰配體亞基的DE和AA'(見(jiàn)圖1)。這一區(qū)域載有相對(duì)保守的酪氨酸殘基(見(jiàn)于 TNF、FasL、TRAIL等)，這在受體與配體TNF、FasL和TRAIL的結(jié)合中是至關(guān)重要的。第二個(gè)區(qū)域，即第二個(gè)CRD剩下的殘基(另一半B2)，第三個(gè)CRD的A1(圖1)是TNF-R1與相鄰兩個(gè)配體結(jié)合的區(qū)域。

圖1 TNF受體與配體的相互作用

正如預(yù)期的那樣，在家族成員之間，受體和配體的接觸的位點(diǎn)是多種多樣的，同時(shí)受體和配體的相互作用也是不盡相同的。不同的配體可以結(jié)合同一受體(如TNF和腫瘤壞死因子配體都可結(jié)合TNF-R1)，另外，同一個(gè)配體可以結(jié)合不同的受體。

6 小結(jié)

在過(guò)去的幾年，越來(lái)越多的腫瘤壞死因子和腫瘤壞死因子受體家族成員被發(fā)現(xiàn)，這是基因工程結(jié)合生物信息學(xué)工具共同發(fā)展的一個(gè)直接后果。隨著基因組計(jì)劃的日趨完成，可以大膽地預(yù)測(cè)，這兩個(gè)家族的全部成員將被揭開(kāi)。它們都具有相對(duì)保守的分子結(jié)構(gòu)和模式化相互作用。受體的克隆表達(dá)種類(lèi)可能有意外的增加，因?yàn)樗鼈兊姆肿咏Y(jié)構(gòu)相比較其配體更加多樣，而腫瘤壞死因子與其受體的分子特征提供了它們生物學(xué)作用的一個(gè)基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)，這為它們與獲得性或遺傳相關(guān)疾病的相關(guān)性研究提供了物質(zhì)基礎(chǔ)［20］。

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