抗增殖蛋白的生物學作用及與線粒體氧化磷酸化的關系

方 雯，馮 紅

(天津體育學院健康與運動科學系 天津300381)

抗增殖蛋白的生物學作用及與線粒體氧化磷酸化的關系

方 雯，馮 紅*

(天津體育學院健康與運動科學系 天津300381)

抗增殖蛋白(又稱Prohibitin，PHB)是一種在進化上高度保守的蛋白，廣泛分布于細菌、酵母、果蠅、原蟲及哺乳類動物的多種生物細胞中。抗增殖蛋白具有功能多樣性，主要由核基因編碼，定位于線粒體內膜、細胞核、細胞膜和基質中。由于其在線粒體上的特殊定位、結構和功能，近年來在與線粒體功能相關的研究中開始逐漸成為新的熱點。針對抗增殖蛋白與線粒體的相關研究，系統闡述了抗增殖蛋白的生物學作用及其在線粒體氧化磷酸化過程中的重要作用。

抗增殖蛋白 線粒體 生物學作用 氧化磷酸化

1 PHB概述

PHB是在線粒體中普遍存在的，在進化上保守性很強的蛋白，并且被認為是抑制腫瘤非常有效的一種蛋白。1989年Meclung等首先從老鼠肝臟內克隆出哺乳動物的phb1基因。[1]真核生物線粒體PHB復合體由兩個高度相似的NOx亞基——PHB1和PHB2 (大約有50%～60%的氨基酸順序一致)組成。PHB1和PHB2的分子量分別是32,kD和37,kD，[3-4]聯合形成一個環形大分子結構約1,MD，[2]直徑大約為20～25,nm。這是在新桿狀線蟲和哺乳類動物中的酵母菌里，將PHB作為高分子量的復合體鑒定得出的結果。PHB1和PHB2是在結構上相互依賴的蛋白質復合體，消除任何一個都會導致完整的PHB復合體的缺失。PHB復合體位于線粒體的內膜空間上。而Mishra等[5]研究發現，PHB在B細胞內與IgM受體結合參與B細胞信號傳遞過程。PHB還是一種具有高度同源性的高度進化保守蛋白。[6]PHB基因包含PHB1和PHB2及4個假基因(6q25、llpll、lp31和2q21)。[7]PHB復合物結構主要以兩種形式出現：一種是以四聚體形式；另一種是由12～14對PHB1與PHB2一起組成的異源性二聚體[7](見圖1)。

研究表明，作為分子伴侶的PHB在細胞代謝、生長、衰老、凋亡以及肥胖、糖尿病、腫瘤等諸多方面發揮著極為重要的調控作用。[8-10]PHB在細胞、質膜[11]、脂滴[12]和脂筏前體以及多種動植物體內廣泛存在。[13]近年研究發現，PHB的功能不僅僅體現于細胞核內，PHB在大鼠、人等哺乳動物細胞的線粒體內膜上的作用機制也越來越受到學者們的重視。

圖1 線粒體內Prohibitin亞型復合體結構Fig.1 Subtype complex of Prohibitin within mitochondria

2 PHB的生物學功能

研究發現，抗增殖蛋白不僅具有調控細胞周期和細胞增殖的功能，同時參與調控細胞的凋亡和分化，是一類新型的分子伴侶，在維持線粒體結構形態和功能方面發揮著重要作用。除此之外，由于PHB生物學功能的多樣性，它還與衰老、肥胖、腫瘤等疾病有緊密關系，[14]并在其中發揮著重要的調控作用。

2.1 PHB具有調控細胞周期和細胞增殖的功能

大量研究證明，在細胞周期控制和癌癥發展領域，PHB的抗增殖活性和進化保守性具有非常顯著的作用。主要是PHB和抑制核轉錄因子通路之間的關系，在G～S期之間抑制核轉錄因子E2F的轉錄活性，從而起到調控細胞增殖的作用。Manjeshwar等[15]研究表明，PHB mRNA通過其3`非翻譯區(3`UTR)產生有功能的RNA從而阻斷細胞的增殖，而不是通過CDNA編碼區產生有功能的RNA來發揮抗增殖作用。隨著細胞周期的不斷改變，PHB mRNA與蛋白水平的波動并不大，說明可能有翻譯后修飾等其他因素同時參與這種調控。Liu等(2009)[17]使用特異性針對PHB 3-UTR的微小RNA進行RNA干擾實驗，發現低分化胃腺癌中的PHB表達下調，證明微小RNA能夠通過抑制PHB的表達促進癌細胞增殖。還有研究表明，PHB是C. ele-gans[18]和老鼠胚胎發育所必須的要素。由于PHB復合體由PHB1和PHB2一同組成，所以敲除PHB2基因導致的結果是PHBl和PHB2蛋白同時缺失，損害大鼠的胚胎成纖維細胞增殖。[19]Rajalingam等[20]發現Ras-Raf-MEK-ERK信號通路的激活依賴于PHB蛋白，而Ras-Raf-MEKERK信號通路可以使PHB的抗增殖作用得以發揮。

2.2 PHB參與調控凋亡和分化

由于PHB具有多種生物學功能，它可調節細胞增殖、分化和凋亡之間的平衡。關于PHB在細胞凋亡與分化中的作用，Artal-sanz等[21]利用RNA介導的基因失活技術，證實在胚胎發育和細胞生長發育過程中PHB的作用是至關重要的。Sun等[22]關于肌細胞的研究發現，PHB激活JNKI信號通路，通過該通路去招募HDAcl，在肌細胞分化過程中PHB抑制由轉錄因子MEFZs和MRFs介導的基因轉錄，從而抑制肌細胞的分化。在胞核內，PHB的部分氨基酸殘基能夠分別與抑癌基因產物RB(視網膜母細胞瘤蛋白)結構域及E2F結構域發生相互作用，從而形成三聯體。E2F是一個非常重要的轉錄因子，它與細胞的凋亡、分化都有相關作用，并且它位于PHB下游，說明PHB可以通過對E2F的作用進而調控細胞的凋亡與分化。Mishra等[23-25]的研究同時發現，PHB不僅通過調控Rb-E2F轉錄抑制復合物，而且PHB2蛋白還可以與Hax-1(線粒體抗凋亡蛋白)相互結合起到負性調控細胞的凋亡作用。

綜上所述，PHB的調控作用具有多樣性，調控結果相互矛盾，說明PHB在調節細胞的分化凋亡方面具有雙向性。故關于PHB基因在細胞凋亡過程中的作用機理尚不是很清楚，PHB關于調節凋亡分化的確切機制有待進一步的研究。

2.3 PHB的分子伴侶作用與維持線粒體的發育和功能

PHB1和PHB2共同定于線粒體內膜上，與線粒體內多肽鏈相互結合形成環形復合體。[26]近年來，關于線粒體中PHB復合物的一些作用已經被證實，PHB復合體主要以分子伴侶形式發揮功能。許多研究發現，線粒體的功能受PHB復合物的監控。[27]PHB復合物依賴調節膜蛋白的降解線粒體的MAAA蛋白酶，PHB還有膜約束的功能，能保留和穩定新合成的線粒體編碼蛋白。由于PHB具有分子伴侶作用，所以當線粒體內蛋白的合成發生紊亂時，PHB1和PHB2相互結合增多，PHB復合體發揮分子伴侶作用以穩定線粒體內多種代謝。PHB復合物對線粒體蛋白的合成、細胞的能量代謝和機體的穩定起著重要作用。[28]故當線粒體內PHB表達降低時，線粒體內蛋白的合成、細胞形態和功能的維持、細胞的增殖凋亡和分化均會發生明顯改變。[26]PHB對維持線粒體的發育和功能起到至關重要的作用。PHB表達的降低對線粒體形態學有很大改變，導致線粒體的形態在細胞分裂、分化和細胞信號轉導過程中發生明顯變化。PHB還能與ATP23相互作用，可作為分子伴侶F0F1-ATP合成調節線粒體的能量代謝，維持線粒體正常的結構與功能。[29]還有研究發現，在鹵蟲胚胎發育過程中，PHB通過介導AMPK通路以及對細胞內卵黃顆粒代謝的調節，能夠維持正常的線粒體功能及穩定的營養物質供應，進而對能量及物質代謝的平衡起重要作用。[30]

2.4 PHB與衰老和氧化應激

由電子傳遞鏈的順序可知，線粒體是活性氧的主要生產者。根據游離的原子團假說，活性氧可導致細胞受損而引起機體的衰老。就這個理論來看，有可能是線粒體突變體導致存活率的下降和活性氧產生的減少。在其他情況下，電子傳遞鏈功能的紊亂可能導致電子泄漏增多或活性氧產生的增多，因此，激活適合的激素反應能夠減緩細胞的衰老。處理游離原子團的清除劑乙酰基半胱氨酸對于衰老沒有影響，通過在動物體內對PHB敲除，參與氧化應激反應或是熱應激反應(野生型線蟲在25,℃環境下生長)。盡管關于PHB與衰老、與氧化應激方面的支持數據特別少，但相關研究發現，一些關于PHB的消耗導致氧化應激反應減弱。與衰老過程中線粒體游離原子團的假說相一致，野生動物的PHB消耗導致壽命更短，說明活性氧的產生增多，氧化應激反應更加敏感。在野生動物中，PHB消耗導致線粒體數量的增多，在活性氧增多的地方轉化的數量也增多。當然，線粒體功能障礙導致PHB消耗的結果有更多復雜的生理學反應，比增加或降低的活性氧的水平和氧化應激反應更加明顯。目前揭示關于PHB調控細胞衰老的原理尚不是很清楚，值得我們去進一步探討研究。

3 PHB調控氧化磷酸化作用

PHB1和PHB2屬于同一個蛋白家族，存在于抗增殖蛋白域且在質膜和脂質筏上結合。PHB和免疫球蛋白IgM受體在淋巴細胞中結合存在，[31]存在于白色脂肪組織中脈管系統的內皮細胞表面。[32]在人結腸癌細胞和小鼠脂肪細胞的脂質筏上發現了豐富的PHB，調節多種細胞內的信號傳導。[33-34]近來，又開始強調在區分胰島素信號時脂質筏的重要作用。[35]細胞膜上，脂質筏是一塊特殊區域，富含膽固醇、脂肪和飽和脂肪酸，且可在細胞內的不同區域之間移動蛋白質分子。其中，磷酸化作用和其他翻譯后修飾起重要作用。[36]

線粒體氧化磷酸化是指在生物氧化的過程中伴隨著ATP的生成，而對于機體來說，ATP是非常重要的能量來源。[37]在真核細胞中，在線粒體內發生氧化磷酸化作用，能夠參與氧化磷酸化過程的物質均以復合體的形式分布在線粒體內膜上，形成呼吸鏈，也稱為電子傳遞鏈。電子傳遞鏈的主要功能是進行電子和H＋傳遞、氧的利用以及ATP和H2O產生。[38-39]磷酸化作用是一個最基本的翻譯后修飾，它被用來調控功能、定位和結合特殊蛋白。[40-41]然而，異常蛋白的氧化磷酸化可以導致糖尿病、癌癥和其他疾病。到目前為止，學者認為PHB亞型與磷酸化作用有關，[42-44]而PHB的磷酸化在線粒體的生長發育中尤為重要。[45]故確認磷酸化的位點和相關激酶可以更好地理解它的功能。因此，根據現有研究，我們可知道PHB潛在的磷酸化位點，認為在PHB上第114位酪氨酸是回應胰島素刺激和磷酸化作用位點，該位點結合SH2結合域和相關酪氨酸磷酸酶1(shp1)。[46]

綜上所述，PHB可以通過調控相關位點和激酶調節氧化磷酸化作用，進而改變ATP合成含量和調控能量代謝。

4 PHB的問題與展望

本文針對PHB的生物學作用與線粒體氧化磷酸化的關系進行了闡述。PHB具有功能多樣性，在多種生物學進程中發揮著獨特而重要的作用。PHB還可以通過調控相關位點和激酶，從而調節氧化磷酸發揮作用，進而改變ATP合成含量和調控能量代謝。近年來有許多研究報道關于PHB在人類多種疾病的發生和發展過程中的重要作用，它的許多作用機制尚不清楚，值得人們深入研究。

［1］ MeClung J K，Danner D B，Stewart D A，et al. Isolation of a cDNA that hybrid selects antiproliferative mRNA from rat liver [J]. Biochem. BioPhys. Res. Connnun.，1989(164)：1316-1322.

［2］ Back J W，Sanz M A，De J L，et al. A structure for the yeast prohibitin complex：Structure prediction and evidence from chemical crosslinking and mass spectrometry[J]. Protein Sci.，2002，11(10)：2471-2478.

［3］ Zhou T B，Qin Y H. Signaling pathways of prohibitin and its role in diseases [J]. J Recept Signal Transduct Res，2013，33(1)：28-36.

［4］ Bernstein H G，Smalla K H，Durrschmidt D，et al. Increased density of prohibitin-immunoreactive oligodendrocytes in the dorsolateral prefrontal white matter of subjects with schizophrenia suggests extraneuronal roles for the protein in the disease [J]. Neuromolecular Med，2012，14(4)：270-280.

［5］ Mishra S，Murphy L C，Murphy L J. The Prohibitins：emerging roles in diverse functions [J]. J Cell Mol Med.，2006，10(2)：353-363.

［6］ Nijtmans L G，Artal S M，Grivell L A，et al. The mitochondrial PHB complex：roles in mitochondrial respiratory complex assembly，ageing and degenerative disease [J]. Cell Mol life Sci.，2002，59(1)：143-155.

［7］ Woodlock T J，Bethlendy G，Segel G B. Prohibitin expression is increased in phorbol ester-treated chronic leukemic B-lymphocytes [J]. Blood Cells Mol Dis.，2001，27(1)：27-34.

［8］ Zhou T B，Qin Y H，Li Z Y，et al. All-trans retinoic Acid treatment is associated with prohibitin expression in renal interstitial fibrosis rats [J]. Int J Mol Sci，2012，13(3)：2769-2782.

［9］ Wang Q，Leader A，Tsang B K. Follicular stagedependent regulation of apoptosis and steroidogenesis by prohibitin in rat granulosa cells [J]. J Ovarian Res，2013，6(1)：23.

［10］ Zhou T B，Zeng Z Y，Qin Y H，et al. Less expression of prohibitin is associated with increased paired box 2(PAX2)in renal interstitial fibrosis rats [J]. Int J Mol Sci，2012，13(8)：9808-9825.

［11］ Kolonin M G，Saha P K，Chan L，et al. Reversal of obesity by targeted ablation of adipose tissue [J]. Nat Med.，2004(10)：625-632.

［12］ Brasaemle D L，Dolios G，Shapiro L，et al. Proteomic analysis of proteins associated with lipid droplets of basal and lipolytically stimulated 3T3-L1 adipocytes [J]. J Biol Chem.，2004，279(45)：46835-46842.

［13］ Coates P J，Jamieson D J，Smart K. The Prohibitin family of mitoehondrial Proteins regulate replicative lifespan[J]. Curr Biol，1997(7)：607-610.

［14］ Mishra S，Murphy L C，Murphy L J. The PHBs：emerging roles in diverse functions [J]. J CellMolMed，2006，10(2)：353-63.

［15］ Manjeshwar S，Branam D E，Lemer M R，et al. Tumor suppression by the Prohibitin gene 3' untranslated region RNA in human breast cancer [J]. Cancer Res，2003，63(17)：5251-5256.

［16］ Liu T，Tang H，Lang Y，et al. MicroRNA-27a functions as an oncogene in gastric adenocarcinoma by targeting prohibitin [J]. Cancer Lett，2009，273(2)：233-242.

［17］ Marta A S，Tsang W Y，Willems E M，et al. The mitochondrial Prohibitin complex is essential for embryonic viability and germline function in Caenorhabditis elegans[J]. J Biol Chem.，2013，8(2)：54-61.

［18］ Carsten M，Sascha D，Takashi T，et al. Prohibitins control cell proliferation and apoptosis by regulating OPAI-dependent cristae morphogenesis In mitochondria[J]. Genes Dev.，2008，22(4)：476-488.

［19］ Rajalingam K，Wunder C，Brinkmann V，et al. Prohibitin is required for Ras-induced Raf-MEK-ERK activation and epithelial cell migration [J]. Nat Cell Biol，2005，7(8)：837-843.

［20］ Back J W，Sanz M A，De Jong L J，et al. A structure for the yeast prohibitin complex：Structure prediction and evidence from chemical crosslinking and mass spectrometry [J]. Protein Sci，2002，11(10)：2471-2478.

［21］ Coates P J，Nenutil R，McGregor A，et al. Mammalian prohibitin proteins respond to mitochondrial stress and decrease during cellular senescence [J]. Exp Cell Res，2001，265(2)：262-273.

［22］ Mishra S，Murphy L C，Murphy L J. The Prohibitins：emerging roles in diverse functions [J]. J Cell Mol Med，2006，10(2)：353-363.

［23］ Mishra S，Murphy L C，Nyomba B L，et al. Prohibitin：a potential target for new therapeutics [J]. Trends Mol Med，2005，11(4)：192-197.

［24］ Kasashima K，Ohta E，Kagawa Y，et al. Mitochondrial functions and estrogen receptor-dependent nuclear translocation of pleiotropic human prohibitin 2[J]. J Biol Chem，2006，281(47)：36401-36410.

［25］ Artal-Sanz M，Tsang W Y，Willems E M，et al. The mitochondrial prohibitin complex is essential for embryonic viability and germline function in Caenorhabditis elegans [J]. J Biol Chem，2003，278(41)：32091-32099.

［26］ Dejean L，Beauvoit B，Bunoust O，et al. Activation of Ras cascade increases the mitochondrial enzyme content of respiratory competent yeast [J]. Biochem Biophys Res Commun，2002，293(5)：13832-13388.

［27］ Arnold I，Langer T. Membrane protein degradation by AAA proteases in mitochondria [J]. Biochim Biophys Acta9，2002，1592(1)：89-96.

［28］ Osman C，Wilmes C，Tatsuta T，et al. Prohibitins interact genetically with Atp23，a novel processing peptidase and chaperone for the F1FO-ATP synthase [J]. Molecular Biology of the Cell，2007，2(18)：627-635.

［29］ Mishra S，Murphy L C，Murphy L J. The prohibitins：emerging roles in diverse functions [J]. J. Cell Mol. Med.，2006，10(2)：353-63.

［30］ Terashima M，Kim K M，Adachi T，et al. The IgM antigen receptor of B lymphocytes is associated with prohibitin and aprohibitin-related protein[J]. EMBO J.，1994，13(16)：3782-3792.

［31］ Aurora P，Stanojevic S，Stocks J，et al. Structure，function and regulation of pyruvate carboxylase [J]. Biochem J.，1999(340)：1-16

［32］ Sharma A，Qadri A. Vi polysaccharide of Salmonella typhi targets the prohibitin family of molecules in intestinal epithelial cells and suppresses early inflammatory responses [J]. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.，2004，101(50)：17492-17497.

［33］ Brasaemle D L，Dolios G，Shapiro L，et al. Proteomic analysis of proteins associated with lipid droplets of basal and lipolytically stimulated 3T3-L1 adipocytes [J］. J. Biol. Chem.，2004，279(45)：46835-46842.

［34］ Bickel P E. Lipid rafts and insulin signaling [J]. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab.，2002，282(1)：E1-E10.

［35］ Resh M D. Palmitoylation of ligands，receptors，and intracellular signaling molecules[J]. Science Signaling，2006(359)：re14-re14.

［36］ Papa S. Mitochondrial oxidative phosphorylation changes in the life span：Molecular aspects and physiological implications [J]. Biochim Biophys Acta，1996，1276：87-105.

［37］ Capaldi R A. Arrangement of proteins in the mitochondrial inner membrane [J]. Biochim Biophys Acta，1982，694(3)：291-306.

［38］ Marten W，Matti S. The Mitochondrial Respiratory Chain [M]. In：Bioenergetics. Ernster B V：Elsevier Science Publishers，1984：49-56.

［39］ Hunter T. Protein kinases and phosphatases：the yin and yang of protein phosphorylation and signaling [J]. Cell，1995，80(2)：225-36.

［40］ Hunter T. Signaling-2000 and beyond [J]. Cell，2000，100(1)：113-127.

［41］ Liu X T，Stewart C A，King R L，et al. Prohibitin expression during cellular senescence of human diploid fibroblasts [J]. Biochem Biophys Res Commun，1994，201(1)：409-414.

［42］ Dixit V D，Sridaran R，Edmonsond M A，et al. Gonadotropin-releasing hormone attenuates pregnancyassociated thymic involution and modulates the expression of antiproliferative gene product prohibitin [J]. Endocrinology，2003，144(4)：1496-1505.

［43］ Thompson W E，Sanbuissho A，Lee G Y，et al. Steroidogenic acute regulatory(StAR)protein(p25)and prohibitin(p28)from cultured rat ovarian granulosa cells[J]. J. Reprod. Fertil.，1997，109(2)：337-48.

［44］ Takahashi A，Kawasaki T，Wong H L，et al. Hyperphosphorylation of a mitochondrial protein，prohibitin，is induced by calyculin A in a rice lesion-mimic mutant cdr1[J]. Plant Physiol.，2003，132(4)：1861-1869.

［45］ Ande S R，Gu Y，Nyomba B L，et al. Insulin induced phosphorylation of prohibitin at tyrosine 114 recruits Shp1[J]. Biochim Biophys Acta，2009，1793(8)：1372-1378.

Biological Functions of PHB and the Relationship with Mitochondrial Oxidative Phosphorylation

FANG Wen，FENG Hong*
(Department of Health and Exercise Science，Tianjin University of Sport，Tianjin 300381，China)

Prohibitin(PHB)is a highly conserved protein and is widely distributed in bacteria，yeast，Drosophila，protozoa and mammals in a variety of biological cells.PHB has functional diversity，which is mainly encoded by nuclear genes，located in the mitochondrial inner membrane，nucleus，cell membrane and matrix.Due to its special location，structure and function in mitochondria，in recent years，it has become a new hot spot in the study of mitochondria functions.Based on researches related to mitochondria and PHB，this paper systematically describes the biological role of PHB and its important role in the process of oxidative phosphorylation in mitochondria.

prohibitin；mitochondria；biological effect；oxidative phosphorylation

Q51

：A

：1006-8945(2016)04-0041-05

*

國家自然科學基金面上項目：Prohibitin 1 在運動能量代謝中的作用及調控F0F1-ATP合酶機制(編號：31470061)。

2016-02-16