Cullin-RING E3泛素連接酶及其抑制劑在腫瘤治療中的研究進展

韋瓊，陳錦飛

(1.東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院，江蘇 南京 210009；2.南京市第一醫(yī)院，江蘇 南京 210006)

·綜 述·

Cullin-RING E3泛素連接酶及其抑制劑在腫瘤治療中的研究進展

韋瓊1，陳錦飛2

(1.東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院，江蘇 南京 210009；2.南京市第一醫(yī)院，江蘇 南京 210006)

Cullin-RING泛素連接酶(cullin-rING ligase，CRL)是人體內(nèi)數(shù)量最多的一類泛素連接酶的統(tǒng)稱，由cullin蛋白、RING蛋白及底物識別亞基組成。它們通過與數(shù)百種底物相互作用，形成數(shù)量龐大的CRL復(fù)合體并調(diào)控細胞內(nèi)蛋白分子的泛素化降解過程。作者對CRL及其抑制劑在腫瘤治療中的研究進展作一綜述。

Cullin-RING泛素連接酶；泛素化；蛋白質(zhì)降解；腫瘤治療；CRL抑制劑；文獻綜述

泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(Ubiqutin-proteasome system，UPS)是哺乳動物細胞內(nèi)最主要的蛋白降解途徑。靶蛋白的泛素化依賴胞內(nèi)E1泛素活化酶、E2泛素結(jié)合酶和E3泛素連接酶的協(xié)同作用。目前發(fā)現(xiàn)，人體內(nèi)含有兩種E1泛素活化酶、大約38種E2泛素結(jié)合酶和數(shù)百種E3泛素連接酶，而E3泛素連接酶決定了底物的特異性。蛋白泛素化的最主要功能是為蛋白酶體提供識別和降解的信號。UPS功能眾多，其功能失調(diào)被證實與腫瘤發(fā)生、發(fā)展及轉(zhuǎn)移密切相關(guān)[1]。

Cullin-RING泛素連接酶(cullin-rING ligase，CRL)作為人體內(nèi)最龐大的一類泛素連接酶家族，能夠調(diào)節(jié)胞內(nèi)眾多腫瘤相關(guān)蛋白的泛素化修飾與降解[2]。作者先對CRL進行概述，然后進一步對CRL作為抗腫瘤治療靶點的研究進展作一綜述。

1 CRL的構(gòu)成

蛋白在細胞內(nèi)翻譯后被泛素或一些其他類泛素分子共價修飾是一種常見的蛋白生理功能的調(diào)節(jié)機制，其中蛋白泛素化修飾最為普遍。E3泛素連接酶可以分為HECT結(jié)構(gòu)域家族和RING-finger結(jié)構(gòu)域家族兩大類。CRL是RING-finger結(jié)構(gòu)域家族的典型代表，屬于人體內(nèi)數(shù)量最大的泛素連接酶家族。CRL是一類由cullin、RING蛋白以及其他多種亞基蛋白共同組成的復(fù)合體[1]。其中，cullin蛋白作為支架蛋白通過羧基端結(jié)合RING蛋白構(gòu)成CRL的催化中心，同時利用氨基端直接或間接連接底物識別亞基蛋白。迄今，在人體內(nèi)已發(fā)現(xiàn)8種不同類型的cullin蛋白家族成員[3]，其蛋白均有保守的cullin同源結(jié)構(gòu)域，可結(jié)合具有活性的亞基RING結(jié)構(gòu)域蛋白。RING蛋白分為RBX1和RBX2兩大亞類。人體內(nèi)cullin蛋白、RING蛋白、接頭蛋白和底物識別受體之間通過不同組合構(gòu)成CRL復(fù)合體，胞內(nèi)調(diào)控數(shù)以千計的蛋白分子的泛素化降解過程。

2 CRL活化的調(diào)控機制

CRL在細胞內(nèi)的激活除了需要相關(guān)亞基蛋白的有效組合外，還依賴類泛素分子NEDD8對其Cullin骨架蛋白的共價修飾，即Neddylation修飾[1]。與蛋白泛素化修飾相似，蛋白Neddylation修飾也依賴自身通路的E1活化酶、E2結(jié)合酶以及E3連接酶介導(dǎo)的級聯(lián)催化反應(yīng)，將類泛素分子NEDD8共價結(jié)合到其下游底物蛋白[4]。Cullin蛋白通過Neddylation修飾促進CRL活化。除了Neddylation修飾通路外，哺乳動物細胞內(nèi)還存在一種去除NEDD8修飾的CSN酶家族，最終能夠負調(diào)控細胞內(nèi)CRL的活性[5]。目前尚不清楚這兩套酶系統(tǒng)是如何在不同生理或病理條件下通過協(xié)同或拮抗的方式來保證特定CRL對某一底物蛋白的有效降解。

3 CRL在腫瘤中的作用

CRL能夠通過調(diào)節(jié)細胞周期相關(guān)蛋白、轉(zhuǎn)錄因子、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子、促癌蛋白、抑癌蛋白以及DNA復(fù)制相關(guān)蛋白等的降解，從而參與細胞周期、DNA 修復(fù)、信號傳導(dǎo)、基因轉(zhuǎn)錄和胚胎發(fā)育等眾多重要生物學(xué)過程的調(diào)控，其功能失調(diào)與細胞增殖失控、基因組非穩(wěn)定以及惡性腫瘤關(guān)系密切。目前，部分CRL的組成蛋白已被確認是促癌基因(如SKP2等)，它們在腫瘤細胞內(nèi)往往發(fā)生基因擴增或過量表達；雖然部分組成蛋白被發(fā)現(xiàn)具有抑癌作用(如FBXW7等)，但其在腫瘤細胞內(nèi)多表現(xiàn)為突變。

3.1 Cullin蛋白

Cullin蛋白自身無生物學(xué)活性，其生物學(xué)功能依賴與其連接的底物識別亞基蛋白實現(xiàn)。目前臨床研究發(fā)現(xiàn)：cullin-1蛋白主要在肺癌組織過度表達[6]，cullin-4A則在乳腺癌、肝癌和腎癌等多種類型的腫瘤組織呈現(xiàn)過度表達[7]。盡管cullin蛋白不是傳統(tǒng)意義上的促癌蛋白或抑癌因子，但其過度表達也能夠顯著提升腫瘤細胞CRL的生物活性，進而促進腫瘤細胞的增殖。鑒于此，我們推測cullin-1蛋白和cullin-4A可能是有效的抗腫瘤治療靶點。

3.2 RBX1和RBX2

RBX1和RBX2在多種類型的腫瘤組織中均高表達，通過RNA干擾技術(shù)或基因敲除的方法下調(diào)這兩類蛋白表達的水平均能夠抑制腫瘤細胞的生長。實驗證實，這種抑制效應(yīng)與腫瘤細胞發(fā)生凋亡和(或)衰老有關(guān)[8]。與此結(jié)果相對應(yīng)的是，RBX2在腫瘤細胞內(nèi)過度表達能夠保護細胞免受外界應(yīng)激所誘發(fā)的細胞凋亡[9]。這些研究結(jié)果表明，腫瘤細胞的生長與存活依賴于胞內(nèi)RBX1和RBX2的表達。最近，我們通過動物模型研究發(fā)現(xiàn)，Rbx2基因被敲除后能夠顯著抑制肺部腫瘤的發(fā)展[10]，進一步證實了RBX2基因在腫瘤發(fā)展中的促進作用。由于RBX1或RBX2是構(gòu)成CRL催化核心的關(guān)鍵蛋白，通過靶向RBX1或RBX2的策略能夠抑制胞內(nèi)大部分CRL的活性，因此具有潛在的廣譜的抗腫瘤效果。

3.3 底物識別亞基蛋白(SRS)

在CRL復(fù)合物中，SRS主要起識別和招募底物蛋白的作用，但不同種類的cullin蛋白采用不同類型的SRS。迄今發(fā)現(xiàn)，人體至少編碼69種不同SRS，其中SKP2和β-TrCP已經(jīng)證明具有促癌功能。

3.3.1 SKP2 SKP2是SCFSKP2泛素連接酶復(fù)合體的底物識別亞基，能夠介導(dǎo)多種細胞周期相關(guān)蛋白如p27、p21和 p57等的降解。大量研究證實，SKP2在胃癌、結(jié)腸癌以及白血病中高表達[11]，通過RNA干擾抑制SKP2的表達則能夠抑制多種類型腫瘤細胞的生長[12]。對轉(zhuǎn)基因小鼠模型研究發(fā)現(xiàn)，過度表達SKP2可以導(dǎo)致低程度的前列腺腫瘤和白血病的發(fā)生[13]。盡管SKP2基因敲除的小鼠沒有產(chǎn)生顯著的生物學(xué)表型，但在p53、PTEN或Rb等經(jīng)典抑癌基因敲除驅(qū)動產(chǎn)生的腫瘤模型中，SKP2基因的缺失能夠顯著抑制或完全消除腫瘤的發(fā)生[14]。鑒于SKP2在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用，美國的一個研究團隊通過高通量篩選方法獲得一個小分子化合物。該小分子化合物通過阻斷SKP2蛋白與SCFSKP2泛素連接酶之間的連接而抑制SCFSKP2泛素連接酶的活性。利用該化合物處理腫瘤細胞能夠?qū)е耂CFSKP2泛素連接酶底物p27發(fā)生積聚，進而誘導(dǎo)細胞發(fā)生周期G1期阻滯以及p27依賴的細胞殺傷作用。這些研究結(jié)果揭示了SKP2作為抗腫瘤治療靶點的潛力。

3.3.2 β-TrCP β-TrCP是SCFβ-TrC泛素連接酶的底物識別亞基，包括β-TrCP1和β-TrCP2兩種亞型。能夠調(diào)控胞內(nèi)眾多重要蛋白包括促癌蛋白和抑癌因子的泛素化降解[15]。基于β-TrCP底物的多樣性，β-TrCP到底是促癌因子還是抑癌因子往往取決于其所調(diào)節(jié)底物的性質(zhì)。目前已證實，β-TrCP能夠調(diào)節(jié)一系列抑癌蛋白，其在一些組織器官中具有明顯的促癌作用，例如通過轉(zhuǎn)基因小鼠模型過度表達β-TrCP1蛋白能夠誘導(dǎo)乳腺、腸道、肝臟和腎臟腫瘤的發(fā)生。與β-TrCP1促乳腺癌作用一致，β-TrCP1在乳腺癌組織中過量表達，通過抑制β-TrCP1的表達能夠顯著提高乳腺癌和胰腺癌細胞對化療的敏感性[16]，這些研究表明，β-TrCP具有作為腫瘤治療靶點的潛力。

4 CRL是一種新興的抗腫瘤治療靶點

開展針對CRL腫瘤治療的思路最初源于蛋白酶體的相關(guān)研究。美國Millennium制藥公司開發(fā)的蛋白酶體抑制劑Bortezomib于2003年獲準(zhǔn)臨床使用[17]。這一實例從臨床實踐層面證實了靶向泛素-蛋白酶體系統(tǒng)是安全而有效的抗腫瘤方法，同時預(yù)示著該系統(tǒng)內(nèi)的其他關(guān)鍵酶也是潛在的靶點。最近Millennium制藥公司采用阻斷Neddylation通路的策略成功篩選了CRL的小分子抑制劑MLN4924。該化合物在本質(zhì)上是NEDD8活化酶E1的直接抑制劑，它能夠通過封閉NEDD8活化酶E1的活性位點并與NEDD8形成NEDD8-MLN4924復(fù)合物，導(dǎo)致NEDD8不能夠修飾cullin蛋白，從而間接抑制下游CRL的活性。研究發(fā)現(xiàn)，小分子抑制劑MLN4924對結(jié)腸癌、肺癌、胰腺癌以及白血病等多種臨床前模型均具有良好的抑制效果[18]。已經(jīng)證實，MLN4924的抑瘤效應(yīng)與其引起胞內(nèi)CRL底物蛋白的積聚密切相關(guān)。目前，MLN4924作為抗癌新藥正在美國接受人體Ⅰ/Ⅱ期臨床試驗，顯示了良好的臨床應(yīng)用前景。

5 結(jié)論與展望

在提出CRL概念的近20年里，研究人員通過利用生物化學(xué)、遺傳學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)等研究技術(shù)持續(xù)不斷的努力，已經(jīng)初步闡明了CRL的具體功能及調(diào)控機制，為今后進一步探索和開發(fā)針對性的抗腫瘤新藥奠定了良好的基礎(chǔ)。鑒于CRL僅僅是UPS的組成部分，選擇性抑制CRL的腫瘤治療策略比靶向整個UPS所產(chǎn)生的毒副作用明顯降低。由于CRL參與調(diào)節(jié)多種與腫瘤細胞生長相關(guān)的信號通路，單純抑制CRL可以起到同時抑制多種腫瘤相關(guān)信號通路的作用。這種治療策略比傳統(tǒng)的抑制單一信號通路的腫瘤治療方法更為高效。目前成功篩選的CRL抑制劑MLN4924是Neddylation通路的NAE直接抑制物，顯示出良好的應(yīng)用前景。但最近有研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤細胞經(jīng)過MLN4924處理后可誘發(fā)部分細胞產(chǎn)生NAE點突變，這種誘發(fā)的突變能夠顯著降低MLN4924與NAE之間的親和力，從而導(dǎo)致該類腫瘤細胞能夠逃避MLN4924對Neddylation通路的抑制作用而呈現(xiàn)對MLN4924治療的耐藥性[19-20]。這一發(fā)現(xiàn)給今后臨床開展針對CRL的靶向治療提出了新的難題，同時也迫使我們?nèi)ヌ綄ば乱淮腃RL抑制劑，以克服MLN4924在未來臨床使用中所誘發(fā)的耐藥性。

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2016-08-08

2016-08-28

國家自然科學(xué)基金資助項目(81272469)

韋瓊(1992-)，女，安徽蕪湖人，在讀碩士研究生。E-mail:1534602112@qq.com

陳錦飛 E-mail:Chenjinfei2016@163.com

韋瓊，陳錦飛.Cullin-RINGE3泛素連接酶及其抑制劑在腫瘤治療中的研究進展[J].東南大學(xué)學(xué)報:醫(yī)學(xué)版，2017，36(1)：120-122.

R34

A

1671-6264(2017)01-0120-03

10.3969/j.issn.1671-6264.2017.01.031