凋亡蛋白Omi/HtrA2和 Survivin与肿瘤的研究进展

河北工程大学附属医院(邯郸 056029)张方林 赵延敏 乔广兵 薛 亮 郝占平 综述 张爱莉 审校

细胞凋亡是一种由基因调控的高度保守的细胞主动死亡过程,在多细胞有机体的生长发育,维持组织同源性等过程起重要作用。肿瘤的发生与凋亡过程的紊乱有着密切的关系。细胞凋亡是细胞由于降解酶的作用,降解酶主要是水解酶,如蛋白酶与核酸酶作用,在近乎正常的细胞质膜内趋向死亡,这与坏死时细胞质膜早期破坏不同[1]。这种死亡方式不会导致溶酶体及细胞膜破裂,没有细胞内涵物的外泄,不会引起炎症反应和次级损伤,表现出一些共同特征,如形态学改变,包括膜小泡形成,细胞皱缩,凋亡小体形成 ,生物化学特性改变 ,如胞膜内磷脂酰丝氨酸外翻,DN A片段化,细胞骨架解离,细胞内功能蛋白降解等[2]。凋亡是一个生理性的细胞自我毁灭过程,在胚胎发育,生物体内环境的稳定及多细胞生物防御外在及内在伤害等方面均起着重要的作用。凋亡过程的紊乱,可能与许多疾病的发生有直接或间接的关系,如肿瘤,自身免疫病,神经退行性病变及局部损伤等[3]。凋亡与肿瘤的关系:细胞凋亡受抑,将导致细胞生存期延长,有利于转化突变的细胞生长积聚,最终可致肿瘤的产生。细胞凋亡过程受到各种促凋亡蛋白和抑制凋亡蛋白的调节,Omi/HtrA2与 Survivin便是其中重要的组成部分。线粒体促凋亡因子Omi/HtrA2是新近发现的一种存在线粒体膜间腔的丝氨酸蛋白酶,参与细胞凋亡的下游反应。研究表明 Omi/HtrA2主要通过抑制凋亡抑制蛋白(Inhibitor of apotosis protein,IAP)家族蛋白发挥作用 ,而 Survivin蛋白是IAP家族中分子量最小的成员,但其作用也是最强的,它在正常组织中不表达,或者表达很少,但其广泛存在于胚胎组织和肿瘤组织中,与肿瘤的发生发展转移和预后有着密切关系,本文就 Omi/HtrA2与 Survivin与肿瘤的关系作一综述。

1 Omi/HtrA2和 Survivin的结构和生物学功能

1.1 Omi/HtrA2的结构:Omi/HtrA2由 458个氨基酸残基组成,相对分子质量 51kD,编码基因位于染色体 2q13(或2p12),含有 8个外显子,转录生成 2.1kb和 4.5kb两种不同的mRN A,但以前者为主[4]。 Omi/Htr A2分子中除丝氨酸蛋白酶序列 (GN SGG,甘-天冬酰胺-丝-甘-甘氨酸)外还存在多个结构域 和基 序 ,主 要有 氨 基端 PPPASPR(脯 -脯 -脯 -丙 -丝-脯 -精 氨酸)序列构成的 SH3结合结构域,羧基端 365～ 455位氨基酸残基构成的 PDZ结构域,以及 182～ 330位氨基酸残基构成的胰蛋白酶样(Trypsin-like)催化结构域(组氨酸残基 His198、天门冬氨酸残基 Asp228和丝氨酸残基 Ser306组成的催化三联体)[5]。 PDZ结构域最初是在 PSD-9、Dlg和 ZO-1中发现并命名,它能够识别膜受体和离子通道 C-末端的疏水序列,参与蛋白质之间相互作用。实际上,Faccio等就是在研究由 PDZ介导的Omi/HtrA2与细胞蛋白质Mxi2相互作用的基础上才鉴定出Omi的。 Omi/HtrA2前 60位氨基酸序列中含有线粒体定向序列 (Mito-chondrial targeting sequence,M TS)[6],也称为线粒体定位信号(Mito-chondrial localization signal,M LS),具有引导Omi/HtrA2进入线粒体的作用(van Gurp等.2003)。另外,在105～ 123位氨基酸残基之间可能还存在一个跨膜区(the transmembrane segment,TM)。

1.2 Survivin的结构:Survivin基因定位于染色体的17q25,4个外显子和 3个内含子,长度为15kb。在 Survivin的启动区 5'端有 T ATA序列、2个 AP2位点、3个 N F-KB位点和 1个 Sp1位点,还有许多细胞周期依赖元件 (Cell cycledepenent elements,CDEs)和一个细胞周期基因同源区 (Cell cycle gene homology region,CHR)。 -51区的 CHR和-57区的 CDE对细胞周期的调控很重要。 CDE/CHR和增强因子的突变可能使 TIAP/m-Survivin的表达紊乱,影响细胞的生存和导致肿瘤的发生[7]。 Survivin蛋白是 IAP家族中最小的成员,结构相对简单,相对分子质量只有 16500,由 142个氨基酸残基构成。Survivin蛋白只包含两个特定的结构:N端BIR(Baculovirus IAP repeat杆状病毒群抗细胞凋亡重复序列)单拷贝、C端疏水α螺旋。而不包含 IAP家族其他成员所具有的环指结构(Ring Finger),该结构具有蛋白泛肽化降解信号的作用[8]。

1.3 Omi/HtrA2的生物学功能:Caspase依赖性凋亡是指在某些刺激因素的作用下,细胞中的 caspases家族成员序列激活,最终引起细胞凋亡发生的过程。van LooG[9]等观察到成熟Omi/HtrA2分子中的前四位氨基酸残基AV PS(或 AV PA)形成的四肽结构域(即 Reaper结构域),可以与XIAP分子中第 3个 BIR基序相互作用(BIR3-XIAP),据此推测Omi/HtrA2通过破坏 caspase 9和 BIR3-XIAP之间的相互作用,解除 XIAP对caspase9的抑制,导致下游caspases活化促进凋亡的发生,即Omi/HtrA2通过增强caspase活性参与线粒体凋亡途径发挥致凋亡作用。另外 Suzuki等[10]认为 Omi/HtrA2-XIAP相互作用也可以发生在BIR2基序。V erhagen等[11]观察到Omi/HtrA2拮抗了 XIAP抑制 caspase活化的效应,而且其与 BIR-3结构域相互作用的能力强于 BIR-2结构域 ,因此对于 Omi/Htr A2而言,破坏 IAP-caspase 3、7相互作用强于破坏 IAP-caspase 9相互作用。

Omi/HtrA2除了通过促进caspase活化参与细胞凋亡过程外,还可以直接利用其蛋白酶活性发挥促凋亡作用。

1.4 Survivin的生物学功能:Survivin可能与 Caspase-9结合从而抑制其活性[12]。Survivin可与辅助性线粒体源性Caspase激活因子(Second mitochondria-derived activator of caspase,Omi/HtrA2)结合,Omi/HtrA2是一种通过结合 IAP而保护 Caspase活性的蛋白[13],Survivin与 Omi/HtrA2结合并对抗之进而抑制Caspase活性。通过这种方式,Survivin还可保护其他 IAP家族成员如 XIAP免受 Omi/HtrA2抑制而维持它们的功能。

Survivin也参与血管生成和管腔形成的关键因子,Papapetropoulos等研究了培养的毛细血管内皮细胞,发现Ang21主要通过 PI3/Aak机制使内皮细胞 Survivin表达上调,认为 Ang21通过作用于关键的生存信使 Akt和上调 Survivinr的表达阻止内皮细胞凋亡,Survivinr是一个新Ang21作用的靶基因。

2 Omi/HtrA2、 Survivin与肿瘤

2.1 Omi/HtrA2与肿瘤:细胞凋亡在恶性肿瘤发生发展中具有重要作用,凋亡调控机制的失常对肿瘤的生长浸润和转移等生物学机制有重要影响。丝氨酸蛋白酶Omi/HtrA2是最近才发现的线粒体促凋亡因子,在肿瘤发生发展中的作用刚刚认识到。

徐宗全[14]等发现Omi/HtrA2在肝癌组织中表达与癌旁组织和正常肝组织中的表达相比有显著差异。Omi/HtrA2的表达与肝癌分化程度相关,另外,Omi/HtrA2蛋白的表达与肿瘤大小和临床分期相关 ,与有无肝硬化 HBsAg、有无癌栓和 AFP无关,在肿瘤＞5cm分化越差。临床晚期肝癌组织中 Omi/HtrA2表达减少,而且强度减弱,而在肿瘤 ＜5cm,肿瘤分化高和临床早期肝癌组织中 Omi/HtrA2表达增多而且强度增加。陈沛等[15]研究用 RT-PCR和免疫组织化学方法检测发现喉癌组织也有Omi/HtrA2基因与蛋白的高表达,在良性增生性疾病声带息肉组织中也有表达,但在正常粘膜组织中无表达或表达极弱。Omi/Htr A2基因与蛋白在喉癌组织的表达均较癌旁正常组织与声带息肉间的差异有显著性,在不同病理分化程度的喉癌中表达水平不同。

2.2 Survivin在肿瘤中的表达:Survivin广泛表达人类肿瘤细胞,Saitoh等研究的 42例子宫颈癌 Survivin的表达率为100%,在非小细胞肺癌中表达率约 85%,在结肠癌的阳性率为53%,在乳腺癌约 70%存在 Survivin表达,黑色素瘤中 Survivin表达率约为93%,膀胱癌Survivin的阳性率也达到了87%,在这些肿瘤的正常组织及细胞间质不表达。Survivin在肿瘤的广泛表达 ,提示 Survivin与肿瘤关系密切。在 Sui等[16]研究的 103例上皮性卵巢肿瘤中提示 Survivin在上皮性卵巢肿瘤的发生、发展中起关键作用。 Kappler等[17]对 63例软组织肉瘤(STS)患者的 Survivin水平进行检测 ,与正常对照组比较发现:Survivin的过度表达与肿瘤的预后不良存在密切联系。以上研究提示,Survivin参与肿瘤的发生发展、与预后密切相关,是其诊断预后的重要参考指标

3 Omi/HtrA2蛋白及 Survivin蛋白在恶性肿瘤的治疗

胡晓勇等[18]构建Omi/HtrA2的表达载体和 siRN A载体,并用脂质体法分别将两载体转染至 pc-3细胞中,发现 Omi/HtrA2可通过抑制抗凋亡蛋白 PED/PEA-15表达而在pc-3细胞凋亡中发挥重要作用。由于 PED/PEA-15为单基因而 IAPS是多基因组成的家族,故若能应用SIRN A方法建立PED/PEA-15基因表达缺失的pc-3细胞系,并通过基因转染高表达 Omi/HtrA2,有望进一步放大 Omi/HtrA2促前列腺癌细胞凋亡效应,并为前列腺癌的基因治疗提供新的思路。

由于 Survivin蛋白表达于几乎所有人类常见肿瘤组织,以及 Survivin蛋白抑制细胞凋亡的功能活性在肿瘤的发生、发展中起关键性作用,Survivin蛋白已经成为倍受关注的抗肿瘤治疗的新靶点。由于 Survivin蛋白仅特异性地表达于肿瘤组织,在正常成人组织几乎不表达,使得应用 Survivin蛋白特异性抗体免疫治疗以及反义 Survivin基因治疗具有良好的靶向性、特异性及安全性。随着 Omi/HtrA2类似物 HtrA2/Omi以及特异性拮抗 XIAP的蛋白X AF-1的发现,IAP的抑制剂正成为肿瘤治疗的药物开发新趋势。

4 Omi/HtrA2与 Survivin的研究展望

细胞凋亡是维持机体内稳定的重要机制,对凋亡机制的深入研究与探讨无论是对临床还是基础研究都有十分重要的意义。Omi/HtrA2是哺乳动物体内一种重要的线粒体丝氨酸蛋白酶,在蛋白质修复和细胞凋亡中有重要作用,迄今为止相关分子机制被研究清楚的还很有限,特别是它在生理、病理过程中的调控机制还未深入涉及,但是随着研究步伐的加快,对Omi/HtrA2的认识也将更为全面。另外,随着特异性阻断剂的出现和应用,下一步应该加大对 Omi/HtrA2与相关疾病关系的研究力度,Omi/HtrA2和 Survivin在肿瘤方面表达是否相关,尚需要进一步研究。这将为临床针对特定靶点治疗有关疾病提供一定依据。

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