鸟氨酸脱羧酶结构、功能及表达调控研究进展

陈咨余，马 容，康 波，姜冬梅，何 珲，范樱川

(四川农业大学 动物科技学院，四川 雅安 625014)

多胺包括腐胺、亚精胺和精胺，是活细胞内一类小分子脂肪族的多聚阳离子，参与细胞生命活动的调节过程，对细胞的生存，特别是对细胞的生长与增殖起着关键的调控作用。细胞内多胺异常可引发肿瘤，因此细胞内多胺浓度受到精密的调控[1]。在动物体内，鸟氨酸脱羧是腐胺生物合成的主要途径，腐胺在亚精胺合成酶的作用下转变成亚精胺，继而生成精胺。鸟氨酸脱羧酶(Ornithine decarboxylase,ODC)能催化鸟氨酸脱羧反应，是多胺生物合成过程中的第一个限速酶[2-3]，其表达量和生物活性直接影响多胺的生成，并对细胞增殖和凋亡具有重要的调控作用[4]。近年来的研究发现，在包括神经细胞瘤在内的多种癌症中，ODC表达水平均显著升高[5]，表明ODC对癌症的发生、发展具有重要作用。本文就ODC结构、功能及其表达调控进行了综述，以期为ODC功能及其调控机理研究提供帮助。

1 ODC的结构和生物学特性

ODC基因包括ODC1和ODC2，各自定位在不同的染色体上，ODC1定位于2p25，ODC2定位于7q31。ODC1普遍存在于生物体内，是主要的功能基因，而ODC2仅存在于人体[6]。ODC1基因由12个外显子和11个内含子组成[7]，ODC的适宜pH为7.0～7.8。虽然ODC1和ODC2作用于L-鸟氨酸的米氏常数值(Km)各不相同，但其抗原性却完全相同[8]。ODC基因编码461个氨基酸的ODC亚基，2个亚基构成具有酶活性的同源二聚体[9]。ODC亚基在N-末端含有一个β/α桶状结构域，在C-末端含有一个β片层结构域[10]，ODC同源二聚体的形成主要是这2个结构域之间的相互作用[11]。ODC广泛分布于动物组织中的细胞质和细胞核中。正常生理条件下，ODC活性较低，但在迅速增长的组织中，其活性显著升高。ODC可被多种无机离子灭活，并易受内外环境因素的影响[12]。Ghoda等[13]研究发现，缺少C-末端37个氨基酸残基的ODC的半衰期约为4 h，而野生型ODC的半衰期约为1 h。因此，C-末端区域是调控小鼠ODC细胞内降解的关键结构域。

2 ODC对多胺水平的调控作用

在精氨酸酶的作用下，细胞内的L-精氨酸被催化生成L-鸟氨酸，L-鸟氨酸在ODC的作用下脱羧基生成腐胺，腐胺是合成亚精胺和精胺的前体物质。ODC和S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶、N1-乙酰基转移酶共同调控多胺的代谢[14]。Gupta等[15]研究表明，用ODC抑制剂——二氟甲基鸟氨酸(Difluoromethylornithine,DFMO)处理小鼠后，细胞内腐胺和亚精胺明显减少。可见，ODC的活性和表达量直接影响多胺的生物合成过程[16]。ODC的降解主要靠鸟氨酸脱羧酶抗酶(Ornithine decarboxylase antizyme,OAZ)完成。OAZ可与ODC结合生成ODC-OAZ复合物[17]，通过26S蛋白酶体促使ODC的降解[18-19]，进而抑制体内多胺的生物合成。

3 ODC对细胞增殖的调控

ODC活性与细胞增殖密切相关[20]。研究表明，凡生长旺盛的组织，其ODC活性明显高于静止期或生长缓慢的细胞和组织，且ODC活性增强和多胺水平的升高与肝再生刺激物密切相关[21-22]。大鼠肝脏部分切除后，其肝细胞内的ODC活性显著升高，提示ODC对肝再生有重要的调控作用[23]。Lee等[24]研究发现，增殖期C2C12小鼠成肌细胞和SkMC人类骨骼肌细胞高表达ODC1，使用ODC抑制剂DFMO处理C2C12小鼠成肌细胞后发现，C2C12成肌细胞在培养48和72 h时分别减少了40%和66%，提示ODC对细胞增殖有重要的调控作用。Favre等[25]用α-干扰素(IFN-α)作用于大鼠，观察到大鼠肝再生中的DNA含量无变化，而腐胺水平降低，推测IFN-α通过抑制ODC活性来降低细胞内的多胺水平。Pendeville等[26]研究表明，敲除小鼠ODC1基因后，小鼠在胚胎发育第5天死亡，证明ODC1对生长发育至关重要。此外，迟伟玲等[27]采用慢病毒载体介导的RNA干扰技术沉默ODC基因表达，结果细胞增殖受到明显抑制，细胞倍增时间从223 h延长到320 h，S期细胞增加，G0/G1和 G2/M 期细胞显著减少，这进一步证明ODC参与了细胞增殖的调控。

4 ODC与肿瘤发生的关系

多胺是肿瘤细胞快速增殖所必需的物质，而ODC作为多胺合成代谢的限速酶，也与肿瘤的发生密切相关。研究发现，肿瘤患者血清中ODC活性显著增高，且具有统计学意义，其在癌组织中的升高尤为明显[28]。赵爽等[29]研究表明，前列腺肿瘤患者血液和组织中的ODC活性约为正常人血液和组织中ODC活性的2～3倍，提示ODC活性与肿瘤发生密切相关。另外，Lange等[30]检测了神经胶质瘤组织与正常神经组织中ODC基因的表达水平和多胺水平，发现神经胶质瘤组织中ODC水平明显高于正常的神经组织；瘤组织中精胺和亚精胺含量也均高于正常神经组织，推测ODC长期过表达，导致局部组织中精胺和亚精胺含量增加，从而加速了细胞增殖[31]。丁翔等[32]检测了卵巢癌组织、癌旁组织和卵巢良性肿瘤中ODC基因的表达，结果显示ODC基因在卵巢癌组织中的表达明显高于癌旁组织和卵巢良性肿瘤。在雌激素受体α(Estrogen receptor alpha,ERα)阳性的乳腺癌细胞中，雌激素上调ODC活性并且提高多胺含量，从而促进细胞的增殖[33-34]。过表达ODC基因的乳腺癌细胞中的胶原蛋白和血管内皮抑制素表达受到抑制，而胶原蛋白和血管内皮抑制素均具有促进肿瘤细胞侵袭和转移的作用[35]。另外，Zhu等[36]研究表明，RNAi介导的ODC1基因沉默可引起多胺含量减少，并且阻碍ERα阳性的MCF7和T47D及ERα阴性的MDA-MB-231乳腺癌细胞的生长。综上所述，ODC活性的异常升高与肿瘤的发生密切相关。

5 ODC的表达调控

5.1 ODC转录的调控

ODC蛋白质受转录的调节，许多因素都能促进ODC基因的表达。ODC基因启动子区域包含cAMP效应元件、CAAT和LSF基序、AP-1和AP-2位点、富含GC的Sp1结合位点和TATA盒，这些序列使得ODC可应答机体内的激素和生长因子信号[37]。众所周知，ODC是致癌基因c-myc的靶基因，Myc/Max转录复合物活性增强将导致ODC水平的增加[38]。c-myc水平增加时，ODC基因启动子可与Myc/Max转录因子结合，从而被激活。在细胞周期处于静止期的细胞中，ODC基因启动子的这些位点被无活性的Mnt/Max复合物所占据，致使ODC转录水平较低[38]。人类ODC基因内含子1存在一个单核苷酸多态性位点[39]，该位点所处的ODC基因侧翼序列能够影响ODC与Myc/Max的结合能力，含少量A等位基因的ODC活性显著高于含大量G等位基因的ODC。因此，当myc表达上调时，由于不同个体ODC应答能力存在差异，从而使不同个体对前列腺癌和结肠癌的易感性存在差异[40]。

5.2 ODC翻译的调控

ODC存在翻译水平的调控[41]。ODC基因的mRNA序列有一个较长的、结构复杂的5′非编码区。在高表达eIF-4E的细胞中，ODC含量显著增加[42]。体内和体外的研究表明，ODC的5′端非编码区含有一个内部开放阅读框和一段富含GC的序列，这些序列对ODC翻译具有较强的抑制作用，而在3′端非编码区可能还存在抵消这种抑制效应的区域[43]。虽然对有关长的、保守的3′端非编码区功能的研究较少，但是已经证实3′端非编码区域对于低渗休克所诱导的ODC翻译水平增加是必需的[44]。ODC翻译还受到癌基因c-myc下游基因的调控。Ras/Raf/MEK/ERK的激活能显著促进ODC基因的翻译。Shantz[45]研究表明，Ras可经由磷脂酰肌醇3-激酶和Raf/MEK/ERK信号调控eIF-4E及其结合蛋白eIF-4E-BP1的途径来参与调控ODC的翻译。此外，ODC还可通过内部核糖体进入位点(Internal ribosome entry site,IRES)以非帽依赖(Cap-independent)途径进行翻译，C的5′非编码区含有一个与微小核糖核酸病毒IRES相似的序列，该段序列在HeLa细胞周期的G2/M期发挥IRES的功能[41]。大鼠胰腺肿瘤细胞中ODC可变剪接体具有较高的IRES活性，并且对细胞周期影响因素的敏感性也显著升高。总之，机体可通过多种途径调控ODC的翻译，从而维持细胞内多胺的稳态。

6 结语与展望

ODC作为多胺合成的第一限速酶，在维持细胞内多胺稳态中发挥着重要作用，进而参与调节细胞增殖。ODC的表达在转录和翻译水平受到精确调控，而ODC表达水平的异常亦与包括肿瘤在内的多种疾病的发生与发展密切相关。因此，ODC可作为一个潜在的抗肿瘤药物作用靶点。然而，目前有关ODC的研究还存在一些尚待解决的问题：1)ODC调控细胞增殖的功能是直接的，还是通过介导多胺代谢途径而间接实现的；2)ODC参与调控肿瘤发生、发展过程的精确机制仍不十分清楚；3)ODC过表达促进组织再生的机制仍有待进一步研究；4)以ODC作为药物作用靶点，开发抗肿瘤药物值得深入研究。

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