组成型光形态建成蛋白1介导p53及Jun激酶泛素化通路的研究进展

杨文博(综述)，乌兰齐齐格,达林泰(审校)

(内蒙古医科大学附属医院口腔科，呼和浩特 010050)

组成型光形态建成蛋白1(constitutively photomorphogenic protein 1，COP1)，也称为RFWD2[1]，是一个光形态建成的抑制子。首先发现于拟南芥，其主要作用为抑制光介导的植物生长。在黑暗环境下COP1位于细胞核内，光照环境下位于细胞质中，可降解胚轴蛋白5(hypocotyl 5，HY5)、长波远红光蛋白1(long after far-red light1，LAF1)和长胚轴远红光蛋白1(long hypocotyl in far-red1，HFR1)[2]。在哺乳动物中，COP1可作为p53泛素化的一种E3连接酶，能够抑制p53转录激活活性、促进依赖p53的细胞凋亡。COP1的过表达可促进细胞增殖、细胞分化以及肿瘤发展。COP1在肝癌、胃癌、肺癌、食管癌、乳腺癌、卵巢腺癌中具有高表达，相关报道表明COP1的表达与肿瘤的浸润程度呈正相关，COP1作为一种肿瘤抑制蛋白与p53呈负调节，影响p53依赖的转录、细胞凋亡、细胞周期阻滞和DNA修复[3]。目前研究表明，p53泛素化经典途径是鼠双微粒体蛋白2(murine double-minute 2，MDM2)及p53介导的环状H2蛋白(p53-induced ring-h2 protein，Pirh2)，COP1途径是p53泛素化的非MDM2依赖途径[4]。本文将对COP1的基本结构及对p53、Jun激酶的表达调控和影响因素研究进展进行综述，为COP1/p53泛素化及Jun激酶信号通路全面解析奠定基础。

1 COP1的结构

COP1最先见于植物光调控发育报道。近年来COP1在哺乳动物中的表达及功能也被广泛关注，COP1已被认为是肿瘤抑制因子p53的一个重要的负调节因子，COP1是一个由675个氨基酸组成的相对分子质量为76×103的可溶性核蛋白，在二级结构上，它由3个特殊的结构域组成，即N端的环形锌指结合域(ring finger zinc binding domain，RING)、中间的卷曲螺旋形结构域、C端的WD-40重复序列(WD-40)。此外，还含有一个核定位信号和一个新型细胞质定位信号。

COP1的环形锌指结构域易于Zn离子结合，是一个整合的结构单元，其保守序列为CX2CX(9-39)CX(1-3)CX(2-3)CX2CX(4-48)CX2C3HC4。环形锌指结构域形成的是一个整合的结构单元而不是两个串联的锌指模型。其作用是介导蛋白质与蛋白质间的相互作用[5]；卷曲螺旋结构域含有82个氨基酸，其二级结构为连续的α螺旋，呈高度负电荷化。该结构域的功能是负责与DNA结合，同样也具有蛋白质与蛋白质间的相互作用，该结构域与WD-40重复序列之间的区域若缺失则会严重抑制COP1的失活，若在该结构域内插入氨基酸片段后COP1活性明显降低，可见卷曲螺旋结构与WD-40重复序列之间的该区域为COP1的关键区域；WD-40重复序列含有四个完整的WD-40重复序列及两个不完整的重复序列，同时具有与DNA结合作用及蛋白质与蛋白质结合作用。若WD-40重复序列结构改变，氨基酸缺失则导致功能相反，即COP1b，可见WD-40重复序列区域是COP1行使其功能的重要区域；COP1中细胞质定位信号和核定位信号分别位于COP1氨基酸残基上及C端，细胞质定位信号与环形锌指类结构及卷曲螺旋结构部分重叠可引导COP1核分布。

2 COP1的功能

COP1参与植物生长发育，哺乳动物细胞的存活、生长和代谢。在植物中是一种重要的光敏色素相互作用蛋白，植物中转录因子COP1主要作用于LAF1、HY5、HYH和HFR1及光感受器，其中包括光敏色素A和隐花素1.5的泛素依赖性蛋白酶体降解[6]。在黑暗状况下COP1位于细胞核内，作为一种抑制E3泛素连接酶为目标的蛋白质[7]，如光形态建成，促进转录因子HY5破坏的形态建成[8]，针对位于核内的转录因子蛋白酶体介导的降解。转移至光下后，COP1变为非激活状态，迁移到细胞质，使光形态进行，但剩余细胞质下调光信号介导的光敏色素A[9]。在这里，若等位基因COP1凭借转移出细胞核和通过抑制的蛋白质-蛋白质相互作用，从而使光形态继续进行。即降低而不是在红光下的黑暗提高子叶展开的能力。相反，COP1过表达可去除黄化不良在蓝色或远红外红光下照射增强型光形态建成。

COP1虽然在哺乳动物细胞中不发生光形态建成，但哺乳动物细胞中的COP1与拟南芥COP1有同源性的。近期研究表明，突变的COP1及其蛋白底物在多种人类恶性肿瘤中有表达，如肝癌、胃癌、肺癌、食管癌、乳腺癌、卵巢腺癌中具有高表达，COP1的过表达可促进细胞增殖、细胞分化以及肿瘤发展。哺乳动物中的COP1与拟南芥中COP1蛋白结构相似，同样包括N端RING，一个内部的卷曲螺旋结构域和C端WD40重复。但是，哺乳动物COP1与植物COP1相比具有N端延伸，可能是负责针对COP1核膜。此外，哺乳动物的COP1拥有E3泛素连接酶的活性。COP1除了具有内在E3活性，其还在拟南芥和哺乳动物细胞中参与多种蛋白底物泛素化，促进其蛋白酶体降解，COP1参与形成E3泛素连接酶复合物，其中包含在人类细胞中存在的一些E3复合物，如de-etiolated 1(DET1),DNA damage-binding protein 1(DDB1),culline 4(CUL4)[10]及ring-box 1(RBX1)。COP1的底物的被逐渐识别，包括ACC1(acetyl-coenzyme A carboxylase alpha),MTA1(metastasis-associated protein 1),FOXO1(forkhead box protein O1)，TORC2(transducer of regulated CREB activity 2)和PEA3(polyomavirus enhancer activator-3)[11]。COP1蛋白是能够针对转录因子HY5(拟南芥)和Jun激酶(在人类)的泛素化和蛋白酶体介导的降解。在哺乳动物细胞中,COP1是一个进化上保守的环状锌指结构域内Cullin的环连接酶(CRL)复合物，可促进Jun激酶的和p53泛素化的泛素连接酶的作用。作为p53负调节因子，研究COP1蛋白表达与p53蛋白在人类癌症状态之间的关系是至关重要的。COP1与Jun家族的亮氨酸结合。作为一种功能性相互作用的结果，在哺乳动物细胞中表达COP1能有效下调Jun激酶转录所依赖的目标基因激活蛋白1(apetala1,AP-1)的表达。COP1的RING可表现出体外泛素连接酶的活性，但由COP1抑制依赖AP-1转录的Jun激酶蛋白水平表达的变化表明，Jun激酶降解是独立于这种抑制作用。拟南芥中COP1在控制基因表达的重要属性提示，COP1在哺乳动物细胞可能成为一个新的肿瘤调节因子。

2.1COP1与p53泛素化途径 p53作为应激激活的序列特异性转录因子，激活转录开始于含有p53的结合位点共识的激活子。此外，p53蛋白因其具有有效的转录抑制功能，在基因水平具有调控作用。因此，它可以保护细胞免受各种应激信号，如DNA损伤、核苷酸耗竭和原癌基因激活，参与细胞周期阻滞、凋亡基因激活转录、DNA修复，并且抑制基因参与血管生成、抗细胞凋亡、细胞周期进程。激活p53后，可能会导致生长停滞、衰老或凋亡，从而防止细胞受损基因组复制。p53在无应力细胞中迅速转化由蛋白酶体依赖性途径，这是通过E3泛素连接酶COP1蛋白与PIRH2和MDM2底物识别来完成的[12]。MDM2是p53的主要负调控因子，是由Momand等首先提出的[13]，其主要功能为介导p53蛋白降解和抑制p53转录活性；调节p53的核-浆交换[14]。MDM2蛋白的基因已被证明是上调的基因扩增和过表达的肿瘤。MDM2蛋白已被证明对肿瘤细胞的增殖和过表达有影响。野生型p53基因在各种癌症中，MDM2蛋白的过表达和(或)扩增的频率是比较低的，尽管MDM2蛋白仍隐藏致癌特性。Pirh2途径是由Duan等首次研究报道，磷酸化修饰会导致Pirh2蛋白自身不稳定以及改变Pirh2蛋白的亚细胞定位，使Pirh2蛋白处于细胞核外，也有研究发现，Pirh2不依赖于MDM2促进p53降解，Pirh2通过负反馈环路调控p53的功能，导致介导p53泛素化降解功能的丧失；而COP1可作为p53泛素化的一种E3泛素连接酶，能够抑制p53的逆转录活性和依赖p53细胞凋亡，COP1可以使p53直接泛素化而不依赖MDM2及Pirh2途径[15]。现行对p53研究表明在哺乳动物细胞DNA受损时，p53表达水平升高，p53乙酰化及磷酸化，此时p53可通过MDM2和Pirh2途径及COP1途径泛素化，从而抑制其逆转录活性，阻止受损细胞周期的继续[16]。

2.2COP1与Jun激酶蛋白 Jun激酶作为Jun家族(还包括V-Jun、JunB及JunD等)的转录因子之一，Jun激酶基因的阅读框架有340个氨基酸,其蛋白产物c-Jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)的相对分子质量为37×103～39×103的蛋白，JNK可以形成同源二聚体,但更多的是形成AP-1。Jun亚类成员可与任何AP-1家族转录因子通过亮氨酸拉链结合形成同源或异源二聚体,或与另一类含碱性亮氨酸拉链的转录激活因子(transcription activator,ATF)形成Jun-ATF2异源二聚体;参与细胞周期中细胞的生长及凋亡[17]。由于Jun激酶增殖作用，异常的激活Jun激酶在多种肿瘤细胞中也有过表达，与p53类似Jun激酶也是一种极不稳定的蛋白，受多个泛素连接酶限制。从相关研究报告中可得知，COP1、FBW7(F-box/WD重复蛋白7)[18]和相互作用蛋白4(ITCH)均可促进Jun激酶的泛素化。Jun激酶以非磷酸化和磷酸化形式存在。JNK位于胞质,通过苏氨酸和酪氨酸残基羟基侧链的双重磷酸化而被激活。JNK蛋白激酶有3个基因编码:JNK1、JNK2和JNK3。JNK1和JNK2基因在全身广泛表达,而JNK3呈限制性表达,仅见于脑、心脏和睾丸[19]。正是由于3种基因的不同分布,特别是JNK3,使他们执行不同的细胞功能。JNK1和JNK2主要在生物学和病理过程中发挥作用,尤其是免疫系统；JNK3主要表现在神经系统,尤其是神经细胞死亡[20]。JNK可激活Jun激酶，使其磷酸化。在人类癌细胞中，随着p53表达的减少或缺失，导致JNK活化和Jun激酶转录活性增加。JNK信号途径可以调控细胞生长、癌基因转化、细胞分化和细胞凋亡等多种生命过程，JNK信号通路的活化与诱导癌细胞的凋亡有关，因而有抗癌效应[21]。近年来的研究表明，JNK还与多种疾病发生机制有关(阿尔茨海默病、帕金森病、角膜炎、糖尿病)[22]，从而使JNK在临床上可作为一个潜在的分子治疗靶点。进一步研究发现，Jun激酶作为COP1的一个重要的生理指标，COP1保持Jun激酶在体内较低水平，从而调制Jun激酶/AP-1转录活性。更重要的是，COP1使Jun激酶的依赖性细胞增殖缺乏刺激[23]。研究表明在多种癌症中COP1缺失是导致Jun激酶在人类癌症的上调机制之一。因此，认为COP1具有肿瘤抑制功能。

3 展 望

目前研究表明，COP1的研究已从植物发展到哺乳动物，在人类多种肿瘤细胞中，COP1均有高表达，COP1作为一种E3泛素连接酶，分布于细胞核及细胞质内的COP1对p53及Jun激酶抑癌基因的泛素化有负调节作用，COP1对促进了肿瘤的发生及发展，已得到初步证明。通过研究COP1对p53及Jun激酶的作用机制，进一步了解COP1对肿瘤的发生机制影响，为未来抑制肿瘤发生及生长奠定一定的理论基础，COP1是否可以作为研究临床肿瘤分子治疗的潜在目标靶，需进一步探索。

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