p70S6K结构与功能研究进展

李 　 欣

(成都大学 体育学院，成都 四川 610600)



p70S6K结构与功能研究进展

李 欣

(成都大学 体育学院，成都 四川 610600)

摘要：p70核糖体蛋白S6激酶 (p70S6K)是mTOR的主要下游作用靶物，在翻译起始、蛋白合成、细胞周期、细胞迁移等方面具有重要作用。本文综述了p70S6K的结构和功能，这对于了解p70S6K以及其调控的相关信号通路分子具有重要意义。

关键词：p70S6K；结构；功能

P70核糖体蛋白S6激酶 (p70S6K)是哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR) 的主要下游作用靶物。研究表明，mTOR信号通路激活蛋白质翻译，调节蛋白质合成，是细胞生长的中心调控者，在决定细胞、组织及器官大小中发挥重要作用。p70S6K则在该信号通路中的翻译起始、蛋白合成、细胞周期、细胞迁移等方面具有重要作用。以下对p70S6K的结构和功能进行详细介绍，对其在细胞迁移和神经细胞生长导向等方面的相关研究进行了展望，以期在肌肉合成和神经细胞重建等方面获得突破。

1p70S6K结构简介

果蝇细胞只表达一种S6K蛋白，而哺乳动物细胞则表达S6K1和S6K2， 目前已经确定了S6K1的两种同源异构体：分子量为70 道尔顿的细胞质型(p70S6K)和85 道尔顿的细胞核型(p85S6K)。通过研究S6K1的cDNA模板发现，该激酶具有一个催化功能域，可被两种5′端不同的转录因子编码，形成两种氨基末端不同的多肽(分子量分别为56.2和59.2道尔顿)，较长的多肽形成的蛋白延伸出一个有23个氨基酸的核定位序列，其分子量为85道尔顿。S6K2存在两种同源异构体：P54S6K和p56S6K，但大多在细胞核中存在。如图1所示，图1(a)是p70S6K家族结构示意图，包括p70S6K和p85S6K，p70S6K最左侧含有一个高度保守的氨基端，其后是一个典型的丝氨酸/苏氨酸激酶催化域，和一个具有调节功能的羧基端尾，其尾部具有一个自抑制功能域，是磷酸化S6的地方。 该功能域包括4个丝氨酸残基，当残基被磷酸化时，该激酶被激活。p70S6K的磷酸化位点丝氨酸残基418同S6蛋白的磷酸化位点丝氨酸残基236对齐，成为底物识别的关键[1]。图1(b)展示了p70S6K和p85S6K的区别，主要在于磷酸化位点的不同，p70S6K和p85S6K都均有set1结构，而p70S6K的set2结构(尤其是丝氨酸残基411，丝氨酸残基418，苏氨酸残基421和丝氨酸残基424的存在)导致了p70S6K的雷帕霉素更加敏感。

2p70S6K的磷酸化激活

蛋白质磷酸化是调节和控制蛋白质活性和功能的最基本、最普遍和最重要的机制。p70S6K本身并不具有生物活性，须经过磷酸化激活后，蛋白质结构发生变化，形成一个结构基因，以促进其和其他蛋白质相互作用而形成多蛋白复合体。目前研究认为，p70S6K可以通过以下途径被激活调节：(1)PI3K途径，(2)mTOR途径，(3)蛋白激酶C家族及小GTP酶中的Rho家族相关途径。

图1p70S6K结构示意图[1]

图2为p70S6K的激活示意图。G蛋白偶联受体或酪氨酸激酶受体激活PI3K后，PI3K进而磷酸化激活p70S6K，p70S6K中起主要作用的是激酶S6，它可以上调蛋白合成速率。目前认为可以激活p70S6K的包括PIP3，PKC，PDK1，mTOR，FRAP等。

图2p70S6K激活示意图[3]

p70S6K的激活是一个复杂而多步骤的过程。对mTOR有特异性抑制作用的纳巴霉素对p70S6K的活性也具有强烈的抑制作用，说明mTOR在p70S6K激活过程中具有重要意义。最初的实验认为P13K须经过mTOR激活p70S6K，但在Brunn等人的研究中发现，PI3K的经典抑制剂LY294002及安太霉素同样对mTOR的自我磷酸化有抑制作用，且这种抑制作用可以不通过PI3K途径[2]。直到1998年，Pullen等发现p70S6K可以被PDK1( PI3K的下游底物和mTOR的上游引物)直接磷酸化，表明PI3K可以跳过mTOR而直接作用于p70S6K。因此，我们推测p70S6K的激活可能同时依赖PI3K及mTOR的活性，且二者对p70S6K的激活是独立的[3]。p70S6K还可以被PKCζ激活，但其具体机制尚未明了。

p70S6K C端的非催化区存在一组苏氨酸和丝氨酸残基，它们和丝氨酸残基371的磷酸化使p70S6K的色氨酸残基389被PDKI直接磷酸化，进而引起活化环中色氨酸残基229的磷酸化，此时C端的自我抑制状态被解除，两者促使p70S6K达到最强活性状态[4]。色氨酸残基229和色氨酸残基389这两个位点的磷酸化对p70S6K的激活意义，C端非催化区中氨基酸残基的磷酸化并不能充分激活p70S6K，只要色氨酸残基389未被磷酸化，p70S6K很难发挥它的生理作用。PDK1，Akt和PKC对色氨酸残基389均有磷酸化作用，但PDK1对色氨酸残基389的磷酸化并不需要p70S6K的活性，而Akt和PKC则需要p70S6K本身的活性，这一现象说明p70S6K的激活过程中存在自我磷酸化现象，即色氨酸残基229已被磷酸化后，色氨酸残基389才能被一些激酶充分磷酸化，使p70S6K活性进一步增强。其中，PI3K和mTOR对色氨酸残基389的磷酸化起着关键性的作用，尤其是mTOR体系，目前认为色氨酸残基389的活性可以间接代表mTOR的活性[5]。

3p70S6K功能

3.1p70S6K与蛋白合成

除最早发现的核糖体蛋白S6这一种p70S6K的底物外，到目前已确定了9种不同的底物，其底物确认原则：(1)该底物具有磷酸化的丝氨酸残基及识别p70S6K的基团，(2)可在体外被p70S6K磷酸化，(3)体内该底物的磷酸化与p70S6K活性相关。真核生物核糖体包括两个亚基：40S和60S。40S包括一个18S 的rRNA和33种蛋白质，60S具有5，5.8和28SrRNA，以及46种蛋白质。核糖体蛋白S6的磷酸化位点为C端的丝氨酸残基235 ，236， 240 ，244和247。磷酸化过程按顺序进行，丝氨酸残基236是最主要的磷酸化位点，只有该残基具有识别p70S6K的功能[6]。p70S6K通过磷酸化核糖体S6蛋白，达到控制翻译起始的作用。研究发现，在动物细胞中，编码核糖体蛋白、翻译延伸因子和翻译起始因子等翻译元件的一类mRNA的翻译表达受p70S6K控制，这类mRNA的5′ 末端普遍具有聚嘧啶序列 (5′terminal oligopyrimidine tract)，故被称为TOP mRNA。TOP mRNA的主要特征是，(1)5′末端以胞嘧啶为起始，紧接5-15个连续聚嘧啶序列；(2)翻译受细胞生长状态的影响；(3)表达受mTOR信号转导路径调控；(4)翻译调控受5′ 末端的完整性和TOP序列位置的影响[7]。TOP mRNA编码核糖体蛋白、翻译延长因子和起始因子等翻译元件，在调节转化效率中扮演重要角色，磷酸化后的S6蛋白定位在两种核糖体亚基表面，与tRNA, 翻译起始因子和mRNA相互作用，参与mRNA结合的过程，导致5′TOP mRNA的特异性翻译开始[8]。真核生物翻译延伸因子2激酶( Eukaryotic elongation factor 2 kinase ,eEF2K ) 是翻译延伸的负相调节者，通过磷酸化作用抑制真核生物翻译延伸因子2的作用，该激酶在丝氨酸残基366被p70S6K磷酸化后即会失活，从而增强蛋白质的合成[9]。

3.2p70S6K与细胞周期

p70S6K敲除的果蝇细胞，其细胞周期可明显延长到正常的二倍。经过纳巴霉素处理的小鼠肺成纤维细胞重新进人细胞周期时，p70S6K的活性明显增加，从而促使细胞的生物合成，促进细胞的生长。细胞的有丝分裂是一个需要大量能量的过程，细胞的蛋白翻译在这时相对静止，作为具有促进细胞生物合成作用的重要调节激酶，p70S6K的活性理应受到抑制，因为大量的能量将被用于染色体的浓缩、核膜的瓦解及纺锤体的形成等，而不是生物合成。但研究发现，p70S6K的C端自我抑制状态在这时已被解除[10]。p70S6K的丝氨酸残基411、丝氨酸残基418、色氨酸残基421、丝氨酸残基424、丝氨酸残基428和色氨酸残基447等磷酸化位点被磷酸化，对解除C端的自我抑制状态意义重大[11]。但这与细胞的生物合成规律似乎存在矛盾。随着催化亚基CDc2的被发现，上诉矛盾得以解释。实验发现，被阻断在G0期的鼠科FT210细胞中，如果CDc2失活，p70S6K磷酸化位点的磷酸化程度大大下降，同时色氨酸残基389的磷酸化会被增强，这说明CDc2在细胞有丝分裂过程中可磷酸化p70S6K的一些磷酸化位点，但对于p70S6K活性具有重要意义的色氨酸残基389这一位点，CDc2却有间接的抑制作用，进而抑制了p70S6K的活性，从而维持了细胞有丝分裂与蛋白翻译之间的平衡[10]。

3.3p70S6K与细胞迁移

细胞迁移指的是细胞在接收到迁移信号或感受到某些物质的浓度梯度后，细胞骨架中的肌动蛋白通过聚合和解聚合作用，导致细胞底层在细胞边缘处向外运动而产生的移动。过程中细胞不断重复着向前方伸出突足，然后牵拉胞体的循环过程。细胞迁移与细胞觅食、损伤的痊愈、胚胎发生、免疫、感染和癌症转移等等生理现象密切相关，是目前细胞生物学研究的一个主要方向。Ras相关的C3肉毒素底物1(Rac1)和细胞分裂周期蛋白42 ( cell division cycle42, Cdc42) 是与细胞迁移相关的小G蛋白，Rac1的过表达可激活p70S6K，证实了p70S6K与细胞骨架的调节相关[12]，但其具体机制仍存在争议。有研究认为p70S6K是与Rac1和Cdc42一起参与细胞迁移，而一些实验又发现p70S6K可以直接调控细胞骨架进而间接调节细胞迁移的证据。第一， p70S6K可共定位于肌动蛋白张力纤维上，从而参与肌动蛋白的聚合作用；第二，凝血酶刺激肌动蛋白张力纤维伸长，从而引起细胞形变的效果可以通过抑制mTOR /p70S6K通路实现；第三，在与细胞迁移密切相关的肌动蛋白弧上存在p70S6K定位点[13]。

3.4p70S6K与癌症

越来越多的证据表明，在肿瘤发生中存在mTOR表达失调。p70S6K是mTOR的直接作用底物，被mTOR磷酸化后激活，从而使核糖体40S小亚基易于结合翻译复合物，促进蛋白质合成。目前的研究发现，p70S6K与肾癌、膀胱癌、食道鳞癌等肿瘤的发生具有高度相关性。刘国斌检测了肾癌及正常肾组织中mTOR和p70S6K蛋白的表达，发现肿瘤组织中mTOR与P70S6K二者之间具有高度相关性，p70S6K在肾癌中呈阳性表达，与临床分期、分化程度、淋巴转移相关，与性别、年龄无相关性，证明mTOR/P70S6K信号通路可能在肾细胞癌的发生、发展中起重要作用[14]。侯桂琴的研究表明，激活的mTOR/p70S6K信号通路在食管鳞癌细胞生长、增殖和抗凋亡中起着重要作用，该信号通路可能是食管鳞癌基因治疗中一个重要的分子靶点[15]。庄桂山的研究发现，p70s6k和4EBPl在膀胱癌中呈高表达，且随肿瘤的分级分期增加而表达增高，提示其与膀胱癌的发生、发展及恶性程度预后密切相关，对于膀胱癌的诊断治疗及预后有重要提示意义[16]。

3.5p70S6K与神经再生

最新的研究发现，p70S6K与轴突生长和导向有关。研究发现，在HeLa细胞中，当mTOR和p70S6K共表达时，可以募集甘氨酸受体，影响脊髓神经元的突触后端中甘氨酸的表达，进而影响轴突生长[17]。而有关介导神经细胞骨架重排的研究中也发现，mTOR/p70S6K可经Rho蛋白募集细胞受体蛋白，提高细胞肌动蛋白和细胞骨架的协同作用，从而调控神经细胞导向[18]。

4研究展望

前期对于p70s6k的研究主要集中在影响蛋白合成和调节细胞周期上，但近来越来越多的研究将焦点集中在了其在肿瘤发生和神经轴突生长上，目前针对p70S6K信号通路分子(包括PI3K和mTOR的)的抑制剂已经运用在临床试验中。而神经轴突生长的临床试验也已证明通过mTOR/p70S6K/Rho信号通路，可以有效改善轴突生长情况。因此，针对p70S6K开发的一系列药物将是治疗肿瘤和轴突生长的一条有效方法，并具有广泛的研究前景。

参考文献:

[1] U.Bandarage,B.Hare,J.Parsons, et al. 4-(Benzimidazol-2-yl)-1, 2, 5-oxadiazol-3-ylamine derivatives: potent and selective p70S6 kinase inhibitors [J]. Bioorg. Med. Chem. Lett., 2009, 19(17):5191-4.

[2] B.George,B.Vollenbröker,M.A.Saleem,et al. GSK3β inactivation in podocytes results in decreased phosphorylation of p70S6K accompanied by cytoskeletal rearrangements and inhibited motility [J]. Am. J Physiol. Renal. Physiol., 2011,300(5):F1152-62.

[3] M.A.Beigh,M.Showkat,M.Ul Hussain,et al. Rapamycin inhibition of baculovirus recombinant (BVr) ribosomal protein S6 kinase (S6K1) is mediated by an event other than phosphorylation [J].Cell Commun. Signal., 2012,10:4.

[4] W.A.Lucena,Pelegrini,D.Martins-de-Sa, et al. Molecular approaches to improve the insecticidal activity of Bacillus thuringiensis Cry toxins [J].Toxins,(Basel). 2014, 6(8):2393-423.

[5] A.Bhattacharya,H.Kaphzan,A.C.Alvarez-Dieppa,et al. Genetic removal of p70 S6 kinase 1 corrects molecular, synaptic, and behavioral phenotypes in fragile X syndrome mice [J]. Neuron.2012, 76(2):325-37.

[6]B.Wenlei,H.Xiyan,Z.Xu,et al. Molecular Characterization and Expression Analysis of Ribosomal Protein S6 Gene in the Cashmere Goat (Capra hircus) [J].Asian-Australas J Anim Sci. 2013,26(11):1644-50.

[7] I. Ruvinsky,Meyuhas. Ribosomal protein S6 phosphorylation: from protein synthesis to cell size [J]. Trends Biochem Sci. 2006, 31(6):342-8.

[8] O.J.Shah,T.Hunter.Turnover of the active fraction of IRS1 involves raptor-mTOR- and S6K1-dependent serine phosphorylation in cell culture models of tuberous sclerosis [J].Mol Cell Biol. 2006,26(17):6425-34.

[9] M.Pelosi,M.De Rossi,L.Barberi,et al. IL-6 impairs myogenic differentiation by downmodulation of p90RSK/eEF2 and mTOR/p70S6K axes, without affecting AKT activity [J].Biomed Res Int., 2014:206026.

[10] O.J.Shah,S.Ghosh,T.Hunter,et al. Mitotic regulation of ribosomal S6 kinase 1 involves Ser/Thr, Pro phosphorylation of consensus and non-consensus sites by Cdc2 [J]. J Biol Chem. 2003, 278(18):16433-42.

[11] X.Dong,W.Tang,S.Stopenski,et al. RAP1GAP inhibits cytoskeletal remodeling and motility in thyroid cancer cells [J].Endocr. Relat. Cancer., 2012, 19(4):575-88.

[12] J.E.Aslan,G.W.Tormoen,C.P.Loren,et al. S6K1 and mTOR regulate Rac1-driven platelet activation and aggregation [J]. Blood., 2011, 118(11):3129-3136.

[13] Y.R.Cho,J.H.Kim,J.K.Kim,et al. Broussonetia kazinoki modulates the expression of VEGFR-2 and MMP-2 through the inhibition of ERK, Akt and p70S6Kdependent signaling pathways: Its implication in endothelial cell proliferation,migration and tubular formation [J].Oncol. Rep., 2014,32(4):1531-6.

[14] 刘国斌. mTOR/P70S6K信号通路在肾癌中的表达及临床意义 [D].沈阳：中国医科大学,2012.

[15] 侯桂琴.食管鳞癌中mTOR/p70S6K信号通路的作用及其阻断策略 [D].郑州：郑州大学,2007.

[16] 庄桂山.P70s6k和4EBP1在膀胱癌中的表达及临床意义 [D].沈阳：中国医科大学,2012.

[17] P.Zacchi,R.Antonelli,E.Cherubini.Gephyrin phosphorylation in the functional organization and plasticity of GABAergic synapses [J]. Front. Cell. Neurosci.,2014, 8:103.

[18] S.Flavahan,N.A.Flavahan.The atypical structure and function of newborn arterial endothelium is mediated by Rho/Rho kinase signaling [J]. Am. J. Physiol. Heart. Circ. Physiol. , 2014, 307(4):H628-32.

Advance Research on Structure and Function of p70S6K

LI Xin

(Institute of Sports, Chengdu University, Chengdu 610600, China)

Abstract:The p70S6K plays a key role in the regulation of cell growth by controlling the biosynthesis of translational components which makes up the protein synthetic apparatus, most notably ribosomal proteins. We reviewed recent biochemical, genetic and structural studies on the p70S6K. It is a great significance for the understanding of p70S6K and its regulation of the related signal pathway.

Key words:p70S6K, structure, function

文章编号：1007-4260(2015)03-0085-05

中图分类号：Q7

文献标识码：A

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2015.03.023

作者简介：李欣，男，四川德阳人，博士，成都大学体育学院副教授，研究方向为运动与健康。

基金项目：四川省教育厅2013年度科研项目(13ZB0340)和成都大学校基金项目(2012ZJZ01)。

收稿日期：2014-09-15

网络出版时间：2015-8-25 15:40网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20150825.1540.023.html