S100 钙结合蛋白A11的生物学功能及其参与调节的相关信号通路

李　桃，纪易斐，江　枫，肖明兵(综述)，倪润洲(审校)

(南通大学附属医院消化内科，江苏 南通 226001)



S100 钙结合蛋白A11的生物学功能及其参与调节的相关信号通路

李桃△，纪易斐，江枫，肖明兵(综述)，倪润洲※(审校)

(南通大学附属医院消化内科，江苏 南通 226001)

摘要：S100 钙结合蛋白A11(S100A11)为S100蛋白家族中的一员，与其他EF手型Ca2+结合蛋白家族成员相比有其特征。S100A11广泛表达于多种组织，可位于细胞质及细胞核，甚至细胞外围。目前研究发现S100A11参与多种生物学功能的调节，在调节细胞生长、凋亡、调节炎症反应、调控细胞骨架构建等方面发挥重要作用。该文将联系S100A11的多种靶蛋白，对其生物学功能进行综述，通过揭示S100A11的内在信号转导通路，为相关疾病的诊断、治疗及预防提供帮助。

关键词：S100 钙结合蛋白A11；调控；信号通路

S100家族是一类低分子量(相对分子质量9000~14 000)的酸性蛋白质,在中性饱和硫酸铵中能100%溶解，属于EF手型Ca2+结合蛋白超家族，结合后发挥其生物学效应。S100家族通过转导钙依赖性的细胞调节信号，参与多种生物学过程的调控，包括细胞的增殖、分化、细胞凋亡及维持胞内外钙离子平衡等[1-2]。S100 钙结合蛋白A11(S100 calcium binding protein A11，S100A11)是S100家族众多成员中的一员，其又被称为 S100钙结合蛋白 C、钙平衡素等，于1989年首次发现,在猪的心肌细胞和鸡平滑肌细胞中提取获得[1]。S100A11在调节细胞生长、凋亡、调节炎症反应、调控细胞骨架构建[3-5]等方面发挥重要作用。在体内，多条信号通路参与S100A11的调节并影响其生物功能的发挥，现就S100A11生物学功能及其参与调节的相关信号通路进行综述，以期为S100A11的深入研究提供新的思路。

1S100A11生物学特征

1.1S100A11结构完整的S100A11包含两个不同的EF手型基序，分别位于该蛋白的C端和N端。位于N端的EF基序是一个特殊的Ca2+结合基序，包括螺旋Ⅰ(无活性的Ca2+结合部位)和螺旋Ⅱ；位于C端的EF基序，同样是Ca2+结合基序，包括螺旋Ⅲ(钙离子结合部位)和螺旋Ⅳ；C端的EF基序较N端对Ca2+有更高的亲和力[6]。S100A11通常以反向平行的非共价同源二聚体的形式存在，其二聚作用发生在螺旋Ⅰ和螺旋Ⅳ，与Ca2+具有很高的亲和力。当Ca2+在游离状态下时，S100A11的螺旋Ⅲ和螺旋Ⅳ接近反并行,形成一个紧密的球状结构，功能保守。而当Ca2+与C端的EF基序相结合时，螺旋Ⅲ几乎垂直于螺旋Ⅳ，使S100A11蛋白功能区域暴露，从而与其他靶蛋白结合发挥生物学作用[7]。

1.2S100A11蛋白定位由于细胞的类型和环境条件的不同，S100A11在细胞中的分布存在差异，其主要分布于细胞核中。在角化细胞中，S100A11通过与核仁蛋白结合，易位于细胞核中调控细胞生长[8]。在正常人的成纤维细胞中，S100A11与肌动蛋白分离后，在细胞核内积聚。然而，在肿瘤细胞中，S100A11被发现定位于胞质中[9]。Sonegawa等[10]研究也发现S100A11在良性病变中定位于细胞核内, 而在恶性病变中定位于胞质。

2S100A11的生物学功能

2.1S100A11对细胞生长及凋亡的调控Sakaguchi和Huh[11]通过人角蛋白细胞研究发现，在细胞内及细胞外，S100A11对人角蛋白细胞生长调控起双重调节作用。在细胞内，S100A11蛋白参与转化生长因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)/smads通路，促进p21的表达，抑制细胞生长。当胞外Ca2+和TGF-β1水平升高时，S100A11在磷酸化蛋白激酶Ca(protein kinases Ca，PKCa)的作用下进入细胞核内，抑制DNA的合成。Sakaguchi和Huh[11]同时发现在正常人的成纤维细胞中，S100A11磷酸化后可与肌动蛋白分离进入核内，从而抑制DNA的合成。另有学者研究发现[1]，S100A11可通过Ca2+依赖的方式结合到膜联蛋白Ⅰ的N端结构域，使膜联蛋白Ⅰ更易与磷脂酶A2结合并且抑制其活性，从而抑制人角蛋白细胞的生长。

而在细胞外，S100A11对细胞生长有促进作用[12]。细胞外S100A11与其受体晚期糖基化终产物(receptor for advanced glycation end products，RAGE)结合，诱导Akt的磷酸化，引起表皮生长因子的转录，从而促进细胞的生长。因此，S100A11在调节正常上皮细胞的生长过程中起重要作用。此外有学者发现，S100A11 N端19个氨基酸残基与细胞凋亡密切相关，可能与p53和p21信号通路相关[13]。

2.2S100A11对炎症反应的调控Cecil和Terkeltaub[14]发现在骨关节炎的软骨细胞中S100A11和RAGE的表达明显上调。在培养的人关节软骨细胞中，软骨细胞肥大的诱导因子基质细胞源性因子8和全反式维甲酸与骨关节炎发生的调控因子肿瘤坏死因子α可促使S100A11分泌至细胞外液。在转谷氨酰胺酶2催化下，S100A11可发生转酰胺基作用，从而使它与RAGE的结合更加牢固[15]。S100A11与RAGE结合后可激活p38丝裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinases,p38MAPK)，导致胶原蛋白X的表达增加和软骨细胞的增大。基于这些研究可以推断，S100A11及其受体RAGE在由轻度炎症发展至骨关节炎的过程中起重要作用。CD36作为S100蛋白的另一个膜受体，可促进过氧化物酶体增生物激活受体γ激动剂在骨关节炎中的软骨保护作用，抑制S100A11促软骨细胞肥大的作用，同时促进细胞基质的分解代谢[16]。但是CD36影响软骨细胞的分子机制以及CD36与S100A11的关系仍需进一步的研究。

2.3S100A11对细胞骨架构建的调控S100A11通过与肌动蛋白、中间丝等相互作用参与细胞骨架的构建。S100A11和S100B形成异源二聚体，通过和中间丝相连从而起到调节中间丝的结构的作用。肌球蛋白是肌动蛋白纤丝的分子单位。肌球蛋白通过头部的两个位点发挥作用，其中一个位点与肌动蛋白纤丝结合，另一个位点与ATP结合，具有ATP酶活性。ATP在每次肌肉收缩中与肌球蛋白结合，然后在肌球蛋白的另一个位点与肌动蛋白纤丝结合之前水解[17]。ATP水解时释放能量，引起肌球蛋白结构的变化，从而促使肌球蛋白的滑动。在细胞外钙离子存在的情况下，S100A11通过与肌动蛋白结合抑制肌动蛋白激活的肌球蛋白ATP酶活性。其中可能的机制是S100A11取代了肌动蛋白上肌球蛋白的结合位点。Sakaguchi和Huh[11]研究发现，在低细胞浓度时，S100A11注射的人成纤维细胞有明显的形态学改变和细胞突触的形成，还发现肌动蛋白纤丝聚集在细胞伪足。由此推测S100A11可影响肌动蛋白结构和细胞的形态。

3S100A11参与调节的相关信号通路

3.1TGF-β/smads信号通路TGF-β家族是一类具有调节细胞生长及分化作用的重要的细胞因子，TGF-β通过与其受体结合而发挥生物学效应[18]。在TGF-β信号通路中，Smad蛋白作为底物发挥重要作用，包括受体型Smads(R-Smad):Smad 1、2、3、5、8；通用型Smads (Co-Smads):Smad4；抑制型Smads(I-Smads):Smad 6、7[19]。

细胞内TGF-β/Smad通路与肿瘤发生、炎症等密切相关。Sakaguchi和Huh[11]研究发现，在人角蛋白细胞内，S100A11蛋白与TGF-β/Smads通路有关。当细胞外Ca2+和TGF-β1水平增高，S100A11通过蛋白激酶Ca2+途径磷酸化，磷酸化后的S100A11脱离肌动蛋白中间丝，结合到核仁蛋白进入细胞核内，联合TGF-β信号转导分子Smad3、Smad4，通过激活 Sp1 诱导p21 和 p15通路抑制DNA合成，从而抑制细胞生长。研究表明，高水平的TGF-β1触发的生长抑制信号可由Smad及S100A11介导的通路所转导，通过抑制S100A11的活性能显著抑制TGF-β1传导的细胞生长信号[11]。这种现象也被发现在人宫颈癌传代细胞[20]、人正常成纤维细胞[20]和人肝癌细胞[21]中。这些研究结果表明，S100A11介导的通路对TGF-β1诱导的生长抑制起重要作用。

3.2p53及p21信号通路p53 和p21 基因分别定位于人类染色体17p13.1和6p21.2，编码抑癌蛋白p53 和细胞周期依赖性蛋白激酶抑制因子p21。 p53作为转录因子被激活后，进入细胞内，促进下游基因的转录来实现其功能, 参与DNA 损伤修复、细胞生长、细胞凋亡以及抑制血管生成等过程[22-23]。细胞DNA 损伤、原癌基因激活等可引起p53 迅速上调，p53 促进下游效应蛋白p21的表达，从而抑制周期蛋白依赖性激酶的活性，阻滞细胞周期的进行，使细胞停滞在G0/G1期。

当DNA受到损伤等刺激时，S100A11可转移到细胞核内，与ATP激酶Rad45B结合后修复DNA损伤，并通过p21途径调控细胞生长[24]。在细胞核内，S100A11与Sp1竞争结合核仁蛋白，从核仁蛋白上释放出来的游离的Sp1可与Smads结合，形成的多聚体可作为信号转导因子引起p21的表达。p21可引起细胞周期调节蛋白E相关激酶的失活，从而抑制DNA的合成。同时S100A11也可与p53四聚功能区结合，参与肿瘤抑制过程。研究发现，S100A11与细胞凋亡密切相关，在此过程中下调S100A11的表达可触发细胞凋亡，伴有p53依赖的p21表达上调，p21可通过p53依赖的途径来诱导细胞凋亡的发生[25]。

3.3核因子κB信号通路核因子κB通路分为经典途径和非经典途径两类，经典途径的激活是由上游核因子κB抑制蛋白激酶(inhibitor of nuclear factor kappa-B kinase，IKK)介导的。当细胞受到炎性因子、氧化应激、生长因子等刺激后，会激活IKK并使核因子κB抑制蛋白(inhibitor of nuclear factor kappa-B，IκB)磷酸化，然后IκB发生自身多泛素化，并随后被蛋白酶体降解[26]。IκB降解后释放出核因子κB，活化的核因子κB进入细胞核中与相应的靶蛋白结合，从而调节一系列反应。非经典途径主要接受淋巴生长因子相关的信号，通过蛋白酶体的处理过程来活化部分的核因子κB。

在细胞外S100A11与RAGE结合，转导信号引起蛋白激酶B(Akt)磷酸化而激活，激活的Akt经Akt→磷脂酰肌醇-3 激酶(phos phatidylino sitol 3-kinase，PI3K)→蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)→IKK途径，使IκB磷酸化后导致核因子κB移位至核内，将胞外信号最终传导至核内，从而促进细胞的生长。研究发现，S100A11能激活转录因子核因子κB，使其入核，结合于核因子κB反应元件-5′-GGRNNYYCC-3′，调控其表达[27]。研究表明，S100A11过表达能促进胰腺癌细胞增殖，减少细胞凋亡，促进核因子κB转录激活；S100A11干扰减少胰腺癌细胞增殖，促进细胞凋亡，减少核因子κB转录激活[27]。这表明S100A11能通过调控核因子κB活化对胰腺癌细胞增殖起作用,提示S100A11的表达可能与胰腺癌的发生、发展有关。S100A11可作为预测胰腺癌患者预后的良好指标，S100A11阳性可能提示预后不良。

3.4PI3K/Akt信号通路PI3K作为生命活动的重要分子广泛存在于多种细胞中，通过结合下游效应分子Akt组成PI3K/Akt信号通路，在细胞的增殖、分化、凋亡以及葡萄糖代谢中发挥重要作用[28]。Akt需经过PI3K/Akt信号通路激活磷酸化成为p-Akt后才具备生物学活性，活化后的Akt可移动到细胞核内磷酸化或抑制下游信号蛋白，进而在细胞生长、抑制细胞凋亡、蛋白质的合成以及葡萄糖代谢中进行调控[29]。

Sakaguchi和Huh[11]发现，在PI3K/Akt信号通路中，通过下调S100A11在细胞内的表达，使Akt的磷酸化水平下降活性受到抑制，S100A11参与激活Akt，从而参与介导PI3K/Akt信号通路。有学者对角蛋白细胞生长的研究发现[2]，在细胞外S100A11与RAGE结合后促发的信号使Akt磷酸化，Akt活化后促使CREB磷酸化，从而释放出表皮生长因子的启动子AP-1，引起表皮生长因子的转录，从而促进细胞的生长。以上研究表明，S100A11在PI3K/Akt信号通路中对细胞生长发挥重要作用。

3.5p38MAPK信号通路p38MAPK是MAPK家族中重要的一员，激活后能作用于转录因子，调节特定的基因表达[30]。有学者研究发现，p38MAPK通路可被各种炎症刺激所激活，激活后介导信号转导入细胞核内，磷酸化多种转录因子，进而导致细胞发生增殖、转化等一系列反应[31-32]。

通过对人关节软骨细胞的研究发现，在骨关节炎的病理状态下，S100A11和RAGE高表达[33]。S100A11表达上调的原因是由于导致骨关节炎发生的调控因子肿瘤坏死因子α和软骨细胞肥大的诱导因子基质细胞源性因子8诱导软骨细胞表达 S100A11，促使S100A11向细胞外液分泌。S100A11在转谷氨酰胺酶 2作用下形成共价键二聚体，通过结合RAGE使p38MAPK 通路激活[34-36]，从而加速软骨的破坏，促进软骨细胞凋亡，最终加快软骨细胞肥大化及钙化进程[37]。这些研究结果表明，S100A11及其受体RAGE在P38MAPK介导的炎症反应中发挥重要作用。

4展望

S100A11作为一种多功能蛋白，在多种生理和病理过程中发挥重要的作用。虽然人们对S100A11进行了多方面的研究,但其生物学功能及机制尚未完全明确,如S100A11与膜联蛋白Ⅱ及膜联蛋白Ⅳ作用的相互机制，S100A11与RAGE相互作用后如何传导信号使p38磷酸化等。随着对S100A11研究的不断深入，对 S100A11 与相关因子之间的作用机制会有进一步的研究，这些研究结果将为临床疾病的诊断、治疗及预防提供帮助。

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The Biological Roles of S100 Calcium Binding Protein A11 and Its Related Regulating Signaling Pathway

LITao，JIYi-fei，JIANGFeng，XIAOMing-bing，NIRun-zhou.

(DepartmentofGastroenterology,theAffiliatedHospitalofNantongUniversity,Nantong226001,China)

Abstract:S100 calcium binding protein A11(S100A11), as a member of S100 protein family,while featuring the common identities as the other EF-hand Ca2+-binding family members, has its own individual characteristics.S100A11 is widely expressed in multiple tissues and is located in cytoplasm, nucleus,and even cell periphery.Here we systematically describe the biological roles of S100A11 and its possible signaling pathway in the processes of cell growth regulation,apoptosis,inflammation regulation of enzyme activity,and cytoskeleton dynamics.Here is to make a review of the multiple target protein and the biological functions of S100A11,so as to provide help in the diagnosis,treatment and prevention of the related diseases through the S100A11 inner signal transduction pathways.

Key words:S100 calcium binding protein A11; Regulation; Signaling pathway

收稿日期：2014-05-04修回日期：2014-10-09编辑：相丹峰

基金项目：江苏省“六大人才高峰”项目(2012-WSN-065)；江苏省卫生厅项目(H201318)；南通市科技计划项目(HS2011004、BK2013069)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.07.009

中图分类号：R576

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)07-1175-04