去泛素化酶X染色体连锁的泛素特异肽酶9的研究进展

2016-03-26 00:53程艳刘钧
川北医学院学报 2016年2期
关键词:泛素乙酰化极性

程艳,刘钧

(川北医学院病理教研室,四川 南充 637000)



去泛素化酶X染色体连锁的泛素特异肽酶9的研究进展

程艳,刘钧

(川北医学院病理教研室,四川 南充 637000)

X染色体连锁的泛素特异肽酶9(ubiquitin-specifitin peptidase 9 x-Linked,USP9X)是去泛素化酶中的一种。泛素化与去泛素化是重要的蛋白质翻译后修饰,去泛素化酶能从特异性底物上移除泛素异肽酶类从而逆转泛素化进程。USP9X在许多生物进程(包括胚胎发育、细胞黏着与极化、凋亡、转录调控等)中都有着重要的作用。迄今为止,已发现USP9X在多种类型的恶性肿瘤中都存在着表达异常,而且与肿瘤的分期及预后相关,甚至还可能参与了肿瘤化疗的耐药,是近年来研究的热点。因此,针对USP9X的靶点治疗将会为难治性肿瘤开辟出一条新的路径,对其更进一步研究有着深远意义。

去泛素化;X染色体连锁的泛素特异肽酶9;肿瘤;耐药

X染色体连锁的泛素特异肽酶9 (ubiquitin-specific peptidase 9 X-linked,USP9X)最初是由Jones等[1]于1996年在TURNEL综合征中检测卵细胞的增殖及随后的性腺退化的候选基因而首次分离出来的。其在哺乳动物的性腺发育过程中是一个性别和阶段依赖的去泛素化体系中的组件之一。随后,Wood等[2]使用基因捕获的方法从小鼠的胚胎干细胞中分离出的一种小鼠基因,并发现它与果蝇的faf(fat facets)基因序列有着广泛的相似性而称之为FAM(fat facets in mouse)。在果蝇中,faf基因对其眼部及胚胎的正常发育有着重要的作用,而在哺乳动物中,同源基因USP9X也发挥着重要功能,而且在哺乳动物的性腺发育过程中是一个性别和阶段依赖的去泛素化体系中的组件之一。

1 USP9X的基本结构与功能

USP9X定位于人类基因组X染色体p11.4位点,全长150 945 bp,由2 554个氨基酸残基组成,是去泛素化酶家族中泛素特异性蛋白酶亚家族 (USPs)的成员之一[1,3]。USP9X是一个长型单体蛋白质,分子量约为290 kDa,结构上共有USP亚家族酶分子的USP结构域,由300~800不等的氨基酸残基组成,并具催化活性,其中有两个短而高度保守的半胱氨酸盒和组氨酸盒,另一些非保守的序列则确保不同的酶其对底物的高度专一性[4-6]。除了共有的结构域,USP9X在其N端的外延还有另一个可辨识的区域,即由886~970个氨基酸组成的泛素样组件。USP9X在组织中表达广泛,但在眼部、中枢神经系统、背侧神经节、未受精的卵细胞及未植入的胚胎中则以一种组织特异的方式高度表达,并在胚芽细胞系的发生中功能保守。

USP9X参与了泛素-蛋白酶体系统的许多环节以平衡泛素化和去泛素化,包括:对泛素前体的处理、回收错误连接到亲核试剂上的泛素、解离非锚定的游离泛素链,回收泛素循环利用、从底物上清除单体泛素和泛素链中相邻泛素间的连接键以编辑或救援待降解的去泛素化蛋白,以及水解硫酯、异构肽和肽键。而且已经有越来越多的特异性底物被发现和报道,USP9X通过与特异性底物的相互作用,发挥着更为广泛的功能。在细胞中USP9X依据其功能主要定位于细胞质和细胞膜,也可定位于细胞核及线粒体。

2 USP9X与细胞的黏着和极性化

细胞黏着和极性化在胚胎发育及成体的正常结构和功能的许多方面都极为重要。细胞极性分为垂直方向极性和水平方向极性,水平方向的细胞极性核心蛋白指导极性化细胞的运动;而垂直方向的极性则靠细胞间粘附、激活细胞极性复合体和极性化的蛋白质运输来建立和维系。其中黏着连接和紧密连接被视为其先驱事件。Af-6 (也称Afadin) 是紧密连接和黏着连接的重要组件,定位于细胞黏着位点比如紧密和黏着连接,为上皮细胞间的相互作用和细胞极化所需要。β-链蛋白(β-catenin)、E-Cadherin则是常见的两种黏附因子,其功能主要为介导细胞间黏附及参与基因的表达。USP9X能和Af-6、β-catenin、E-Cadherin等这些重要的粘附分子相互作用,对它们去泛素化,减少被蛋白酶体水解,促进蛋白水平的稳定,进而与细胞的黏着和极性化紧密相关[7-8]。USP9X在细胞的极性中作用关键:在基因方面与核心PCP基因相互作用、在分子方面能调控垂直细胞极性的多个阶段。此外,细胞的黏着和极性化本身对USP9X的表达水平也比较敏感[9]。

3 USP9X与细胞的凋亡

细胞凋亡是细胞的一种基本生物学现象,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。USP9X参与凋亡的调控则是对凋亡信号网络的关键组件去泛素化而介导的:(1)凋亡信号调节激酶1(apoptosis signal-regulating kinase 1,ASK1)是细胞丝裂原活化蛋白激酶激酶激酶(mitogen-activatedprotein kinase kinase kinase, MAP3Ks)家族成员之一,在调节细胞凋亡过程中特别是氧化应激介导的细胞凋亡起到非常重要的作用。氧化应激能诱导ASK1泛素化导致白酶体退化,而USP9X和氧化应激激活的ASK1相作用,抑制不稳定而维持其活性,并且这种相互作用能被H2O2增强。此外,ASK1的N端区域的结构或激酶结构域还能抑制USP9X和无应激状态下失活形式的ASK1相互作用,而且USP9X与ASK1间的作用需要ASK1 的激酶活性,其相互作用可能不仅由ASK1也可能由USP9X或其他构象变化引起。有研究发现在USP9X水平敲低的细胞中,由H2O2诱导的细胞死亡也减少了,这表明USP9X为氧化应激诱导的JNK/p38激活及随后的细胞死亡所需[10]。(2)Survivin是凋亡抑制蛋白家族的新成员,只表达于肿瘤和胚胎组织。Survivin的水平能被USP9X稳定,可以直接作用或通过P21间接抑制Caspasc-3和Caspasc-7的活性;还可与细胞周期调控因子CDK4结合, 导致CDK2 / cyclin-E激活和核糖体(Rb)磷酸化,Rb磷酸化后启动细胞进入周期,加快G1/S期的转换,使P21从Survivin-CDK4复合物中释放出来,与线粒体pro-caspase-3结合,抑制caspase-3活性,阻止线粒体释放Cyt-c,抑制细胞凋亡[11]。(3)USP9X还能与髓样细胞白血病蛋白-1(myeloid cell leukemia 1,MCL-1)相互作用,使其免于蛋白酶体的降解,抑制细胞色素c从线粒体进入胞质,抑制Caspase3激活,线粒体途径的凋亡减少,进而促进细胞生存[12]。

4 USP9X与细胞的信号转导通路和转录调控

USP9X参与调控的信号转导通路较多,在调控机体活动中至关重要。USP9X能稳定β-catenin,但当β-catenin在胞质中累及达到一定水平时,可向细胞核转移。而这被认为是激活Wnt信号转导通路的标志,已有研究证实,Wnt/β-catenin信号通路在人结肠癌、乳腺癌等肿瘤的发生中被激活[8]。近期,有学者发现在敲低USP9X的嵌合子小鼠中T细胞的增殖减弱,而在人的T细胞系和鼠的初级T细胞中沉默USP9X都导致T-cell receptor (TCR)信号通路诱导的NF-κB激活的减少。在结构上,USP9X与Carma1-Bcl10-Malt1 (CBM) 复合物中的Bcl10相互作用并移除TCR诱导的Bcl10的泛素链,促进了Carma1和Bcl0-Malt1的相关性。这些都表明 USP9X 是TCR信号通路的一个关键的正调控并通过调控CBM络合物生成而为T细胞功能所需[13];Smads家族蛋白是TGF-β下游受体激酶,在将TGF-β信号从细胞表面受体传导至细胞核的过程中起到关键性作用,且不同的Smad介导不同的TGF-β家族成员的信号转导。在活体内Smad4在赖氨酸519位点单体泛素化,通过妨碍与phospho-Smad2的关联来抑制Smad4,而USP9X可以 恢复泛素化的负性修饰,重新授权Smad4的功能。Smad4的单体泛素化和去泛素化是作为一种细胞组TGF-β响应,USP9X的缺失能使依赖Smad4的应答失效[14];USP9X还能与ASK1相互作用,并可通过磷酸化激活MKK4/MKK7和MKK3/MKK6进而激活JNK和p38通路,引起的细胞凋亡增加[10]。在应激引起的损伤中,通过抑制USP9X而一定程度上抑制这一信号通路,也许可以减少应激损伤。

USP9X通过对转录因子的调控从而参与细胞的转录调控,其中Ⅱ型组蛋白去乙酰化酶家族中的重要成员组蛋白去乙酰化酶6(histone deacetylase ,HDAC6)通过参与组蛋白乙酰化和去乙酰化而调控基因表达过程,而乙酰化和去乙酰化也是转录过程中的关键修饰,它的动态平衡由组蛋白乙酰化转移酶(histone acetyltransferase, HAT)和组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase, HDAC)共同调控。一般情况下,组蛋白的乙酰化有利于DNA与组蛋白八聚体的解离,核小体结构松弛,从而使各种转录因子和协同转录因子能与DNA结合位点特异性结合,激活基因的转录。USP9X和HDAC6的相互作用进一步稳定了HDAC6在泛素依赖进程中的作用,对染色体的结构修饰和基因表达调控发挥着重要的作用[15]。

5 USP9X与中枢神经系统疾病

癫痫俗称 “羊角风”或“羊癫风”,是大脑神经元突发性异常放电,导致短暂的大脑功能障碍的一种慢性疾病,其发病机理复杂多样。遗传方面有研究表明Prickle基因突变可能导致人类,斑马鱼,老鼠和苍蝇癫痫发作,表明癫痫-抑制途径在进化上是保守的[16]。Prickle定位于突触,和USP9X通过羧基-末端交互,且USP9X对Prickle去泛素化,保护它免受蛋白酶体降解。在小鼠前脑神经元,USP9X缺陷降低了Prickle蛋白质水平。而在Prickle突变的果蝇中通过减少faf基因也直接抑制了癫痫的表型。这表明由Prickle介导的的癫痫的通路是一样的,而在神经系统中,Prickle通过其羧基-末端和USP9X相互作用,并且被USP9X去泛素化,而免受蛋白酶体降解进而其水平得到稳定。而对一部分癫痫患者进行基因测序发现了少有的USP9X的突变,而此突变位于Prickle结合的结构域之外,因此推测USP9X可能与癫痫的易感性相关。这些研究指向一个抗癫痫治疗的新靶点,并阐明了在物种进化谱中疾病的研究中翻译的力量[17]。依据USP9X在癫痫中可能的作用机制,针对上述途径的USP9X靶向治疗或许能起到一定疗效。

帕金森病(parkinson’s disease,PD)是一种常见的神经系统变性疾病,其中α-synuclein的翻译后修饰及其突变的积累是促进多巴胺能神经元的死亡和路易小体的形成的必要条件。在α-synuclein的翻译后修饰中,磷酸化、硝基化、以及泛素蛋白酶体途径尤其是泛素化都与PD的发病机理关联紧密。在路易小体中的α-synuclein被SIAH单体泛素化,促进其自身的降解,而USP9X则能对α-synuclein去泛素化导致其积累。在PD黑质和弥散性路易病(DLBD)皮层内的细胞质蛋白中发现USP9X水平较对照组显著降低,去泛素化酶活性也较低,通过敲减USP9X能促进路易小体中单体泛素化的α-synuclein的聚集,这种机制促发了有细胞毒性的α-synuclein包涵体的形成,而这种包涵体是路易小体的主要成分。因此激活USP9X的去泛素化活性或抑制α-synuclein的单体泛素化可能促进自噬体的降解并有助于降低α-synuclein及自噬体的水平。因此,在决定α-synuclein的命运中USP9X也是其中的关键因素之一,可能也直接或间接参与了PD的发生与发展[18]。

脊髓性肌萎缩(spinal muscular atrophy,SMA)是婴儿死亡的主要遗传疾病,由活运动神经元蛋白质的水平较低而引起(survival motor neuron, SMN),USP9X能通过与SMN直接作用进而与SMN复合体相互作用以稳定复合体的水平。在人工培养的哺乳动物细胞中,敲低USP9X促进了SMN的降解并减少了细胞中SMN及SMN复合体的蛋白质水平[19]。推测USP9X的表达降低可能与SMA的发生发展在一定程度上关联,而USP9X也可作为SMA治疗的一个可能靶点。

6 USP9X与肿瘤及药物的耐药性

近年来,肿瘤的发病率迅速提升,癌基因的激活和抑癌基因的失活、凋亡失衡、信号转导通路的异常等都是肿瘤发生中的重要机制之一,USP9X在细胞的诸多进程中有着重要作用,因此USP9X的表达异常与肿瘤的发生发展也有着密不可分的关系。Jing 等[20]通过免疫组织化学发现在食管中从正常上皮、低级别上皮内瘤,高级别上皮内瘤,到浸润性食管鳞状细胞癌中USP9X表达水平逐步增加,且最密集着色通常在食管上皮的基底和前驱病变的较低棘层,分析该处最易发生恶变。在非小细胞肺癌中USP9X的表达水平远高于肺良性病变,并且临床分期较高、组织分化程较低及伴有淋巴结转移的患者都显示出较高的USP9X的水平。此外,USP9X表达水平较高的肿瘤患者其生存率也显著低于USP9X低表达的患者[21]。有学者对人胶质瘤细胞进行不同剂量的放射治疗发现在2~10 Gy剂量内USP9X表达水平随放射剂量增加而呈下降趋势,细胞凋亡增加[22]。据报道USP9X还在齿龈鳞癌、前列腺癌等多种类型肿瘤中过表达并与不良预后呈正相关[23-24]。有研究发现,人肝癌细胞中的USP9X水平明显高于正常肝细胞,且运用siRNA抑制人肝癌细胞中的USP9X表达后,肝癌细胞的生长受到显著抑制[25]。然而,另一观察发现, USP9X在超过50%的胰腺导管腺癌中都有灭活,其表达与胰腺导管腺癌术后弱的生存呈负相关[26]。此外,在乳腺癌中USP9X也可能是扮演抑癌基因的角色[27]。最近,在低级别浆液性卵巢癌中运用全基因组高分辨率基因组拷贝数分析(Affymetrix SNP 6.0)和突变热点筛查发现USP9X是其中最频繁的突变基因之一[28]。上述研究表明USP9X的异常表达在肿瘤的形成中至关重要,且其在肿瘤的进一步发生与发展中的表达水平与肿瘤临床及病理特征的密切关联,与肿瘤患者的预后紧密相关。正相关或是负相关则因肿瘤的具体类型而表现不同。临床上也许可以通过对USP9X蛋白表达水平的检测来评估肿瘤患者的预后或指导进一步治疗。

在ER阳性的乳腺癌细胞中,有研究表明USP9X的缺失能阻止他莫昔芬诱导的肿瘤细胞增殖停滞,分析USP9X的减低在染色质上稳定了ERα,导致总的他莫昔芬驱使的ERα应答基因的激活[26]。这在一定程度上使得患者对他莫昔芬药物治疗的抗性增加而预后较差,但USP9X敲减却并没有增加对氟维司群耐药,这说明在临床上对他莫昔芬耐药患者可使用氟维司群进行替代治疗。在五氟尿嘧啶处理的结直肠癌细胞系中,USP9X基因破坏致其表达少的癌细胞中,细胞凋亡明显增加,生存率显著下降,这表明抑制USP9X能增加结直肠癌患者对5氟尿嘧啶的敏感性,较低USP9X表达的癌症可能会对一些常规药物特别敏感[29]。在肝细胞性肝癌中,去泛素化酶抑制剂wp1130能与阿霉素发挥协同的细胞毒性作用,表达p53的肝细胞癌细胞系显示出对组合治疗效果,抑制细胞的增殖,优于p53缺陷的肝癌细胞系,p53的下调废除了肝癌细胞中阿霉素和wp1130的细胞毒性协同作用。可能机制是wp1130的联合治疗通过促进其泛素-蛋白酶体依赖的降解而抑制了阿霉素介导的p53的上调,通过敲低USP9X能废除这一效应。总之,这些结果证实联合wp1130的治疗使肝细胞癌细胞对阿霉素敏感,可能是通过USP9X依赖的p53降解[30]。

7 问题与展望

随着对USP9X逐步广泛深入的研究,USP9X的功能许多都是建立在其特异性底物的基础之上而间接发挥作用,去泛素化几乎存在于每一个生物进程中,更多的特异性底物等待我们进一步探索;USP9X在肿瘤的发生发展中的具体作用机制也尚不完全明确,在一些肿瘤中的常见化疗药物抗性中的研究中也还有许多需要验证。USP9X有望成为肿瘤治疗的新靶点,通过调节USP9X水平能增强部分肿瘤对化疗药物的敏感性,减少化疗药物剂量,减轻化疗的不良反应,为患者带来福音。

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(学术编辑:邓世山)

本刊网址:http://www.nsmc.edu.cn

作者投稿系统:http://noth.cbpt.cnki.net

邮箱:xuebao@nsmc.edu.cn

Progression of research for USP9X

CHENG Yan,LIU Jun

(DepartmentofPathology,NorthSichuanMedicalCollege,Nanchong637000,Sichuan,China)

Ubiquitin specific peptidase 9 X-linked (USP9X) is one of the deubiquitinases. Ubiquitination and deubiquitination both are critical post-translational modifications of protein. Deubiquitinating enzyme could reverse the ubiquitin progress via removing Ub from specific substrates. USP9X plays important roles in various biological processes, such as embryonic development, cellular adhesive and polarization, apoptosis, transcriptional regulation and so on. As so far, the level of USP9X expression was found abnormal in many kinds of cancer and associated with clinical and pathological stages and prognosis of cancer. Even more, USP9X may increase the resistance of chemotherapeutic drug in treatment of tumor, thus become to research focus . So USP9X-targeted therapy may provide a new strategy for obstinate cancer. It has its deep meaning for further research on USP9X.

Ubiquitination;Ubiquitin-specifitin peptidase 9 x-Linked;Cancer;Resistance

10.3969/j.issn.1005-3697.2016.02.38

2015-11-10

程艳(1985-),女,硕士,主治医师。E-mail:250413897@qq.com 通讯作者:刘钧,E-mail: 236646471@qq.com

时间:2016-4-25 11∶31

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1254.R.20160425.1131.076.html

1005-3697(2016)02-0278-05

R362

A

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