抗增殖蛋白的生物学作用及与线粒体氧化磷酸化的关系

方 雯，冯 红

(天津体育学院健康与运动科学系 天津300381)

抗增殖蛋白的生物学作用及与线粒体氧化磷酸化的关系

方 雯，冯 红*

(天津体育学院健康与运动科学系 天津300381)

抗增殖蛋白(又称Prohibitin，PHB)是一种在进化上高度保守的蛋白，广泛分布于细菌、酵母、果蝇、原虫及哺乳类动物的多种生物细胞中。抗增殖蛋白具有功能多样性，主要由核基因编码，定位于线粒体内膜、细胞核、细胞膜和基质中。由于其在线粒体上的特殊定位、结构和功能，近年来在与线粒体功能相关的研究中开始逐渐成为新的热点。针对抗增殖蛋白与线粒体的相关研究，系统阐述了抗增殖蛋白的生物学作用及其在线粒体氧化磷酸化过程中的重要作用。

抗增殖蛋白 线粒体 生物学作用 氧化磷酸化

1 PHB概述

PHB是在线粒体中普遍存在的，在进化上保守性很强的蛋白，并且被认为是抑制肿瘤非常有效的一种蛋白。1989年Meclung等首先从老鼠肝脏内克隆出哺乳动物的phb1基因。[1]真核生物线粒体PHB复合体由两个高度相似的NOx亚基——PHB1和PHB2 (大约有50%～60%的氨基酸顺序一致)组成。PHB1和PHB2的分子量分别是32,kD和37,kD，[3-4]联合形成一个环形大分子结构约1,MD，[2]直径大约为20～25,nm。这是在新杆状线虫和哺乳类动物中的酵母菌里，将PHB作为高分子量的复合体鉴定得出的结果。PHB1和PHB2是在结构上相互依赖的蛋白质复合体，消除任何一个都会导致完整的PHB复合体的缺失。PHB复合体位于线粒体的内膜空间上。而Mishra等[5]研究发现，PHB在B细胞内与IgM受体结合参与B细胞信号传递过程。PHB还是一种具有高度同源性的高度进化保守蛋白。[6]PHB基因包含PHB1和PHB2及4个假基因(6q25、llpll、lp31和2q21)。[7]PHB复合物结构主要以两种形式出现：一种是以四聚体形式；另一种是由12～14对PHB1与PHB2一起组成的异源性二聚体[7](见图1)。

研究表明，作为分子伴侣的PHB在细胞代谢、生长、衰老、凋亡以及肥胖、糖尿病、肿瘤等诸多方面发挥着极为重要的调控作用。[8-10]PHB在细胞、质膜[11]、脂滴[12]和脂筏前体以及多种动植物体内广泛存在。[13]近年研究发现，PHB的功能不仅仅体现于细胞核内，PHB在大鼠、人等哺乳动物细胞的线粒体内膜上的作用机制也越来越受到学者们的重视。

图1 线粒体内Prohibitin亚型复合体结构Fig.1 Subtype complex of Prohibitin within mitochondria

2 PHB的生物学功能

研究发现，抗增殖蛋白不仅具有调控细胞周期和细胞增殖的功能，同时参与调控细胞的凋亡和分化，是一类新型的分子伴侣，在维持线粒体结构形态和功能方面发挥着重要作用。除此之外，由于PHB生物学功能的多样性，它还与衰老、肥胖、肿瘤等疾病有紧密关系，[14]并在其中发挥着重要的调控作用。

2.1 PHB具有调控细胞周期和细胞增殖的功能

大量研究证明，在细胞周期控制和癌症发展领域，PHB的抗增殖活性和进化保守性具有非常显著的作用。主要是PHB和抑制核转录因子通路之间的关系，在G～S期之间抑制核转录因子E2F的转录活性，从而起到调控细胞增殖的作用。Manjeshwar等[15]研究表明，PHB mRNA通过其3`非翻译区(3`UTR)产生有功能的RNA从而阻断细胞的增殖，而不是通过CDNA编码区产生有功能的RNA来发挥抗增殖作用。随着细胞周期的不断改变，PHB mRNA与蛋白水平的波动并不大，说明可能有翻译后修饰等其他因素同时参与这种调控。Liu等(2009)[17]使用特异性针对PHB 3-UTR的微小RNA进行RNA干扰实验，发现低分化胃腺癌中的PHB表达下调，证明微小RNA能够通过抑制PHB的表达促进癌细胞增殖。还有研究表明，PHB是C. ele-gans[18]和老鼠胚胎发育所必须的要素。由于PHB复合体由PHB1和PHB2一同组成，所以敲除PHB2基因导致的结果是PHBl和PHB2蛋白同时缺失，损害大鼠的胚胎成纤维细胞增殖。[19]Rajalingam等[20]发现Ras-Raf-MEK-ERK信号通路的激活依赖于PHB蛋白，而Ras-Raf-MEKERK信号通路可以使PHB的抗增殖作用得以发挥。

2.2 PHB参与调控凋亡和分化

由于PHB具有多种生物学功能，它可调节细胞增殖、分化和凋亡之间的平衡。关于PHB在细胞凋亡与分化中的作用，Artal-sanz等[21]利用RNA介导的基因失活技术，证实在胚胎发育和细胞生长发育过程中PHB的作用是至关重要的。Sun等[22]关于肌细胞的研究发现，PHB激活JNKI信号通路，通过该通路去招募HDAcl，在肌细胞分化过程中PHB抑制由转录因子MEFZs和MRFs介导的基因转录，从而抑制肌细胞的分化。在胞核内，PHB的部分氨基酸残基能够分别与抑癌基因产物RB(视网膜母细胞瘤蛋白)结构域及E2F结构域发生相互作用，从而形成三联体。E2F是一个非常重要的转录因子，它与细胞的凋亡、分化都有相关作用，并且它位于PHB下游，说明PHB可以通过对E2F的作用进而调控细胞的凋亡与分化。Mishra等[23-25]的研究同时发现，PHB不仅通过调控Rb-E2F转录抑制复合物，而且PHB2蛋白还可以与Hax-1(线粒体抗凋亡蛋白)相互结合起到负性调控细胞的凋亡作用。

综上所述，PHB的调控作用具有多样性，调控结果相互矛盾，说明PHB在调节细胞的分化凋亡方面具有双向性。故关于PHB基因在细胞凋亡过程中的作用机理尚不是很清楚，PHB关于调节凋亡分化的确切机制有待进一步的研究。

2.3 PHB的分子伴侣作用与维持线粒体的发育和功能

PHB1和PHB2共同定于线粒体内膜上，与线粒体内多肽链相互结合形成环形复合体。[26]近年来，关于线粒体中PHB复合物的一些作用已经被证实，PHB复合体主要以分子伴侣形式发挥功能。许多研究发现，线粒体的功能受PHB复合物的监控。[27]PHB复合物依赖调节膜蛋白的降解线粒体的MAAA蛋白酶，PHB还有膜约束的功能，能保留和稳定新合成的线粒体编码蛋白。由于PHB具有分子伴侣作用，所以当线粒体内蛋白的合成发生紊乱时，PHB1和PHB2相互结合增多，PHB复合体发挥分子伴侣作用以稳定线粒体内多种代谢。PHB复合物对线粒体蛋白的合成、细胞的能量代谢和机体的稳定起着重要作用。[28]故当线粒体内PHB表达降低时，线粒体内蛋白的合成、细胞形态和功能的维持、细胞的增殖凋亡和分化均会发生明显改变。[26]PHB对维持线粒体的发育和功能起到至关重要的作用。PHB表达的降低对线粒体形态学有很大改变，导致线粒体的形态在细胞分裂、分化和细胞信号转导过程中发生明显变化。PHB还能与ATP23相互作用，可作为分子伴侣F0F1-ATP合成调节线粒体的能量代谢，维持线粒体正常的结构与功能。[29]还有研究发现，在卤虫胚胎发育过程中，PHB通过介导AMPK通路以及对细胞内卵黄颗粒代谢的调节，能够维持正常的线粒体功能及稳定的营养物质供应，进而对能量及物质代谢的平衡起重要作用。[30]

2.4 PHB与衰老和氧化应激

由电子传递链的顺序可知，线粒体是活性氧的主要生产者。根据游离的原子团假说，活性氧可导致细胞受损而引起机体的衰老。就这个理论来看，有可能是线粒体突变体导致存活率的下降和活性氧产生的减少。在其他情况下，电子传递链功能的紊乱可能导致电子泄漏增多或活性氧产生的增多，因此，激活适合的激素反应能够减缓细胞的衰老。处理游离原子团的清除剂乙酰基半胱氨酸对于衰老没有影响，通过在动物体内对PHB敲除，参与氧化应激反应或是热应激反应(野生型线虫在25,℃环境下生长)。尽管关于PHB与衰老、与氧化应激方面的支持数据特别少，但相关研究发现，一些关于PHB的消耗导致氧化应激反应减弱。与衰老过程中线粒体游离原子团的假说相一致，野生动物的PHB消耗导致寿命更短，说明活性氧的产生增多，氧化应激反应更加敏感。在野生动物中，PHB消耗导致线粒体数量的增多，在活性氧增多的地方转化的数量也增多。当然，线粒体功能障碍导致PHB消耗的结果有更多复杂的生理学反应，比增加或降低的活性氧的水平和氧化应激反应更加明显。目前揭示关于PHB调控细胞衰老的原理尚不是很清楚，值得我们去进一步探讨研究。

3 PHB调控氧化磷酸化作用

PHB1和PHB2属于同一个蛋白家族，存在于抗增殖蛋白域且在质膜和脂质筏上结合。PHB和免疫球蛋白IgM受体在淋巴细胞中结合存在，[31]存在于白色脂肪组织中脉管系统的内皮细胞表面。[32]在人结肠癌细胞和小鼠脂肪细胞的脂质筏上发现了丰富的PHB，调节多种细胞内的信号传导。[33-34]近来，又开始强调在区分胰岛素信号时脂质筏的重要作用。[35]细胞膜上，脂质筏是一块特殊区域，富含胆固醇、脂肪和饱和脂肪酸，且可在细胞内的不同区域之间移动蛋白质分子。其中，磷酸化作用和其他翻译后修饰起重要作用。[36]

线粒体氧化磷酸化是指在生物氧化的过程中伴随着ATP的生成，而对于机体来说，ATP是非常重要的能量来源。[37]在真核细胞中，在线粒体内发生氧化磷酸化作用，能够参与氧化磷酸化过程的物质均以复合体的形式分布在线粒体内膜上，形成呼吸链，也称为电子传递链。电子传递链的主要功能是进行电子和H＋传递、氧的利用以及ATP和H2O产生。[38-39]磷酸化作用是一个最基本的翻译后修饰，它被用来调控功能、定位和结合特殊蛋白。[40-41]然而，异常蛋白的氧化磷酸化可以导致糖尿病、癌症和其他疾病。到目前为止，学者认为PHB亚型与磷酸化作用有关，[42-44]而PHB的磷酸化在线粒体的生长发育中尤为重要。[45]故确认磷酸化的位点和相关激酶可以更好地理解它的功能。因此，根据现有研究，我们可知道PHB潜在的磷酸化位点，认为在PHB上第114位酪氨酸是回应胰岛素刺激和磷酸化作用位点，该位点结合SH2结合域和相关酪氨酸磷酸酶1(shp1)。[46]

综上所述，PHB可以通过调控相关位点和激酶调节氧化磷酸化作用，进而改变ATP合成含量和调控能量代谢。

4 PHB的问题与展望

本文针对PHB的生物学作用与线粒体氧化磷酸化的关系进行了阐述。PHB具有功能多样性，在多种生物学进程中发挥着独特而重要的作用。PHB还可以通过调控相关位点和激酶，从而调节氧化磷酸发挥作用，进而改变ATP合成含量和调控能量代谢。近年来有许多研究报道关于PHB在人类多种疾病的发生和发展过程中的重要作用，它的许多作用机制尚不清楚，值得人们深入研究。

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Biological Functions of PHB and the Relationship with Mitochondrial Oxidative Phosphorylation

FANG Wen，FENG Hong*
(Department of Health and Exercise Science，Tianjin University of Sport，Tianjin 300381，China)

Prohibitin(PHB)is a highly conserved protein and is widely distributed in bacteria，yeast，Drosophila，protozoa and mammals in a variety of biological cells.PHB has functional diversity，which is mainly encoded by nuclear genes，located in the mitochondrial inner membrane，nucleus，cell membrane and matrix.Due to its special location，structure and function in mitochondria，in recent years，it has become a new hot spot in the study of mitochondria functions.Based on researches related to mitochondria and PHB，this paper systematically describes the biological role of PHB and its important role in the process of oxidative phosphorylation in mitochondria.

prohibitin；mitochondria；biological effect；oxidative phosphorylation

Q51

：A

：1006-8945(2016)04-0041-05

*

国家自然科学基金面上项目：Prohibitin 1 在运动能量代谢中的作用及调控F0F1-ATP合酶机制(编号：31470061)。

2016-02-16