脂筏标记蛋白Flotillin-1结构与功能

徐 榕，逄 越，李庆伟,*

（1. 辽宁师范大学 生命科学学院，辽宁 大连 116029；2. 辽宁师范大学 七鳃鳗研究中心，辽宁 大连 116029）

脂筏标记蛋白Flotillin-1结构与功能

徐 榕1,2，逄 越1,2，李庆伟1,2,*

（1. 辽宁师范大学 生命科学学院，辽宁 大连 116029；2. 辽宁师范大学 七鳃鳗研究中心，辽宁 大连 116029）

浮舰蛋白（Flotillin-1）是一种脂筏标记蛋白，它作为一种常见的蛋白，在动植物体内分布广泛，无论在原核生物还是真核生物中序列都十分保守，不仅能标记脂筏，还充当了脚手架的作用，为许多蛋白质的反应提供了平台，在信号转导、神经元轴突再生、细胞增殖以及癌症早期诊断等现象中起到了重要的作用，因此有很高的研究价值。本文总结了近年来Flotillin-1在各领域中的研究现状，为细胞基础研究、神经疾病、糖尿病和癌症等疾病的研究和治疗提供新的思路。

浮舰蛋白；信号转导；脂筏；癌症

0 引言

脂筏(Lipid raft)是一种分子排列较紧密的并且富含鞘脂和胆固醇的稳定膜脂微区结构，直径一般为50 nm[1-3]，由于鞘脂具有长链饱和脂肪链，有较高的Tm，所以脂筏区流动性比非脂筏区弱，会有分相的现象[4]。脂筏难以被去垢剂溶解，又在许多动物的生物膜上广泛分布，所以可以用蔗糖密度梯度离心等方式分离[5]。

脂筏区有许多蛋白都与信号传递密切相关，比如各种激酶、GPI锚定蛋白、G蛋白和偶联受体等，它们在脂筏聚集并发生相互作用，激活许多信号通路[6]。而浮舰蛋白（Flotillin），胞膜窖蛋白（Caveolin）和Stomatin等则是能够标志脂筏的结构蛋白，能在脂筏中大量检测到，不仅功能上依赖脂筏，并影响着脂筏的构成，从而影响细胞中与脂筏相关的生理功能[7]。

1 Flotillin-1的发现

最初，Flotillins是在神经元细胞中被检测到的，人们发现很多因素都能调节神经轴突的生长，比如细胞骨架的重新排列、黏附分子的表达以及钙信号的调节等，1997年Schulte等[8]发现金鱼的视神经被损伤后，会大量表达两种蛋白，分析它们可能参与了轴突再生的过程。几乎同时，Bickel等[5]重新挑选了能标记脂筏的分子，也发现了这两种蛋白，从鼠肺的膜提取物中将它们分离出来后，把它们称为Flotillins。两组实验者采用了不同的研究方法，都发现了Flotillin蛋白，显示了Flotillin的广泛存在和对生物体生长发育的重要性。

2 Flotillin-1的结构

研究表明，人的Flotillin-1基因全长为15 kb，包含13个外显子和12个内含子，潜在的起始翻译位点有两个[9]，并且鼠的 Flotillin-1氨基酸序列和人的一致性达 99%，与果蝇的 Flotillin-1相似性也达到了61%[10]，说明Flotillin-1高度保守。Rivera-Milla等[11]发现Flotillin-1在很多种细胞中都能表达，在不同生物中的脑组织中大量存在，并且在脊髓、肝脏、肠、心脏和睾丸等器官中也能稳定表达[9]，它不仅在细胞膜、吞噬体和高尔基体中存在，还能通过结合有丝分裂蛋白PTOV1使其在细胞核中定位[12]。

Flotillin家族由Flotillin-l和Flotillin-2构成，二者同源性比较高，Flotillin的N端含有SPFH结构域，使Flotillin能固定在细胞膜上[13]，而C端具有参与形成卷曲螺旋结构的Flotillin结构域，Flotillins之间可以通过它形成寡聚体[14]。Flotillin-1有一些比较保守的潜在磷酸化位点，比如在N 端有棕榈酰化位点和豆蔻酰化位点，能使蛋白有效固定在细胞膜上，Flotillin与Caveolin相似，通过疏水结构来靠近脂质的双分子层，形成环状却没有横跨细胞质膜[15]。Flotillin-1含有2个疏水区，能促进其与膜的结合并在质膜上定位[16]。

3 Flotillin-1蛋白的功能

脂筏能调控细胞的许多生理过程，比如细胞迁移和凋亡、细胞骨架的重排、胞吐和胞吞以及多种信号转导等，并且Flotillin-1在体内表达普遍，说明它发挥着一些维持细胞生理机能的基础作用，但并不了解它更为确切的功能。近来广泛认为Flotillin-1更多作为一种起到类似脚手架功能的蛋白，在信号转导、神经元轴突再生、细胞增殖以及癌症的早期发现等方面起着重要作用。

3.1 Flotillin-1参与信号通路

Flotillin-1在胰岛素信号的传递过程中起到调节作用：糖尿病人红细胞膜中的Flotillin-1的含量高于普通人[17]，并且葡萄糖代谢的过程中有一条依靠胰岛素信号的通路，这条通路依赖Flotillin-1与CAP的相互作用[18]。胰岛素受体的底物有很多种，包括Cbl原癌基因产物，这种底物被酪氨酸磷酸化之后会与Flotillin组成三聚体，使CAP/Cbl复合体定位至细胞膜上的脂筏，病理条件下，胰岛素受体Tyr960所在的NPXY基序可通过CAP使Cb1的Tyr磷酸化并结合Flotillin，然后Cbl趋化结合接头蛋白CrkⅡ，最后可激活GLUT4，促进转运葡萄糖进入细胞[18]。2015年Donghwan Jang等[19]在Flotillin-1对类胰岛素生长因子1（IGF-1)信号系统的调节情况的探索中，发现HEK 293T细胞中的Flotillin-1的缺乏阻碍了IGF-1受体的激活，Flotillin-1的棕榈酰化不影响IGF-1R的稳定性，但能将IGF-1R从内质网转移到细胞膜上，并且促进癌细胞通过IGF-1信号通路进行增殖，这些数据显示Flotillin-1的棕榈酰化对于IGF-1R在细胞内的定位和激活十分重要。

2014年Christian等[20]发现，在Poly(I:C)的刺激下，Flotillin-1可通过TLR-3通路调节人脐静脉内皮细胞（HUVEC）的两种粘附分子VCAM-1和ICAM-1的表达。他们敲低了HUVEC中的Flotillin-1，发现VCAM-1和ICAM-1的表达下调，随后在Flotillin-1缺陷细胞中转染重组的 Flotillin-1-GFP质粒，VCAM-1和 ICAM-1的表达回升。同时，他们发现Flotillin-1能够影响胞膜窖蛋白(Caveolae)的表达，Flotillin-1的缺失导致Caveolin-1表达下调，而重新导入Flotillin-1使其过表达并不能恢复Caveolin-1的表达水平，而Caveolin-1的缺失对Flotillin-1的表达没有影响，说明Flotillin-1能单方向维持Caveolin-1的表达。

Flotillin-1 对受体酪氨酸激酶/丝裂原活化蛋白激酶信号激活具有双重作用。Flotillin-1的缺乏导致EGF受体酪氨酸磷酸化降低，并减弱了对下游促分裂原活化蛋白（MAP）激酶和 Akt信号的激活，还能直接导致ERK1/2的失活。Flotillin-1能与CRAF、MEK1、ERK和KSR1（RAS的激酶抑制剂）形成复合物，对早期阶段（EGF受体的激活）和晚期（MAP激酶的活化）生长因子信号有直接的调节作用[21]。

3.2 Flotillin-1与神经发育

Flotillin-1的一个重要功能是参与了神经轴突的分化和生长：将海马神经元Flotillin-1基因敲除后，发现阻碍了神经突生长分支，而Flotillin-1的过表达使神经突的分支增加，并且能和类突触粘附分子（SALM）协同作用，促进海马神经元的分化，而破坏脂筏发现能抑制 Flotillin-1对轴突的调节，说明Flotillin-1是依赖脂筏行使此功能的[22]。2015年Nakadate[23]研究大鼠视觉皮层早期变化过程中Flotillin-1的细胞和亚细胞定位情况，发现大鼠出生后21～35天内Flotillin-1的表达水平只有片刻的增长，而三周后Flotillin-1明显地分布在所有的视觉皮质层中，电镜下显示Flotillin-1靠近神经元和突触前区的内质网，此外，在超微分布下显示Flotillin-1主要在突触前末梢中运输。

Flotillin-1 蛋白与一些神经性疾病有关，比如阿尔兹罕默氏症(Alzheimer‘s disease, AD)患病者脑中有大量Flotillin-1，并包含β－淀粉样蛋白，Flotillins密集所形成的区域能调控这种疾病，比如有研究表明“益气调血，扶本培元”针法能改善阿尔茨罕默氏症[24]，用 Morris水迷宫法检测快速老化模型小鼠的学习能力和记忆能力，发现小鼠的海马CA1区Flotillin-1的消耗能够上调NEP的表达并促进Aβ降解，从而减少Aβ的沉积，这可能是此针法防治阿尔兹罕默氏症的作用机制的一部分。Pimpinelli等研究表明，鼠的神经元细胞系被朊病毒感染后，病毒会在 Flotillin-1阳性囊泡中分布[25]，表明Flotillin-1的表达对海绵状脑病的调控是十分重要的。

3.3 Flotillin-1与细胞功能

研究证明 Flotillin-1对细胞内吞也十分重要：Murphy等[26]发现红细胞被疟原虫入侵后，Flotillin-1依附在囊泡膜上并随着细胞的内吞作用进入细胞，而Flotillin-1在哺乳动物细胞中会依赖网格蛋白促进细胞的内吞[27]。Riento等[28]发现 Flotillins的内吞作用受到Src家族激酶Fyn的调节，它能将Flotillin-1和Flotillin-2的氨基酸序列中酪氨酸残基(Y160和Y163)磷酸化，变成苯丙氨酸后能阻止 Fyn诱导 Flotillins引发的内吞。

此外，Flotillin-1还能促进细胞分裂：在一些细胞中Flotillin-1能与PTOV1结合，PTOV1能促进细胞的有丝分裂，从而Flotillin-1能随着有丝分裂进入细胞核，并且缺失二者的任何一种都影响细胞的增殖，说明 Flotillin-1在细胞增殖中有不可替代的作用[12]。不仅如此，Flotillin-1还参与了 T细胞的激活：Stuermer等[29]发现受到阮蛋白PrPc刺激后的T细胞能在钙离子的调控下，使Flotillin-1聚集在T细胞的一端，然后聚集Thy-1、Fyn和CD3等信号分子和受体复合物结合，并形成帽子结构（Capping），为形成PrPc聚合物、肌动蛋白的重新排布以及相关信号转导提供有利场所。

3.4 Flotillin-1与癌症

2015年曹传林等[30]检测新鲜胃癌及癌旁组织中Flotillin-1的表达情况，发现Flotillin-1 RNA和蛋白在新鲜胃癌组织中均大量表达且高于癌旁正常组织，与胃癌患者的性别、年龄、肿瘤大小、肿瘤分化程度和肿瘤位置均无关，仅与肿瘤浸润深度、肿瘤淋巴结转移和远处转移以及肿瘤AJCC临床分期有关，而且蛋白质组学分析发现胃癌中 35%的蛋白质与质膜有关，并且 Flotillin-1高表达预示患者预后较差，Flotillin-1的大量表达调控着胃癌的转移与侵袭，为胃癌的早期诊断提供了方便，提示未来也可能作为胃癌的治疗靶点。2014年Li H等[31]人检测了52对肺癌组织和癌旁组织，以及非小细胞肺癌患者中取得的石蜡包埋组织中 Flotillin-1的表达，发现 Flotillin-1 mRNA在非小细胞肺癌组织中的表达与在癌旁组织相比明显上调，蛋白水平与肿瘤大小、肿瘤分期、淋巴结转移密切相关，并且Flotillin-1高表达的患者总生存期较短，表明Flotillin-1的异常表达影响了预后差的患者的非小细胞肺癌的发展进程。

Flotillin-1是一个完整的膜蛋白并且为雌激素应答基因，Winship AL等[32]研究人类子宫内膜癌的Flotillin-1定位和表达，发现Flotillin-1主要在子宫内膜增生期的腺上皮的细胞质中表达，且表达量与上皮细胞等级成负相关，但与肿瘤间质的细胞等级呈正相关，说明人类子宫内膜癌中的Flotillin-1可能参与了肿瘤从上皮到间质的转化过程。

4 结语

随着近几年对脂筏相关蛋白的深入研究，发现了Flotillin-1的许多功能。它作为脂筏的一种标记蛋白和脚架蛋白，对脂筏的形成十分重要，并且依赖脂筏行使许多功能；它能结合许多被激活的信号受体，同时招募各种相关信号蛋白，形成复合物并激活不同的信号通路，比如它能通过Toll样受体调控炎症因子，可能作为炎症治疗的靶点进行研究；它还能运输蛋白质到细胞的各个部位，影响细胞的吸收和内吞等作用；它在肿瘤中的高表达所带来的影响也是目前研究的热点，比如Flotillin-1的棕榈酰化是控制肿瘤发生的潜在机制，但在不同细胞中的影响存在差异，所以需要在多种细胞中探索它的作用方式，并且 Flotillin-1和Flotillin-2的异同以及Flotillin与Caveolin等膜蛋白间的相互影响情况也是研究者关注的内容。虽然关于它更加具体的功能目前还不了解，并且在各种研究中人们存在着许多不同看法，但是深入了解Flotillin-1，对心脑血管疾病、糖尿病、神经退化性疾病以及早期癌症的发现和治疗都有重要意义。

[1] SIMONS K, IKONEN E. Functional rafts in cell membrane[J]. Nature, 1997, 387: 569-572.

[2] EDIDIN M. Lipids on the frontier: a century of cellmembrane bilayers [J]. Nat Rev Mol Cell Bio, 2003(4): 414-418.

[3] SHARMA P, VARMA R, SARASIJ R C, et al. Nanoscale organization of multiple GPI-anchored proteins in living cell membranes [J]. Cell, 2004, 116(4): 577-589.

[4] BROWN D A, LONDON E. Structure and function of sphingolipid- and cholesterol-rich membrane rafts [J]. Biol.Chem., 2000, 275: 17221-17224.

[5] BICKEL P E, SCHERER P E, SCHNITZER J E, et al.Flotillin and epidermal surface antigen define a new family of caveolae-associated integral membrane proteins [J]. J Biol Chem, 1997, 272(21): 13793-13802.

[6] NAKAHATA N, OHKUBO S. Lipid rafts and their analytical methods [J]. Nippon Yakurigaku Zasshi, 2003, 122: 419-425.

[7] GARCIA A, CAYLA X, FLEISCHER A, et al. Rafts: A simple way to control apoptosis by subcellular redistribution[J]. Biochimie, 2003, 85(8): 727-731.

[8] SCHULTE T, PASCHKE K A, LAESSING U, et al. Reggie-1 and reggie-2, two cell surface proteins expressed by retinal ganglion cells during axon regeneration [J]. Development,1997, 124(2): 577-587.

[9] EDGAR A J, POLAK J M. Flotillin-1 gene structure: cDNA cloning from human lung and the identification of alternative polyadenylation signals [J]. Int J Biochem Cell Biol, 2001,33(1): 53-64.

[10] GALBIATIF, VOLONTE D, GOLTZ J S, et al.Identification, sequence and developmental expression of invertebrate flotillins from Drosophila melanogaster [J]. Gene,1998, 210(2): 229-237.

[11] RIVERA-MILLA E, STUERMER C A, MALAGA-TRILLO E. Ancient origin of reggie (flotillin), reggie-like, and other lipid-raft proteins: convergent evolution of the SPFH domain[J]. Cell Mol Life Sci, 2006, 63(3): 343-357.

[12] SANTAMARIA A, CASTELLANOS E, GOMEZ V, et al.PTOV1 enables the nuclear translocation and mitogenic activity of flotillin-1, flotillin-1, a major protein of lipid rafts[J]. Mol Cell Biol, 2005, 25(5): 1900-1911.

[13] TAVERNARAKIS N, DRISEOLL M, KYRPIDES N C. The SPFH domain: implicated in regulating targeted protein turnover in stomatins and other membrane-associated proteins [J]. Trends Biochem Sci, 1999, 24(11): 425-427.

[14] SOLIS G P, HOEGG M, MUNDERLOH C, et al. Reggie/flotillin proteins are organized into stable tetramers in membrane microdomains [J]. Biochem J, 2007, 403(2):313-322.

[15] BAUER M, PELKMANS L. A new paradigm for membrane-organizing and -shaping scaffolds [J]. FEBS Lett,2006, 580(23): 5559-5564.

[16] LIU J, DEYOUNG S M, ZHANG M, et al. The stomatin/prohibitin/ flotillin/HflK/C domain of flotillin-1 contains distinct sequences that direct plasma membrane localization and protein interactions in 3T3-L1 adipocytes [J]. Biol Chem,2005, 280(16): 16125-16134.

[17] JIANG M, JIA L, JIANG W, et al. Protein disregulation in red blood cell membranes of type 2 diabetic patients [J].Biochem Biophys Res Commun, 2003, 309(1): 196-200.

[18] BAUMANN C A, RIBON V, KANZAKI M, et al. CAP defines a second signalling pathway required for insulinstimulated glucose transport [J]. Nature, 2000, 407(6801):202-207.

[19] JANG D, KWON H, JEONG K. Essential role of flotillin-1 palmitoylation in the intracellular localization and signaling function of IGF-1 receptor [J]. Journal of cell science, 2015,128(11): 2179-2190.

[20] FORK C, HITZEL J, NICHOLS B J, et al. Flotillin-1 facilitates toll-like receptor 3 signaling in human endothelial cells [J]. Basic Res Cardiol, 2014, 109(6): 439.

[21] AMADDII M, MEISTER M, BANNING A, et al. Flotillin-1/reggie-2 protein plays dual role in activation of receptortyrosine kinase /mitogen-activated protein kinase signaling[J]. J Biol Chem, 2012, 287(10): 7265-7278.

[22] SWANWICK C C, SHAPIRO M E, VICINI S, et al.Flotillin-1 mediates neurite branching induced by synaptic adhesion-like molecule 4 in hippocampal neurons [J]. Mol Cell Neurosci, 2010, 45(3): 213-225.

[23] NAKADATE K. Developmental changes in the flotillin-1 expression pattern of the rat visual cortex [J]. Neuroscience,2015, 292: 101-111.

[24] 戴思思. ―补肾活血”针刺法对快速老化模型小鼠SAMP8海马CA1区flotillin-1和NEP表达的影响[D]. 中南大学,2010.

[25] PIMPINELLI F, LEHMANN S, MARIDONNEAU-PARINI I. The scrapie prion protein is present in flotillin-1-positive vesicles in central-but not peripheral-derived neuronal cell lines [J]. Eur J Neurosci, 2005, 21(8): 2063-2072.

[26] MURPHY S C, SAMUEL B U, HARRISON T, et al.Erythrocyte detergent-resistant membrane proteins: their characte- rization and selective uptake during malarial infection [J]. Blood, 2004, 103(5): 1920-1928.

[27] CONNER S D, SCHMID S L. Regulated portals of entry into the cell [J]. Nature, 2003, 422 (6927): 37-44.

[28] RIENTO K, FRICK M, SCHAFER I, et al. Endocytosis of flotillin-1 and flotillin-2 is regulated by Fyn kinase [J]. J Cell Sci, 2009, 122(7): 912-918.

[29] STUERMER C A O, LANGHORST M F, WIECHERS M F,et al. PrP capping in T cells promotes its association with the lipid raft proteins reggie-1 and reggie-2 and leads to signal transduction [J]. FASEB J, 2004, 18(14): 1731-1733.

[30] 曹传林, 李太原, 曹超, 等. FLOT1蛋白在胃癌组织中的表达及临床意义[J]. 世界华人消化杂志, 2015, 23(32):5141-5147.

[31] LI H, WANG R M, LIU S G, et al. Abnormal expression of FLOT1 correlates with tumor progression and poor survival in patients with non-small cell lung cancer [J]. Tumor Biol,2014, 35(4): 3311- 3315

[32] WINSHIP A L, RAINCZUK K, DIMITRIADIS E.Flotillin-1 protein is upregulated in human endometrial cancer and localization shifts from epithelial to stromal with increasing tumor grade [J]. Cancer Invest, 2016, 34(1): 26-31.

The Structure and Function of Lipid Rafts Marker Protein Flotillin-1

XU Rong1,2, PANG Yue1,2, LI Qing-wei1,2,*
(1. The Life Science College of Liaoning Normal University, Dalian 116029, China; 2. Lampreys Research Center of Liaoning Normal University, Dalian 116029, China)

Flotillin-1 is a lipid rafts marker protein and widely distributed in plants and animals as a common protein.The sequences are much conserved in prokaryotes or eukaryotes. It not only marks lipid rafts, but also as the role of scaffolding to provide a platform for the reaction of many proteins. It has a high research value because it is important for many physiological phenomena like signal transduction, neurite outgrowth, cell proliferation and early diagnosis of cancer. This paper summarizes the research status of lipid raft marker protein flotillin-1 in various fields in recent years, and provides new ideas to cell-based research, treatment of neurological diseases, diabetes, cancer and other diseases.

flotillin-1; signal transduction; lipid raft; cancer

Q51

A

1008-2395(2017)03-0043-05

2017-04-20

国家重大基础研究发展计划（973计划）项目（2103CB835304）；全国海洋公益项目（210305016）；国家自然科学基金项目（31170353，31202020）；辽宁省高等学校杰出青年学者成长计划项目（LJQ2014117)；大连市科技计划项目（2103E11SF056）。

徐榕（1991-），女，硕士研究生，研究方向：动物学。

李庆伟（1955-），男，教授，博士生导师，研究方向：细胞生物学。