波形蛋白的结构与功能及其在肿瘤中的研究进展

宋双龙,王 石

(1.内蒙古医科大学、内蒙古自治区人民医院，内蒙古 呼和浩特010110； 2.内蒙古医科大学、内蒙古自治区人民医院 肝胆胰脾外科，内蒙古 呼和浩特010110)

波形蛋白是中间丝蛋白的其中一种，由于具有复杂的生物学功能和重要作用，近年来已成为世界各地研究的热点，它在上皮-间充质转化过程中起着重要的作用，这一过程对癌症转移至关重要，因此可以进行药物靶向波形蛋白，以减少癌症的生长和扩散，从而帮助肿瘤的治疗和延长患者的生存期。本文综述了波形蛋白的结构与功能和在肿瘤中的作用机制及其临床研究进展。

1 波形蛋白的结构与功能

波形蛋白的名称来源于拉丁语单词vimentum，广泛表达于不同生物体的细胞和组织中[1]。波形蛋白具有三级结构，波形蛋白分子的中心α螺旋部分是所有中间产物的共同结构，有四个螺旋片段1A、1B、2A和2B与七肽重复序列的L1、L1-2和L2区域相连[2]。α-螺旋杆结构域由310个氨基酸组成,其中酸性氨基酸有70种，碱性氨基酸有46种[3]。具有基本特征的杆状头部N端的结构域与中央的α-螺旋杆的酸性相反，因为有12个精氨酸残基包含于其102个氨基酸长序列中。N端部分是由7个氨基酸残基序列组成的一个线圈1基序，在其序列中，有2个疏水残基，为第一和第四残基。棒状尾部C端结构域是一个具有不同周期性疏水模式的线圈2基序构成，其中的疏水核心是由3个残基形成，分别为第一、第四以及第八残基。波形蛋白由不同结构的结构域组成，该蛋白不同结构域可能是相互独立进化的，可以明确地定义和不同的功能，有助于该蛋白的功能多样性。

波形蛋白在胚胎发育的早期阶段在高度可塑的前体细胞中表达，而在出生后，在多种细胞和组织中均有表达。波形蛋白α螺旋是二聚体，二聚体的反平行结合产生四聚体，四聚体是细胞骨架的长丝状结构的单位，波形蛋白作为一种细胞骨架，与细胞的运动密切相关，在上皮-间充质转化(EMT)的过程和转移中具有关键的作用[4]。虽然波形蛋白在成年动物中的表达仅限于某些细胞类型，但在再生过程中，如上皮伤口愈合过程中，波形蛋白可以在体内重新诱导乳腺再生[5]、神经系统再生[6]以及许多细胞类型的细胞内培养，如肌卫星细胞和上皮细胞培养。波形蛋白磷酸化等翻译后修饰(PTM)参与波形蛋白的组装/拆卸和功能[7-9]。此外，波形蛋白网络可以通过蛋白质水解分解，波形蛋白的裂解可以通过半胱天冬酶、钙蛋白酶和病毒蛋白酶等酶的作用发生，表明它们对波形蛋白功能的影响。波形蛋白还作为许多其他蛋白质的支架，通过肌动蛋白丝和微管这两个主要丝状组分直接相互作用，参与细胞迁移、粘附和分裂的调节[10-12]。波形蛋白还参与其他一些功能，实验模型生动地说明了这一点。在波形蛋白敲除小鼠中，由于成纤维细胞迁移的缺陷和淋巴细胞黏附失败致创面愈合障碍[8]。对波形蛋白基因敲除小鼠的进一步详细分析，可以发现其细胞和组织出现了脂质代谢[13]、动脉硬化[14]以及神经方面[6]等异常情况。此外，波形蛋白在各种癌中过度表达[15]，这清楚地证明了波形蛋白在癌症中的潜在作用。

2 波形蛋白的翻译后修饰

波形蛋白也被认为经历了几个翻译后修饰[16]，可以在特定的情况下对波形蛋白的功能特性进行调节[17]。同时，不同类型之间的翻译后修饰可以相互作用，使调节波形蛋白功能的可能性变大。研究表明，磷酸化决定波形蛋白和中间体组装的构象。中间丝磷酸化的主要目的是促进其功能组织化、动态亚基交换和溶解度。波形蛋白分子中的主要磷酸化结构域是Sеr-4,Sеr-38,Ser-41,Sег-71-72,Sеr-418,Ser-429，Thr457[18]等。瓜氨酸化是细胞外波形蛋白的重要修饰，这种酶修饰是由肽基精氨酸脱亚胺酶催化的，它将一种特定蛋白质中的精氨酸转化为另一种蛋白质中的瓜氨酸。瓜氨酸化将波形蛋白转化为类风湿性关节炎的抗原以及抗肿瘤免疫的抗原[19-20]。波形蛋白瓜氨酸化也是肝纤维化和强直性脊柱炎的潜在诱因。已经证明波形蛋白在体外的溶解度可以被SUMO化调节[16]，波形蛋白的SUMO化对其分解具有重要意义，在细胞中表达的非SUMO化波形蛋白突变体的迁移水平降低[21]。细菌SpyA对波形蛋白的ADP核糖基化在体外被鉴定，并且头部结构域Arg残基的ADP核糖基化可抑制波形蛋白的形成[22]。波形蛋白头部结构域的糖基化是波形蛋白板组装、细胞迁移和细胞内病原体复制所必需的[23]。波形蛋白糖基化导致其严格重新分布到核周侵袭体。通过糖基化和氧化加合物丙二醛修饰的波形蛋白可在衰老或复制性衰老的成纤维细胞中发现[24]。与中间体家族的其他成员一样，波形蛋白可以泛素化，但中间产物蛋白质泛素化的位点还不完全清楚。

3 波形蛋白表达的表观遗传调控

波形蛋白表达的调节可能很复杂。最常见的表观遗传分子机制有四种[25]。DNA甲基化主要参与癌细胞的基因调控和沉默。Cong等人已经证明，在胃癌中，波形蛋白启动子的甲基化水平与VIM水平呈负相关。此外，用DNA甲基化抑制剂处理包含波形蛋白基因高甲基化水平的细胞，可显著恢复波形蛋白的表达[26]。波形蛋白在EMT中的表达高度受其启动子区域甲基化的影响，与胃癌中波形蛋白的表达和疾病进展相反[27]。组蛋白甲基化或染色质修饰在许多表观遗传学现象中起着关键作用。Liu等人描述了一种核组蛋白去甲基化酶和胺氧化酶家族成员——赖氨酸特异性去甲基化酶1(LSD1)，它可以募集到波形蛋白启动子以及对人乳头瘤病毒16 E7诱导的EMT产生催化组蛋白去甲基化的作用[28]。Gupta等人还表明，高糖条件下的组蛋白H3磷酸化与波形蛋白基因的低甲基化及其在乳腺癌细胞中的上调有关[29]。MicroRNAs(miRNAs)是一种单链的非编码的调节RNA，有调节许多生物过程的能力，是参与不同疾病的表观遗传调节剂，已有文献证明，波形蛋白的表达受几种miR的调节，如miR-146b、miR-146a、miR-143、miR-210-3p、miR-1275[30-34]等。例如，miR-210-3p通过靶向TNFa诱导的蛋白3相互作用蛋白1(TNIP1)以及细胞因子信号蛋白1(SOCS1)的抑制剂促进NF-kB信号的持续激活，两者都是NF-kB信号的两个负调节因子，导致前列腺癌细胞系的EMT和迁移[33]。此外，一个单一的miRNA可以靶向多个基因的mRNA，无论是来自同一个基因通路或跨不同的通路，导致表达模式的全局变化。大量的miRNA似乎以协同的方式发挥作用，导致zeb/Snails/Twist和EMT效应物的蛋白表达显著扩增来影响EMT的过程[35]。长非编码RNA(lncRNAs)可以作为多种生物过程中的关键顺式或反式调节因子，并且lncRNAs的突变与癌症的发展有关[36]。波形蛋白的表达可以直接或间接地受到非编码RNA(lncRNA)的调控，通过实验证实，在肝细胞癌中，lncRNA可以与波形蛋白结合，从而逆转肿瘤的恶性表型[37]。另一方面，在胃癌细胞中，lncRNA LINC00675可以增强VIM在Ser83上的磷酸化水平，导致VIM的崩解，并随后减少细胞转移[38]。

4 波形蛋白与上皮-间充质转化(EMT)

EMT是在上皮细胞特定的生理过程和条件下失去上皮标记物、细胞极性、细胞间的间叶连接和细胞骨架结构的重组,转化为具有迁移和侵袭的能力的骨髓间充质表型。EMT广泛存在于神经系统发育、伤口愈合、纤维化和肿瘤转移的过程中[39]。大量研究表明，波形蛋白是EMT的重要标志物，EMT在肿瘤发生发展中具有重要的意义，EMT现象是一个由诱导器、核心调节器和效应器组成的各种复杂网络之间及时相互作用的复杂过程[40]。EMT诱导物包括转化生长因子β(TGF-β)、BMP、受体酪氨酸激酶(RTK)、Wnt/β-catenin、NOTCH、转录激活因子3(STAT3)等[41-43]。这些EMT诱导因子导致EMT核心调控因子的表达和功能激活，其中包括三大类[44]。VIM调节基因转录因子的作用得到了一些结果的证实。据报道[4、45]，VIM通过一个反馈回路调节Snail和Slug的表达，而VIM的下调会持续重复，减少它们的mRNA，并影响它们的蛋白表达,它也作为Snail或slug诱导的EMT的下游效应，以增强细胞迁移。c-Myc也可以调节波形蛋白的表达以及EMT诱导和细胞迁移的相关通路[46]，c-Myc可以通过HDAC-6依赖的α-微管蛋白去乙酰化和波形蛋白网络的重组，诱导细胞僵硬，并赋予癌细胞侵袭潜能，因为波形蛋白可增加细胞在贴壁培养中的侵袭潜能[47]。缺氧诱导因子-1(HIF-1)负责与缺氧相关的细胞反应、肿瘤微环境调节和EMT诱导；它还在转录水平上调节VIM，并在肿瘤侵袭过程中调节细胞迁移[48]。

5 波形蛋白与肿瘤

血管生成可以为肿瘤生长提供足够的血氧，并推动肿瘤进展。越来越多的研究已经证明波形蛋白有助于血管生成。最近的一项研究证明了波形蛋白在诱导血管生成拟态中的作用，并且发现了肿瘤分级和波形蛋白表达之间的统计差异[49]。Dave等[50]回顾了波形蛋白在血管生成中的作用。在内皮细胞中，由各种细胞外促血管生成信号激活，如鞘氨醇-1-磷酸(S1P)、钙蛋白酶等将波形蛋白切割成碎片。之后，波形蛋白片段与膜基-1基质金属蛋白酶(MT1-MMP)结合。然后，1-磷酸鞘氨醇(S1P)在Y573磷酸化MT1-MMP，然后复合物最终转移到膜上，导致细胞外基质(ECM)降解和内皮芽形成。Notch信号转导途径是血管生成的关键介质，波形蛋白通过调节Notch信号的特定配体Dll4来影响血管生成。HO-1(血红素加氧酶-1)通过靶向下游的VEGF调节血管生成[51]。此外，沉默VIM会导致HO-1引起的细胞增殖减少。相反，HO-1缺失后会抑制VEGF诱导的钙蛋白酶活性和波形蛋白裂解。PARP抑制剂是肿瘤血管生成的调节因子；抑制PARP-1导致波形蛋白表达下调，并抑制血管内皮细胞中的肿瘤血管生成[52]。此外，波形蛋白还参与维持血管完整性[53]。

肿瘤的进展通常伴随着肿瘤细胞的转移，包括肿瘤细胞的迁移、侵袭和粘附。波形蛋白根据自身的结构和信号特征调节细胞迁移。最初的观察发现，波形蛋白基因的表达主要在增殖细胞和未分化细胞中，随后的研究表明，波形蛋白与癌细胞的恶性转化和转移扩散有关。有报道称[3]乳腺癌与VIM过表达相关，会促进乳腺上皮细胞的侵袭和迁移，已被证明是由H-Ras-V12G和Slug诱导的。在肺癌的体外实验中[54]，波形蛋白的下调降低了VAV2(鸟嘌呤核苷酸交换因子vav亚家族成员)的靶点Rac1的活性，从而影响细胞粘附。而且，过表达Rac1可以逆转这一过程。这些结果为波形蛋白通过激活VAV2介导的Rac1促进黏着斑激酶稳定性的观点提供了有力的证据。在肺腺癌早期的肿瘤微环境中，波形蛋白可能有一个关键的促瘤能力[55]。在前列腺上皮细胞的体内分析中，波形蛋白被证明是维持前列腺腺泡内环境稳定的关键。这表明波形蛋白在前列腺癌中的表达导致了高的致瘤活性。有实验证实在肝门部胆管癌中，VIM的高表达与患者年龄、肿瘤分期等许多因素都相关[56]。也有研究发现[57]VIM可以增强肝癌细胞的迁移侵袭能力，使癌细胞更容易发生转移。此外，波形蛋白介导的细胞迁移可被H-Ras抑制，其机制可能是H-Ras诱导波形蛋白在细胞核周围聚集，而不是局部粘附[58]。之前的研究结果表明，当使用小干扰RNA干扰波形蛋白表达时，结肠癌细胞和乳腺癌细胞的迁移能力减弱，且乳腺癌细胞的粘附力也降低[59]。许多数据证实波形蛋白参与肿瘤细胞的侵袭，波形蛋白还与许多肿瘤的发生发展有密切的关系[60]。在体外，波形蛋白被证明是肿瘤相关成纤维细胞在集体侵袭期间运动所必需的，而波形蛋白的敲除抑制了肿瘤细胞的侵袭[61]，而且可以恢复部分其上皮表型。以上结果表明，波形蛋白参与肿瘤细胞转移，促进肿瘤发展。

多种证据表明，波形蛋白还可以作为潜在的肿瘤标志物去预测肿瘤的发生发展。有研究显示[62]，在对一些非小细胞肺癌患者的随访中，约65%患者随访结果证实癌细胞的转移与波形蛋白表达高度相关。也有研究[3]已经确定在恶性黑色素瘤中，瘤细胞发生侵袭和转移离不开波形蛋白，因此波形蛋白可以作为该疾病的临床预测因子去预测患者的肿瘤转移情况，从而提供个体化的治疗选择。由于VIM与转移形成密切相关，在胃癌中VIM也是呈现高表达状态，因此VIM可作为胃癌患者预后的一个指标，也有可能作为生物标志物去定义癌症的侵袭性，因为胃癌的侵袭性表型也有可能是VIM导致的。骨桥蛋白通过与波形蛋白相互作用，诱导EMT并缩短肝细胞癌患者的总生存时间。此外，还发现敲除波形蛋白中的一部分残基可以消除骨桥蛋白对肝细胞癌的作用[63]。外周血循环的循环肿瘤细胞(CTCs)在早期癌症预防和预后监测方面取得了很大进展。但是CTC在临床应用中的敏感性和特异性低。然而通过测量CTC表面的波形蛋白，可以使CTC的检测变得更加准确[64]。

由于波形蛋白在各种类型的肿瘤中起着重要的调节作用，导致VIM成为一个非常有研究价值的癌症治疗的药物靶点。研究最彻底的靶向波形蛋白的药物可能是Withaferin A(WFA)，WFA可抑制肿瘤生长，并具有促凋亡活性。研究发现[4]，它能靶向并直接结合波形蛋白，并试图寻找与其抗血管生成特性相关的作用模式，WFA下调波形蛋白的表达，诱导波形蛋白丝的分解。在500nM或更低的剂量下，WFA似乎没有促凋亡，也没有细胞毒性的作用，也不改变波形蛋白的表达水平和导致波形蛋白Ser56磷酸化。在更高剂量下，WFA改变了处理细胞的基因表达谱，这表明EMT的逆转。在异种移植小鼠模型中，当给予WFA时，波形蛋白表达水平的变化较低，但仍可检测到。芳基喹啉1(Arylquin 1)是3-芳基喹啉的衍生物，已被证明能与波形蛋白特异性结合，通过分泌依赖的机制导致肿瘤细胞凋亡[3]。水飞蓟宾和盐碱霉素都可以抑制波形蛋白的表达；另外水飞蓟宾还可以逆转EMT的进程以及抑制肿瘤-间质通讯的化合物，也可以抑制癌症的发生发展。此外，还有DNA适配体NAS-24可能通过与波形蛋白结合来促进腺癌细胞的凋亡[65]。波形蛋白结合化合物FiVe1(用于foxc2抑制波形蛋白效应物1)已被证明可以选择性地抑制间充质转化的乳腺癌细胞的生长[66]。Plk1抑制剂伏拉塞替(volasertib)是一种诱导细胞凋亡和抑制迁移的药物，Plk1抑制可以导致波形蛋白Ser82磷酸化水平降低[67]。薯蓣皂苷和白藜芦醇均能抑制波形蛋白的表达，减少迁移和侵袭，熊果酸也具有这些作用，能减少肿瘤细胞的生长，诱导细胞凋亡。大蒜成分阿藿烯可以直接与波形蛋白结合并凝结成丝网，以依赖波形蛋白的方式抑制迁移和入侵[68]。波形蛋白可以通过引导治疗药物直接到肿瘤部位，在这种治疗中发挥进一步的作用。白细胞介素-12可以用于癌症的治疗，但它具有毒副作用，而多肽VNTANST可以通过与癌细胞中的波形蛋白特异性结合导致肿瘤微环境中的白细胞介素-12增加，这种特异性结合可以不但可以减少白细胞介素-12的毒副作用，还可以增加它的抗癌作用[69]。他汀类药物主要应用与降低患者的胆固醇，然而这类药物也可以作为有效的抗癌药物去靶向针对波形蛋白中间丝。辛伐他汀可以在不影响VIM表达缺乏的细胞的情况下，却可以促进VIM表达的细胞死亡[70]。氟伐他汀也被证明可以诱导波形蛋白的蛋白水解，并促进癌细胞系中的细胞死亡[71]。综上所述，靶向波形蛋白作为癌症的一种治疗方法是非常有研究价值的。

6 结论

近年来，越来越多的证据表明波形蛋白在肿瘤的发生和发展过程中发挥了关键的作用。波形蛋白是一种具有多种结合伙伴的功能蛋白，其中许多功能仍有待阐明。由于波形蛋白的多种作用，因此应考虑在动物移植瘤模型中进行研究对其抑制的后果。大量的波形蛋白突变已被发现在人类癌症中；然而，它们在EMT或癌症进展中的作用仍有待发现。调节这些机制的分子相互作用在很大程度上是未知的。因此需要开发新的策略来靶向这一关键蛋白的癌症治疗。