磷酸酶和肌动蛋白调节因子1的研究进展

赵 唯，杨文琼

磷酸酶和肌动蛋白调节因子家族(protein phosphatase actin regulators，PHACTRs)是在大脑中表达的一类新型蛋白质，由PHACTR1～PHACTR4组成，最初被发现与蛋白磷酸酶1(protein phosphatase 1，PP1)和G-actin相互作用并调节其活性。PHACTR1和PHACTR3在成熟神经元中高表达，而PHACTR2在神经元中表达较少，PHACTR4伴随大脑发育过程在神经干细胞中表达。PHACTR2与帕金森病密切相关；PHACTR3可抑制轴突发育，通过肌动蛋白重构和PP1信号通路影响肿瘤细胞形态，其突变在非小细胞肺癌中可促进肿瘤细胞快速生长；PHACTR4在增殖的神经上皮细胞中富集，通过调节细胞周期和PP1活性参与神经管发育，且通过RHO/RHO相关的盘绕蛋白激酶(ROCK)途径负调控整合素信号，协调PP1和cofilin活性调节肠神经嵴细胞的定向迁移。PHACTRs过表达时，均导致细胞形态改变从而影响细胞运动。目前关于PHACTR1的研究多集中于基因表达及其多态性与相关疾病发生风险。现综述PHACTR1的结构、功能及其与相关疾病的关系，以期为疾病的分子诊断、靶向治疗及发生发展机制的研究提供参考。

1 PHACTR1的结构与功能

PHACTR1基因位于6p24.1染色体上，由20个外显子和19个内含子组成。N-端包括核定位信号和RPEL区域，C-端含有3个RPEL区和PP1结合区。RPEL区域与G-actin相互作用，通过调节PHACTRs细胞内定位，在调节细胞形态和运动中具有关键作用[1-2]。PHACTR1可编码484个氨基酸，包括预测的8个蛋白激酶A(PKA)磷酸化位点和7个蛋白激酶C(PKC)位点，这些位点在PHACTR1分子的N-端和C-端的重复RPEL序列附近聚集成两组，这些位点的磷酸化可能改变细胞骨架的功能，从而调控PP1底物进而发挥作用[3]。PP1是一种多功能酶，参与细胞周期、蛋白质合成、肌肉收缩、碳水化合物代谢、转录和神经元信号传导等过程。PP1在神经系统中具有调节突触活性和树突形态的作用，PHACTR1可有效调节PP1活性，其机制可能是PP1直接作用于与肌动蛋白细胞骨架相关的神经元底物。因此，进一步研究确定PHACTR1蛋白分子相互作用的结构和功能，有助于设计干预策略以明确这些复合物在控制神经元功能方面的作用。

PHACTR1位于一个高度保守的基因组区，PHACTR1在血管形成、内皮细胞凋亡、氧化应激与炎症等方面发挥着作用。Allain等[4]研究表明，PHACTR1通过神经介素-1(neuropilin-1，NRP-1)和血管内皮生长因子受体1(vascular endothelial growth factor regulator 1，VEGF-R1)共同促进血管的形成和维持，NRP-1和VEGF-R1减少可抑制PHACTR1 mRNA表达，而NRP-2和VEGF-R2对其无影响。Jarray等[5]将PHACTR1描述为由VEGF-a165诱导在人内皮细胞中表达的基因，并发现PHACTR1表达依赖于VEGF-a165，PHACTR1缺失可显著减少血管形成。斑马鱼体内PHACTR1基因下调导致血管扩张[6]，这些证据均支持PHACTR1在血管结构和功能中发挥关键的病因作用。PHACTR1缺失通过诱导死亡受体4(death receptor，DR4)、死亡受体5(DR5)和Fas等受体、Fas相关死亡功能域(Fas-associated death domain，FADD)蛋白、凋亡相关蛋白(Bad和Bax)过表达，从而诱导细胞凋亡。人内皮细胞中的PHACTR1-siRNA能激活Caspase-3，在内源性凋亡途经和外源性凋亡途径中发挥作用，进而加速细胞凋亡[5]。Jing等[7]通过敲除小鼠脑毛细血管内皮细胞PHACTR1基因发现，PHACTR1可抑制内皮细胞增殖和迁移，促进细胞凋亡，调节基质金属蛋白酶(matrix metallopeptidase，MMP)2、MMP9和凋亡相关蛋白(Bax、Bcl-2)，为研究PHACTR1能否作为脑微血管疾病的诊断和治疗靶点奠定了基础。Zhang等[8]研究表明，PHACTR1通过与心肌素连接转录因子(myocardin-related transcription factor A，MRTF-A)相互作用减轻p65和核转录因子κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)的核积聚，从而减轻人冠状动脉内皮细胞氧化应激和炎症反应。Yang等[9]通过转染靶向PHACTR1的siRNA抑制其表达，发现PHACTR1沉默可降低人冠状动脉内皮细胞存活率。总之，PHACTR1在调控血管形成和内皮细胞存活中发挥着重要作用。

2 PHACTR1基因表达与临床意义

2.1 PHACTR1与心血管疾病

2.1.1 PHACTR1与冠心病 冠心病是冠状动脉粥样硬化病变引起的血管腔狭窄或阻塞，进而导致心肌缺血、缺氧或坏死的心脏病，尽管已进行积极预防，但发病率仍较高。Reschen等[10]通过免疫组化方法发现，PHACTR1在动脉粥样硬化斑块中的巨噬细胞、载脂泡沫细胞、内皮细胞中高表达，是一个关键的动脉粥样硬化候选基因，与之前小鼠脑内发现的长转录本不同，动脉粥样硬化细胞模型发现了中转录本、短转录本，其表达方式各有差异，为研究PHACTR1在神经系统外的作用提供了较多可能性。多项研究表明，PHACTR1与冠心病发生风险相关，PHACTR1 rs9349379 GG基因型使内皮细胞和血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cell，VSMC)中的内皮素1(endothelin-1，ET-1)基因和其蛋白产物表达增加，而ET-1为有效的血管收缩内源性调节因子，与内皮功能障碍和血管收缩有关，其过表达可加速动脉粥样硬化，这可能是PHACTR1 rs9349379 GG基因型导致冠心病风险增加的可能原因之一[11-13]。有研究指出，PHACTR1 rs9349379定位于心肌细胞增强因子2(myocyte enhancer-factor 2，MEF-2)，而MEF-2在心脏和肌肉发育过程中发挥着重要作用，内皮细胞中MEF-2参与内皮细胞的发育和形成[14]，PHACTR1 rs9349379单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphisms，SNP)通过破坏MEF-2结合位点参与冠心病发病[15]。PHACTR1 rs9349379通过调节人冠状动脉中内皮细胞或血管平滑肌细胞中PHACTR1转录产物表达，可一定程度影响冠心病的发生发展[16]。总之，PHACTR1基因在冠心病发生和发展中可能通过阻碍正常的内皮功能和分化程序发挥作用。全基因组关联研究(genomic wild association study，GWAS)表明PHACTR1是冠状动脉狭窄的主要决定因素，PHACTR1基因第4个内含子上rs12526453位点的SNP与早发性心肌梗死有一定相关性，PHACTR1可能通过直接促进动脉粥样硬化发展导致心肌梗死[17]。Szpakowicz等[18]研究显示，含有rs12526453 CC纯合子的心肌梗死小鼠可较好地长期生存。由此可见，PHACTR1影响心肌梗死的发生及预后。

2.1.2 PHACTR1与高血压 高血压发病机制复杂，包括基因调控、中枢神经系统功能失调、巨噬细胞极化、肾素-血管紧张素-醛固酮系统和交感神经系统激活、肾脏损伤等。Fujimaki等[19]通过研究与冠状动脉疾病相关的29个遗传位点的SNP发现，PHACTR1 rs9369640、 SMARCA4 rs1122608、PSRC1 rs599839位点与高血压发病有关，其中T、G、C这3种等位基因对其有保护作用。Gupta等[20]应用来源于干细胞并经CRISPR/cas9编辑的内皮细胞显示，PHACTR1 rs9349379能调节其上游600 kb处ET-1基因表达，内皮细胞可增强ET-1基因转录从而增加ET-1表达。ET-1主要由内皮细胞产生，以旁分泌方式通过血管平滑肌细胞介导的血管收缩、重塑和增殖，促进动脉粥样硬化斑块形成。ET-1可能是通过与内皮素B(ETB)受体结合产生一氧化氮(NO)和前列环素舒张血管，进而降低血压[21]。因此，PHACTR1在高血压病发生机制可能通过影响ET-1发挥作用。

2.2 PHACTR1与神经系统疾病

2.2.1 PHACTR1与偏头痛 关于偏头痛发病机制的学说众多，主要包括血管学说、神经元学(皮质扩散抑制学说、三叉神经血管学说)、炎症介质学说等。偏头痛病人存在不同程度脑结构和功能异常及相关基因遗传易感性，并有学者相继提出中枢神经系统学说及基因遗传学说。偏头痛基因遗传方式主要分为单基因遗传和多基因遗传，多基因遗传又分为全基因组关联分析及候选基因两个方面。Gormley等[22]进行的GWAS确定了38个偏头痛易感基因位点，其中有7个(RNF213、PRDM16、PHACTR1、LRP1、TGFBR2、GJA1HEY2和JAG1)既往研究已明确与血管疾病有关，4个(MRVI1、GJA1、SLC24A3和NRP1)参与平滑肌调节，6个(PRDM16、GJA1、YAP1、LRP1、REST和MRVI1)与NO信号和氧化应激有关。有研究显示，PHACTR1 rs9349379位点与无先兆偏头痛有关，这种多态性表达可能与调节脑血管张力有关[23]。PHACTR1 rs9349379 G等位基因导致偏头痛风险降低的机制可能是PHACTR1导致END1高表达，从而使ET-1与VSMC上内皮素A(ETA)受体结合引起血管收缩，降低偏头痛风险[20]。

2.2.2 PHACTR1与West综合征 West综合征又称为婴儿痉挛征，通常发生在婴儿出生的第1年，具有3个特征：癫痫性痉挛发作、脑电图高峰节律紊乱和运动心理发育障碍。West综合征有多种病因，基因异常导致皮质生成紊乱和异常突触功能认为是其发病机制和病理生理的主要因素。Hamada等[24]研究显示，PHACTR1突变在脑发育过程中引起皮层神经元的形态和功能缺陷，因此推测PHACTR1是大脑发育过程中皮质神经元迁移和突触网络形成的关键支架。有研究表明，PHACTR1与Slack相互作用导致儿童癫痫并伴有严重发育迟缓突变的Slack通道中完全消失[25]，说明该通道能对正常神经元发育具有重要作用。PHACTR1与KCNT1 Slack通道相互作用[26]，PHACTR1的解离可能调节Slack通道磷酸化，从而提供信号将神经元的兴奋性与下游信号通路联系起来。进一步研究表明，PHACTR1通过PP1调节KCNT1 Slack通道[27]，因此，靶向Slack-PHACTR1相互作用有助于开发与Slack通道功能障碍相关脑疾病的新疗法。

2.3 PHACTR1与肿瘤

2.3.1 PHACTR1与乳腺癌 乳腺癌是女性常见的恶性肿瘤，是癌症引起死亡的第二大原因，转化生长因子β(transforming growth factor β，TGF-β)是乳腺癌进展的一个主要因素。TGF-β与癌症发生、炎症性疾病和自身免疫性疾病有关。Fils-Aimén等[28]研究显示，TGF-β使乳腺癌细胞miR-584表达减少，同时诱导PHACTR1表达增加，进而导致肌动蛋白重排和乳腺癌细胞迁移。由此猜测，能否通过miR-584过表达和PHACTR1基因敲除，减少TGF-β诱导的细胞迁移，从而延缓乳腺癌进展，有待进一步验证。

2.3.2 PHACTR1与黑色素瘤 黑色素瘤是最具侵袭性和致命性的人类癌症之一，疾病早期进行手术切除可治愈，但化疗、生物疗法和免疫疗法对晚期黑色素瘤无效。黑色素瘤的发病机制是一个复杂过程，包括基因突变、酶和许多分子。基于目前对黑色素瘤发病机制的认识，相关通路包括丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)、苏氨酸蛋白激酶(BRAF)、肾素-血管紧张素系统(RAS)、酪氨酸激酶(c-KIT)、磷脂酰肌醇3-激酶/磷酸酯酶与张力蛋白同源物/丝苏氨酸激酶(PI3K/PTEN/Akt)、小眼畸形相关转录因子(MITF)、肝细胞生长因子受体(c-MET)和肝细胞生长因子(HGF)等[29]。通过逆转录聚合酶链反应(RT-qPCR)方法检测黑色素瘤与痣基因差异性表达发现，黑色素瘤中PHACTR1、人白细胞抗原A(HLA-A)、人白细胞抗原B(HLA-B)、黑色素瘤特异性抗原(PRAME)、信号转导与转录激活因子1(STAT1)、淋巴细胞胞浆蛋白2(LCP2)表达较高，而多效生长因子(PTN)、L1细胞黏附分子(L1CAM)同源基因、谷胱甘肽过氧化酶3(GPX3)、重组脂肪酸结合蛋白7(FABP7)、核糖体蛋白L12(RPL12)、肝癌缺失基因1(DLC1)、新生肽关联复合体α肽(NACA)和谷胱甘肽硫转移酶mu亚基(GSTM2)表达均较低[30]。上述研究可识别关键基因，深入了解黑素细胞生物学和黑素瘤的发病机制，对设计和开发靶向治疗和免疫治疗具有重要的临床意义，以使该疾病病人的治疗取得实质性突破。

2.4 PHACTR1与其他相关疾病

2.4.1 PHACTR1与颈动脉夹层 颈动脉夹层是青年缺血性脑卒中的主要原因，一般人群中相对少见，年发病率为2.6/10万，轻微的颈椎外伤、感染、偏头痛、高血压是危险因素。Debette等[31]通过GWAS研究首次发现PHACTR1 rs9349379位点上的G等位基因与较低的颈动脉夹层发病风险相关。颈动脉夹层形成机制尚不明确，血管壁薄弱可能是导致夹层形成的原因，ET-1对血管平滑肌细胞的促生长作用可降低夹层形成的风险[20]。与正常颈动脉组织相比，动脉粥样硬化组织PHACTR1表达较低，但动脉粥样硬化组织和正常颈动脉组织ET-1表达无差异[32]。因此，了解这个位点是影响关键血管功能的机制，对治疗这些严重的致残性疾病可能有较大的应用价值。

2.4.2 PHACTR1与纤维肌性发育不良 纤维肌性发育不全是一种非动脉粥样硬化性、非炎性血管疾病，导致狭窄、动脉瘤、夹层和中等大小动脉闭塞，尤其是肾和脑血管外动脉，纤维肌性发育不全主要表现为高血压、短暂性脑缺血发作和脑卒中。纤维肌性发育不全的发病机制尚不明确，目前证据支持基因起源的观点。Kiando等[6]确定了纤维肌性发育不全的第1个遗传易感性位点，发现PHACTR1 rs9349379位点使纤维肌性发育不全患病风险增加约40%。纤维肌性发育不全由多个部位(包括冠状动脉和肾动脉)的血管平滑肌细胞生长异常引起，通过增强ET-1促进平滑肌运动，从而解释了PHACTR1 rs9349379 G等位基因降低纤维肌性发育不全的发生风险[20]。免疫组化染色发现，PHACTR1在正常颈动脉和纤维肌性发育不全颈动脉中内皮细胞和平滑肌细胞均有表达，正常颈总动脉染色以细胞质为主，排列规则，纤维肌性发育不全颈总动脉中膜细胞结构紊乱，表明PHACTR1可能具有多种功能，取决于动脉粥样硬化的细胞类型和程度[6]。这些研究为支持PHACTR1作为纤维肌性发育不全的第一易感位点提供了遗传学和功能证据。对这一位点进一步功能分析并通过全基因组关联的全面遗传学研究为纤维肌性发育不全的治疗提供了依据，有助于了解非动脉粥样硬化性动脉狭窄的发病机制。

3 小 结

近年来，PHACTR1与各类疾病的关系已成为研究热点，许多疾病均存在PHACTR1表达。随着PHACTR1在各类疾病中的深入分析，其在心血管疾病中的相关作用已得到初步研究证实，但具体的分子机制及其与其他相关疾病的发生发展的关系需大量的基础研究进一步探讨。PHACTR1不同位点、不同等位基因在不同疾病中的作用不同，需进一步探讨PHACTR1的多重性机制，可能为某些致残疾病的生物学基础提供重要信息，以期为临床疾病的诊断和治疗提供依据。