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早幼粒细胞白血病蛋白参与调节细胞凋亡、衰老等生物学过程研究

2020-08-10 298 上传者：管理员

摘要：早幼粒细胞白血病蛋白(promyelocytic leukemia protein,PML)参与调节细胞凋亡、衰老、DNA修复等多种生物学过程。同时，PML蛋白作为一种肿瘤抑制因子，在多种肿瘤中的表达均有明显下调的趋势，表明其与肿瘤的形成密切相关。虽然已有较多文献对PML蛋白参与恶性肿瘤发生发展的分子机制进行了深入研究，但是并未被系统地归纳总结。本文深入剖析当前研究现状，从PML蛋白调控细胞凋亡、抑制细胞生长、抑制癌细胞转化和迁移、促进细胞衰老，以及抑制血管生成等方面，全面总结了PML蛋白在肿瘤发生发展过程中的调节机制，以期为PML蛋白的全面认知及为相关恶性肿瘤的预防和治疗提供新思路。

关键词：
早幼粒细胞白血病蛋白
研究进展
细胞凋亡
细胞衰老
肿瘤细胞
调节血管生成
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肿瘤是指机体细胞在体内外各种致瘤因素的作用下，造成细胞内抑癌或原癌基因突变导致细胞功能调控异常，进而引起细胞过度增殖而形成的赘生物[1]。科学界一般将肿瘤分为良性和恶性两大类。恶性肿瘤亦称癌，其肿瘤细胞分化程度较良性肿瘤低，生长相对迅速，与周围组织无明显界限，常呈浸润性生长而侵入邻近组织器官，对机体危害极大[2]。最新的报告显示，全球恶性肿瘤的发病率和死亡率呈逐年上升趋势，恶性肿瘤已成为威胁人类生命和健康的重要因素[3]。

抑癌蛋白是一类存在于正常细胞中的重要蛋白，具有促进细胞分化和衰老进程等诸多作用。早幼粒细胞白血病蛋白(promyelocytic leukemia protein,PML)是一种重要的抑癌蛋白，最早被发现于急性早幼粒细胞白血病(acute promyelocytic leukemia,APL)患者[4]。PML蛋白在正常细胞中通常聚集于细胞核内，形成点状的PML核小体(PML nuclear bodies,PML-NBs)，参与调节细胞的凋亡、衰老、DNA修复等多种生物学过程[3,4]。

研究显示，PML蛋白在多种恶性肿瘤(如胃癌、前列腺癌、结肠腺癌、乳腺癌等)中均出现了表达下调或者基因缺失的现象[5]，提示PML蛋白在恶性肿瘤的发生发展中扮演着重要的角色。进一步研究发现，PML蛋白可通过抑制细胞增殖、细胞迁移以及肿瘤细胞的血管生成，从而起到抗肿瘤的作用[5,6]。因此，深入探究PML蛋白的结构与功能及其与肿瘤形成和治疗之间的关系成为科学界关注的热点。本文详细介绍了PML蛋白的结构和功能，阐述了PML蛋白在细胞凋亡、细胞衰老、血管生成等一系列细胞生理活动中的作用，并重点探讨PML蛋白在肿瘤发生发展及治疗过程中扮演的角色，拟为相关恶性肿瘤的预防和治疗提供新思路。

1、PML蛋白的结构和功能

1.1 PML蛋白及PML-NBs

PML蛋白属于三重基序蛋白(tripartite motif,TRIM)家族的一员，故其又被称为TRIM19蛋白。PML蛋白具有TRIM家族蛋白特有的RBCC结构域，该区域由1个锌指(ring finger)结构域、2个B-box结构域和1个卷曲螺旋(coiled-coil domain,CC)结构域组成，见图1，对维持PML蛋白的正常结构和功能起到关键性作用[6]。

图1 PML-I蛋白结构域示意图

目前已证实PML基因共有9个外显子，其可通过选择性剪切表达7种具有不同功能的PML蛋白亚型，见图2。由于选择性剪切大多发生于第4～9个外显子中，因此所有PML亚型蛋白在N-端区域都保留了相同的RBCC/TRIM结构域，而C端序列则各不相同，这一差异也造成了PML各亚型具有其独特的生物学功能及细胞内分布[7]。

PML-NBs是一种存在于细胞核内的动态多蛋白复合体[8]，它是以PML蛋白为骨架，同时招募斑点蛋白Sp100、死亡结构域结合蛋白(death domain-associated protein,DAXX)以及小泛素相关修饰物1～3(SUMO-1～3)等多种蛋白组成的球状亚细胞结构[9]。迄今已发现200多种不同的蛋白可被招募至PML-NBs[10]。PML-NBs的数量和分布均受细胞类型、细胞周期以及细胞状态的影响[11]，通常每个细胞中约含有10～20个PML-NBs[11,12]。

图2 PML基因及其亚型结构示意图

然而，在APL患者体内，由于15号染色体上的PML基因与17号染色体上的RARα基因发生易位融合，从而特征性表达PML-RARα融合蛋白，进而破坏PML-NBs的正常结构，使得PML蛋白呈弥散状分布于细胞核内，并丧失其基本的生物学功能，最终导致疾病的发生[13]。三氧化二砷(As2O3)作为临床上治疗APL的一线药物(治疗缓解率达98%)，可诱导细胞内弥散分布的PML蛋白及PML-RARα融合蛋白重新聚集为点状的PML-NBs，并经由SUMO化、泛素化等修饰，最终诱导融合癌蛋白PML-RARα经蛋白酶体途径降解，以达到治疗APL的目的[14]。这一过程也提示，具有正常生物学功能的PML蛋白及PML-NBs可能对肿瘤的发生发展起到抑制的作用[15]。

1.2PML蛋白的功能

PML蛋白通过PML-NBs发挥相应的生物学功能，它具有参与造血祖细胞分化、修复DNA损伤、调节蛋白质合成、调节基因转录、调节基因组稳定性等多种生物学功能[16]。

翻译后修饰是PML蛋白实现调节功能的一种重要方式，它会激活PML蛋白的生物活性[17]，促进PML-NBs的形成，例如SUMO化会帮助招募其他相关功能蛋白[16,17]，促进PML-NBs行使其生物学功能；泛素化会加快PML蛋白降解；磷酸化会调节PML蛋白SUMO化和泛素化作用。

2、PML蛋白在肿瘤发生发展中的调节作用

2.1PML蛋白诱导细胞凋亡

细胞凋亡是由基因控制的细胞自主的有序死亡过程，当与细胞凋亡信号感受、整合和执行相关的分子异常时，可导致肿瘤的发生[18]。现有研究表明，PML蛋白可促进肿瘤细胞的凋亡，例如Guo等[19]发现，在γ射线下，PML敲除的小鼠胸腺细胞表现出较为明显的抗凋亡特性，提示PML蛋白参与了γ射线诱导的细胞凋亡，并起到关键性作用。

PML蛋白通过多种信号途径诱导细胞凋亡[19,20]。一方面，PML蛋白通过DAXX-Fax途径促进细胞凋亡。DAXX蛋白是一种凋亡相关蛋白，它在核内可与PML-NBs发生共定位[20]。当DAXX定位于细胞核内并被招募至PML-NBs时，会使细胞对Fax蛋白所诱导的细胞凋亡更加敏感[21]。另一方面，PML蛋白也参与了p53途径所介导的细胞凋亡。PML蛋白可激活并招募凋亡活化基因p53蛋白至PML-NBs，通过结合并抑制p53负调节因子MDM2，促使p53在细胞内快速积聚，从而防止细胞异常生长和恶性转化，最终促进肿瘤细胞的凋亡[22]。

除此之外，PML蛋白还可通过其他途径促进细胞的凋亡进程。JNK信号通路是丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)的重要通路之一，可参与细胞应激(如UV照射)所诱导的细胞凋亡[23]。研究发现，UV照射不能引起PML敲除的小鼠纤维原细胞经由JNK途径凋亡，证明PML蛋白同样参与JNK信号通路所诱导的细胞凋亡[24]。由此可见，PML蛋白通过多种途径促进肿瘤细胞的凋亡过程，从而发挥其抑癌作用。

2.2PML蛋白调节细胞衰老

PML蛋白不仅参与调控细胞凋亡，还对细胞衰老有一定的调节作用。细胞衰老是指初级哺乳动物细胞经过一定数量的传代后，所经历的一种永久性的生长停滞[25]。目前科学界普遍认为，细胞分裂后端粒的逐渐侵蚀、变短是细胞衰老的主要诱因[25,26]。端粒长度由端粒酶维持，端粒酶在胚胎发育过程中被广泛表达，但随着机体进一步生长发育，这种酶则主要在干细胞等少数成体细胞中表达。端粒延长替代机制(alterative lengthening of telomere,ALT)是一种不依赖端粒酶而保证细胞持续分裂的方式。ALT仅在一些异常情况下的细胞中发生，如肿瘤细胞、永生化细胞等。现有研究表明，在ALT细胞系中存在特殊的PML-NBs，称为ALT相关的PML小体(APBs)[26]，它是端粒重组的重要场所。Jeyapalan等[27]将ALT细胞系与端粒酶阳性细胞系融合后发现，所形成的杂交细胞中APBs数量明显减少，且ALT被抑制，提示APBs在ALT途径维持的永生化细胞中扮演着重要的角色。不仅如此，当APBs结构被破坏时，ALT细胞中端粒逐渐缩短，也证明APBs与ALT之间存在着直接关联[28]。Wu等[28,29]报道，PML家族蛋白中的PML-III型蛋白对APBs的形成十分重要。并且PML-III型蛋白可通过其C端的第480～633个氨基酸区域，将端粒结合蛋白TRF1招募至APBs，该蛋白可调节端粒长度，维持端粒稳定性。此外，PML-p53信号通路也可参与调控细胞衰老；PML基因启动子含有p53应答元件，当PML转录水平上调时，p53通路被激活，PML以PML-p53信号通路诱导细胞衰老[29]。

2.3PML蛋白调节血管生成

肿瘤血管的形成是肿瘤发生、生长、浸润与转移的重要条件，其受生长因子、抑制因子以及PI3K/AKt/mTOR信号通路调控[30]。磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)可激活下游靶蛋白AKt，当Akt活化后，进一步激活下游的哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,m TOR),m TOR蛋白可以促进血管生长因子VEGF的分泌，从而促进肿瘤血管的新生[31]，见图3。PML蛋白可参与调控PI3K/AKt/mTOR信号通路从而抑制肿瘤血管新生。RHEB作为m TOR激活蛋白可激活m TOR，是m TOR的正调节因子。PML蛋白可抑制RHEB，从而抑制m TOR的激活，最终抑制肿瘤血管的生成[32]。与此同时，PML蛋白还可将PI3K/AKt/mTOR信号通路的负调控因子蛋白磷酸酶2A(PP2A)招募至PML-NBs，从而进一步抑制肿瘤血管新生[33]。

图3 PML蛋白抑制肿瘤血管生成途径示意图

2.4PML蛋白调节细胞黏附、增殖和迁移

细胞黏附性、增殖及迁移速度对肿瘤转移起着关键作用，研究表明，PML蛋白可参与调控细胞的黏附增殖及迁移过程。研究者们检测了正常小鼠(PML+/+)和PML基因敲除小鼠(PML-/-)胚胎成纤维细胞(MEFs)内的蛋白表达差异，发现PML+/+和PML-/-MEFs细胞之间的许多差异表达蛋白在细胞黏附、迁移、形态和胞质分裂中起着关键作用[34]。进一步实验结果表明，PML-/-和PML+/+MEFs细胞不仅在形态上有所区别，并且与PML+/+MEFs相比，PML-/-MEFs的黏附性较差，增殖较快，迁移速度较慢[35]。与此同时，Reineke等[36]发现，当使用整合素ß1(Integrin-ß1)下调MDA-MB-231细胞中PML基因的表达后，MDA-MB-231细胞的迁移速率被明显抑制。以上结果表明，PML蛋白可增加细胞的黏附性，减少细胞的增殖及迁移，从而对肿瘤的转移起到抑制作用。

2.5PML蛋白可通过其抗病毒作用阻碍恶性肿瘤的发生

近年来，学者们发现病毒感染具有潜在的致癌性，与恶性肿瘤的发生发展有着密切关系。研究显示，在一些宫颈癌、淋巴癌、肝癌等肿瘤患者的血清中均发现相应病毒的抗体。研究者们发现1型单纯疱疹病毒(herpes simplex virus 1,HSV-1)、人类乳头瘤病毒(human papilloma virus,HPV)、EB病毒(epstein-barr virus,EBV)等病毒是造成外阴癌、宫颈癌、Burkitt’s淋巴癌发生的主要原因。

研究结果显示，HSV-1病毒的ICP0蛋白、HPV病毒的E6、E7蛋白和EBV病毒的BZLF-1等蛋白在病毒感染宿主细胞过程中都与PML-NBs发生共定位[37]，这一点提示在病毒感染宿主细胞时，PML蛋白也许参与了人体抗病毒反应。后续研究发现，PML-NBs中包括PML、Sp100在内的重要组成蛋白都具有使病毒基因沉默的作用，因此，PML-NBs在机体抗病毒预防恶性肿瘤发生过程中具有重要作用[37,38]。

干扰素(interferon,IFN)是通过抗病毒治疗恶性肿瘤的常用药物[38],PML蛋白也参与了IFN介导的细胞抗病毒反应。在PML和Sp100蛋白基因启动子上存在干扰素激活应答元件(IFN-stimulated response elements,ISRE)和干扰素γ激活位点(gamma-activated site,GAS)。IFN能够通过结合到应答元件诱导包括PML和Sp100在内的许多PML-NBs相关蛋白的表达，从而增加细胞中PML-NBs的数量、大小及完整性，见图4，进而调节淋巴细胞功能，增加巨噬细胞的吞噬作用，增强机体免疫功能。IFN的应用可有效提高毛细胞白血病、黑色素瘤、非霍奇金淋巴瘤等多种白血病和实体肿瘤的治疗效果[39]。

图4 PML蛋白参与IFN介导的细胞抗病毒反应示意图

2.6PML蛋白对肿瘤的正向调节作用

然而，与其肿瘤抑制功能相反，PML蛋白在极少数肿瘤中也可促进肿瘤的发生发展。例如，在三阴性乳腺癌和基底细胞样型乳腺癌中，PML基因的表达量较正常细胞明显增高[40]；另外，PML蛋白低表达的慢性髓细胞白血病患者具有更好的整体生存率[41]，表明PML蛋白的过高表达与其癌症的发生存在关联。总之，PML蛋白在肿瘤细胞中具有双重作用，研究者们推测这与肿瘤细胞的微环境有关，但详细机制尚未完全阐明。

3、结论与展望

尽管PML蛋白在肿瘤发生发展过程中的部分生物学功能已得到阐明，但其具体作用机制还需进一步研究。与此同时，对于PML蛋白的深入研究也将有助于推动一系列相关疾病的治疗。在早期研究中，研究者主要关注的是PML蛋白对细胞凋亡、细胞衰老以及肿瘤发生发展的作用。但近期研究显示，PML蛋白在炎症反应、乳腺发育、神经系统和脑认知等生理活动中也具有其特定功能。总而言之，这些发现不仅指明了进一步探索PML蛋白生物学功能的新方向，完善对PML蛋白的认知，也为将来以PML为生物靶点的临床治疗提供了理论基础。

苏力德,邵一鸣,郝睿,王茜茜,部娜,马丽亚,那仁满都拉.早幼粒细胞白血病蛋白调控恶性肿瘤发生发展的分子机制研究进展[J].中国现代应用药学,2020,37(07):886-890.

基金:国家自然科学基金项目(81673521,81872942,81603125,81600139)