聚合酶Ⅰ和转录本释放因子:一个具有脂质代谢和免疫微环境重构功能的全新胶质瘤标记物

(glioblastoma,GBM)为世界卫生组织(WHO)4级胶质瘤,是发病率和死亡率最高的颅内原发恶性肿瘤,以肿瘤异质性高、恶性进展迅速、放化疗不敏感为突出特点。

外科手术切除辅以放化疗是目前主要的治疗手段,但患者预后仍不理想,中位生存期一般不超过1.5年。随着二代测序技术的发展和多种分子生物学研究手段的应用,许多肿瘤标志物相继被鉴定出来,不仅可以作为胶质瘤分子病理分级的关键指标,还可在胶质瘤发生发展、放化疗抵抗等多种肿瘤生物学行为中起到核心调节作用。

如异柠檬酸脱氢酶1(IDH1)蛋白,其R132H是胶质瘤最常见的原癌突变,但由于引起三羧酸循环受阻,能量生成不足,因此该阳性突变的原发胶质瘤符合低级别胶质瘤的特征;又如O6甲基鸟嘌呤DNA甲基转移酶(O6-methylguanine-DNAmethyltransferase,MGMT)基因的启动子甲基化状态,可提示胶质瘤患者对目前一线孤儿化疗药物替莫唑胺的敏感性。本文所探讨的聚合酶Ⅰ和转录本释放因子(polymerase-1andtranscriptreleasefactor,PTRF/Cavin-1)是Cavin蛋白家族的成员之一,广泛表达于各个组织细胞,在不同的物种中具有高度保守性。

PTRF/Cavin-1最初作为RNA聚合酶Ⅰ的调节子被鉴定,可通过影响转录终止作用促进rRNA的生物合成,后发现其可与细胞膜内表面定位的小凹蛋白家族(caveolin,CAV)结合,在细胞内吞和外分泌、细胞增殖代谢等多种生理病理过程中发挥重要作用。本文从结构特征和分子互作的角度,系统梳理PTRF/Cavin-1在胶质瘤研究中的一系列研究成果,明确其在GBM发生发展中的多面作用,有助于探索针对PTRF/Cavin-1的胶质瘤靶向干预策略。

蛋白质构象是其发挥生理功能的结构基础。人类PTRF/Cavin-1基因位于17号染色体q21.2,编码含有310个氨基酸的蛋白质。随着蛋白三维构象分析手段的进步,PTRF/Cavin-1蛋白结构逐渐清晰。目前研究表明,PTRF/Cavin-1含有3个亮氨酸拉链结构域、2个核定位信号和1个出核信号,为PTRF/Cavin-1与其他蛋白相互作用以及全细胞的分布特征奠定了结构基础。

本课题组通过计算机同源建模获得PTRF/Cavin-1蛋白的高级结构模型,二级结构多为α螺旋和环状结构,且包含长链螺旋结构,该结构可促使PTRF/Cavin-1形成三聚体,以及促进其与Cavin蛋白家族其他成员(Cavin-2和Cavin-3蛋白)的相互作用;残基分析发现PTRF/Cavin-1中含有大量亲水性残基,显示出高亲水性;对PTRF/Cavin-1三聚体蛋白进行结构分析发现,3个单体之间相互缠绕呈“拧麻花状”,其N端互作区域可形成一个带负电的远螯腔,深度为25.5Å,3个爪颚之间的间隙宽度分别为60.0Å、52.1Å和35.0Å。

这种结构使得小凹蛋白CAV1蛋白带正电的N端可以完全嵌入PTRF/Cavin-1三聚体远螯腔中,残基相互形成强大氢键(长度为1.7~2.7Å,键角范围为96.4°~159.0°),静电表面的完美匹配也稳定了结合构象;在PTRF/Cavin-1蛋白N端人为融合1个TAT短肽,即可改变其N端构象和带电性,同样影响三聚体N端远螯腔的形成和深度,阻碍其与CAV1蛋白的结合。综上所述,正确折叠的PTRF/Cavin-1蛋白对形成三聚体发挥正常蛋白功能十分关键。

1998年Jansa等首次克隆出PTRF/Cavin-1蛋白,并证实其参与rRNA的转录终止过程。RNA聚合酶Ⅰ的转录终止需要两步,首先是转录复合物停止延伸,然后是rRNA前体从转录复合物中解离释放。PTRF/Cavin-1可与RNA聚合酶Ⅰ和转录终止因子TTF-1结合,促进停止延伸的转录复合物发生解离。

有报道提示,PTRF/Cavin-1还与基因转录中RNA聚合酶Ⅰ的再起始有关,调节rRNA合成效率,且该过程中PTRF/Cavin-1可能存在多个位点的磷酸化修饰。细胞小凹是细胞膜上内陷的直径为60~80nm的凹点,与细胞内吞、脂质调节、信号转导等有关。小凹形成所需的核心组分包括小凹蛋白家族(主要是CAV1)和Cavin蛋白家族(PTRF/Cavin-1为必需组分)。CAV1蛋白经由内质网合成-高尔基体加工后定位在细胞膜内表面,细胞质中的PTRF/Cavin-1蛋白形成三聚体与之结合并定位于细胞膜上,从而形成细胞小凹。

Hill等通过蛋白质组学手段探明PTRF/Cavin-1仅可结合细胞膜上成熟的CAV1蛋白。PTRF/Cavin-1缺失可导致细胞小凹数量显著减少,且膜上CAV1呈现边缘移动并加速溶酶体降解。同年类似研究发现过表达PTRF/Cavin-1蛋白可引起细胞小凹增多。

PTRF/Cavin-1突变/缺失可引起一系列病理性改变,导致疾病发生。2009年Hayashi等报道PTRF/Cavin-1与先天性全身性脂肪营养不良的关系。其发现5例患者均具有PTRF/Cavin-1基因突变[c.696_697insC(p.K233fs),c.525delG(p.E176fs)],临床表现为肌肉过度增生、肌肉隆起、轻度代谢并发症和血清肌酸激酶水平升高,骨骼肌活检提示慢性营养不良。

Rajab等对8例患有先天性全身性脂肪营养不良患者进行研究,发现PTRF/Cavin-1存在纯合突变(c.160delG,c.362dupT),临床表现为长QT综合征、心动过缓、室上性心动过速和室性心动过速等病理特征,以及骨形成受损和骨质疏松。建立基因敲除小鼠便于深入探究该蛋白的多种潜在功能。

有研究对PTRF/Cavin-1敲除鼠进行分析,发现其展现出许多病理生理学变化和表现,包括骨骼肌等的细胞小凹水平显著下降,游离脂肪酸、血清甘油三酯和胰岛素水平升高,葡萄糖耐受不良,肺脏炎症细胞浸润增加等。

综上所述,PTRF/Cavin-1表达与CAV1在细胞膜上的正确定位对于细胞小凹的形成至关重要,提示PTRF/Cavin-1与全身脂质代谢有显著关系。

根据2021年中枢神经系统肿瘤分类标准,低级别胶质瘤主要包括星形细胞瘤、少突胶质细胞瘤等,伴有IDH突变、1p19q联合缺失等基因组特征;高级别胶质瘤即GBM,其IDH为野生型,多伴有TERT启动子突变、7号染色体扩增联合10号染色体缺失等。基于染色体和基因表达差异,GBM可分为经典型、间质细胞型、前神经元型等不同亚型,其中以间质细胞型的恶性程度最高,患者预后最差。多项研究表明,PTRF/Cavin-1的表达水平可提示患者胶质瘤级别。

Huang等通过比较CGGA、TCGA数据库中收录的胶质瘤患者测序数据和胶质瘤组织芯片染色,发现PTRF/Cavin-1的mRNA和蛋白水平随着胶质瘤WHO级别上升而升高,在GBM间质细胞型中表达最。

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