β-catenin的研究進展

何 歡(綜述),彭維杰(審校)

(南昌大學a.撫州醫學分院藥理教研室,江西 撫州 344000;b.藥學系藥理教研室,南昌 330006)

β-鏈蛋白(β-catenin)最早作為一種黏附因子被發現,后來人們發現β-catenin還是一種多功能的蛋白質。β-catenin主要位于細胞膜,而在胞漿中游離量較少。β-catenin的功能主要為介導細胞間黏附和參與基因的表達。β-catenin作為一種多功能的蛋白質,廣泛存在于各種類型的細胞,如內皮細胞、成纖維細胞、成骨細胞中,在參與這些細胞的增殖、分化和凋亡等方面發揮了重要的調節作用。近年來,人們對β-catenin的認識不斷加深,本文將其在神經系統、骨組織、腫瘤等方面的研究現狀綜述如下。

1 β-catenin

1.1 β-catenin的來源及其結構

1980年,β-catenin作為一種黏附分子被德國細胞生物學家Walt Birchmeier首先發現。1991年,McCrea P.D.等[1]從非洲瓜蟾的上皮細胞系中,又發現β-catenin是果蠅Armadillo(arm)蛋白的同源物。catenin作為Armadillo蛋白家族成員,分為α、β、γ3個亞型。其中β-catenin是由 CTNNB1基因產生,大小為88k D的一種多功能蛋白質,其在人類定位于染色體的 3p22-p21.3上[2]。β-catenin由781個氨基酸組成,含有12個Armadillo(arm)重復區及獨特的N末端和C末端結構。β-catenin的12個Armadillo(arm)重復區形成的 36個α-螺旋在空間結構中圍成一個棒狀的超螺旋結構,這種超螺旋結構在與其它蛋白如鈣黏蛋白(cadherin)、APC、Axin、T CF/LEF等的結合過程中有重要作用。βcatenin的N端由130個氨基酸組成,富含有Ser/Thr殘基,控制著β-catenin的穩定性;C端由100個氨基酸組成,調節下游靶基因的轉錄[3]。

1.2 β-catenin的生物學功能

在細胞內,β-catenin具有兩個定位池:一個是位于細胞膜,另一個則在細胞漿[4]。β-catenin在靜息狀態下定位于細胞膜,少量游離的β-catenin可被胞漿內的蛋白酶系統所降解[5]。β-catenin在細胞中具有雙重作用:一是通過與細胞膜上鈣黏蛋白cadherin相互作用,參與細胞間黏附。有研究表明,由β-catenin與cadherin形成的蛋白復合物在細胞-細胞以及細胞-基質的相互關系中具有關鍵作用[6]。當β-catenin表達上調時,增強細胞間的黏附作用,使細胞不容易發生侵襲和轉移;相反,當β-catenin表達下調時,細胞間的黏附作用被破壞,細胞更容易發生侵襲和轉移。另一作用是作為經典Wnt信號通路中最重要的信息分子,調控細胞生長、分化和凋亡等[7]。Ody C.等[8]將持續表達的、缺少N端89個氨基酸的β-catenin導入小鼠乳腺,發現能夠誘導腺泡的發育和分化。

2 β-catenin基因表達的調控

2.1 經典Wnt信號通路的分子機制

Wnt是一類分泌型糖蛋白,通過自分泌或旁分泌發揮作用。Wnt作為調控細胞生長、分化和凋亡等各方面的分泌蛋白家族,亦是調節如胚胎發生,形態形成等必需的生物學過程的生長因子大家族。根據Wnt蛋白信號轉導方式的不同,Wnt信號通路分為三種:Wnt/β-catenin信號轉導通路、Wnt/Ca2+信號轉導通路及 Wnt/PCP信號轉導通路,其中以Wnt/β-catenin信號轉導通路最為經典,因此也稱為經典Wnt信號通路。Wnt在脊椎動物中目前已知的主要有19種,其中,參與Wnt經典信號通路的Wnt蛋白主要有(Wntl,3a,8)等;參與非經典Wnt信號通路的Wnt蛋白主要有(Wnt4,5a,11)等。

當沒有Wnt信號傳入時,在支架蛋白(Axin)的作用下,細胞質內的結腸癌抑制因子(APC)、糖原合酶激酶 3β(GSK-3β)、CK1(酪蛋白激酶)與β-catenin形成巨大的復合物后被磷酸化,再結合到β-T RCP蛋白上,受到泛素的共價修飾而被蛋白酶體降解。當Wnt配體與卷曲蛋白(Frizzled,Frz受體)和低密度脂蛋白受體相關蛋白(LDL-receptor-related protein,LRP受體)結合之后,再作用與胞質內的蓬亂蛋白(Dishevelled,Dsh或DV1),而DV1能在 Axin的協助下,抑制由APC/GSK-3β/CK1/βcatenin形成的巨大復合物的GSK-3β的活性,從而進一步抑制β-catenin被磷酸后的泛肽化降解,使得致β-catenin在細胞質中積累,并進入細胞核,與T細胞因子(T cell factor/lymphoid enhancer factor,TCF/LEF)相互作用,調節靶基因的表達[9-10]。

2.2 β-catenin穩定性的調節

β-catenin在細胞內的水平受兩組蛋白質的功能競爭來調節:一組為β-catenin降解復合體,由Axin、APC和GSK-3β組成。復合體在胞漿內可以使β-catenin被磷酸后的泛肽化降解,保持低水平,從而關閉Wnt途徑。在此過程中APC和GSK-3β直接參與β-catenin水平的調節,而Axin則是通過調節GSK-3β等間接參與其調節。另一組為拮抗降解復合體的蛋白類,包括CK1、Dishevelled(Dsh)等。Dsh能在Axin的協助下抑制GSK-3β的活性,從而阻止了后者對β-catenin的磷酸化,使β-catenin在細胞質中積累,開啟Wnt途徑。

3 β-catenin與各領域的相互作用

Wnt/β-catenin信號傳導通路控制了從果蠅到人類胚胎發育、細胞命運、組織器官形成以及腫瘤發生的諸多重大事件。

3.1 β-catenin與神經系統

神經嵴細胞起源于胚胎神經管背側,在其遷移過程中它會分化為多種細胞,包括周圍神經系統神經元、膠質細胞,以及形成交感、副交感神經系統和顱骨的細胞。Hari L.等[11]使用Cre/loxP系統特異性阻斷神經嵴干細胞中β-catenin的表達,多數神經嵴衍生物正常發育,但部分神經嵴衍生物發生突變,并表現有色素細胞與背根神經節的缺失,這提示Wnt/β-catenin信號參與了神經嵴的正常正常發育過程。Willert K.等[12]在體外培養的骨髓干細胞中導入利用純化獲得的Wnt-3a蛋白使其大量增殖,發現增殖細胞中β-catenin蛋白顯著表達,當 Wnt途徑被阻斷時,骨髓干細胞的增殖受阻。此外,Chenn A.等[13]還通過轉基因的方法,使胚胎發育時期小鼠的神經干細胞中穩定表達β-catenin,結果發現大腦皮層的面積較對照組明顯增大,腦的表面出現類似高級哺乳動物的腦回和腦溝,而且側腦室周圍區域有部分神經干細胞的聚集。這些都表明Wnt/β-catenin信號轉導通路在哺乳動物的神經發育過程中,參與調整大腦皮層的面積和神經干細胞的數量。

因此,β-catenin作為經典Wnt信號途徑中的重要信息分子,在高等動物胚胎發育過程中,其表達失調可導致包括無腦、腦膨出、腦膜膨出和脊柱裂等嚴重腦部發育缺陷。

3.2 β-catenin與 caveolin-1

Caveolae(小凹)為一種細胞膜表面特異性的凹陷結構,主要功能蛋白caveolin-1(小凹蛋白)通過其骨架結構域(CSD)可與Caveolae內許多與細胞增殖分化相關的信號分子結合,使其保持非活化狀態,從而抑制多種信號途徑的下游激活和轉導。Galb-i ati F.等[14]在MDCK細胞中使用激光共聚焦顯微鏡觀察到β-catenin和E-cadherin均濃縮在Caveolae中,與 caveolin-1形成穩定聚合物。且在NIH3T 3[15]細胞中證實被WNT-1或被β-catenin自身過表達所激活的Wnt/β-catenin信號通路均能被caveolin-1的表達所抑制。這提示Wnt通路的核心分子β-catenin在靜息狀態下結合于Caveolae,并能與caveolin-1形成緊密結合。并且可以通過caveolin-1 調整 β-catenin 的定位,進而調控 Wnt/β-catenin/lef-1信號的傳導,抑制靶基因cyclin D1、p21的轉錄,使細胞周期停滯在G0/G1期[16]。當caveolin-1表達上調時,caveolin-1可將β-catenin募集到Caveolae上,使其從由 APC、GSK-3β、CK1 和 βcatenin形成的巨大復合物中分離出來,抑制Wnt/β-catenin/LEF-1信號的傳導,增強細胞間的黏附作用;相反,當Caveolin-1表達下調時,增強了 Wnt/βcatenin/LEF-1的轉錄活性,細胞間的黏附作用被破壞。

3.3 β-catenin與骨組織

人體骨組織通過不斷進行骨重建來實現骨骼的不斷更新。骨重建包括成骨細胞促進鈣沉積的骨形成過程和破骨細胞促進鈣釋放的骨吸收過程。當這一平衡被打破,骨吸收大于骨形成過程時,將導致骨質疏松。因此,在整個骨組織的重建過程中成骨細胞發揮了重要的作用。

小劑量的Wnt可以誘導間充質干細胞的分化,而大劑量的Wnt則抑制間充質干細胞的分化。這表明Wnt有促進成骨形成起始的作用[17]。Bain G.等[18]利用骨形成蛋白BMP-2干預C3Hl0T 1/2細胞(一種多潛能干細胞系)使其分化為成骨細胞,發現除了可以增強骨細胞分化早期標志物堿性磷酸酶(ALP)的活性外,其他的與成骨細胞分化相關的標志物如OCN等卻基本不受Wnt的影響。另外,還發現BMP-2可以上調β-catenin的蛋白表達,這表明β-catenin可以直接影響成骨前體細胞及成骨細胞增殖分化過程。Mbalaviele G.等[19]認為,β-catenin作為一種分子誘導信號,它是通過增強間充質干細胞對于BMP-2的應答間接誘導其向成骨細胞分化。但也有研究表明Wnt抑制成骨細胞的分化,de Boer J.等[20]研究發現 Wnt3a顯著抑制了人MSCs向成骨細胞分化過程中堿性磷酸酶(ALP)的表達,其他與成骨細胞相關基因的表達也明顯的減少,并且完全阻斷了成骨細胞鈣化結節的形成。

有研究發現在骨形成-吸收偶聯中,成骨細胞在破骨細胞激活和破骨細胞性骨吸收的調控方面居重要地位,OPG、RANKLI、L-1β、T NF-α和 IFN-γ等因子影響破骨細胞性骨吸收作用的主要靶細胞就是成骨細胞,對破骨細胞的誘導效應也多需要通過成骨細胞介導或放大[21]。Glass D.A.等[22]研究發現,Wnt/β-Catenin 信號通路通過 β-catenin刺激成骨細胞內OPG基因啟動子的啟動,OPG為破骨細胞分化抑制因子,這說明Wnt/β-Catenin通路在促進成骨細胞分化的同時,也抑制了破骨細胞分化。成骨細胞還可以表達EBF家族中的早期B細胞因子-2(EBF-2),Kieslinger M.等[23]研究發現缺乏EBF-2的小鼠,其OPG表達明顯減少,破骨細胞刺激因子RANKL表達顯著增加,并且伴隨有成骨細胞骨量的急劇減少,EBF-2與OPG基因啟動子結合后,可以通過 Wnt/β-Catenin-TCF/LEF途徑激活OPG轉錄子,這說明Wnt/β-Catenin通路可以通過介導成骨細胞EBF-2釋放OPG而抑制RANK/RANKL信號,從而減少破骨細胞的生成。

3.4 β-catenin與腫瘤

Wnt/β-catenin作為Caveolae的一條重要信號途徑,當信號傳導過程發生異常或障礙,會導致細胞生長、分化、代謝及生物學異常,從而引起各種疾病甚至腫瘤。Sotgia F.等[24]研究發現在Caveolin-1敲除小鼠模型中,小鼠輸乳管上皮細胞數目增加且分布異常,小鼠乳房干細胞數目急劇增加,β-catenin表達急劇增加。T orres V.A.等[25]研究發現在正常的人結腸癌細胞系HT-29(ATCC)中,Caveolin-1和β-catenin進行免疫共沉淀后,Caveolin-1的表達使生存素的蛋白水平和mRNA顯著降低,這提示Caveolin-1可能通過參與 Wnt/β-catenin-TCF/LEF信號途徑負性調節生存素的表達。但是,在轉移的人結腸癌細胞系HT-29(US)內卻沒有這種負性調節作用。E-cadherin在HT-29(US)細胞內微量表達,在細胞表面不聚集。Caveolin-1是與E-cadherin共同作用,參與 Wnt/β-catenin-TCF/LEF通路的轉錄抑制生存素的表達。在HT-29(US)中由于E-cadherin的缺乏導致caveolin-1無法下調生存素的表達。因此,Caveolin-1與腫瘤轉移負相關因子E-cadherin的表達呈正相關,這個過程是通過Wnt/βcatenin-T CF/LEF通路實現的[26]。

Bilic J.等[27]研究發現,低密度脂蛋白受體相關蛋白LRP 6通過Caveolin介導的內吞途徑發生內吞作用,細胞膜上聚集的LRP 6受體為磷酸化后LRP 6受體,使得β-catenin被磷酸后降解在胞漿之中,致使β-catenin在細胞質中大量聚集,并進入細胞核,調節靶基因的表達,對經典Wnt信號途徑的傳導起到了關鍵作用。

4 展望

近年來,β-catenin作為Wnt信號途徑的核心分子越來越受到人們的關注。弄清β-catenin的生物學特性有利于許多疾病的防治研究。因此,對Wnt信號及其以β-catenin為中心的信號轉到網絡分子機制進一步的研究,可以為我們更好的解釋生命現象,并有助于提供對防治疾病的新的治療思路。

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