p70S6K結(jié)構(gòu)與功能研究進(jìn)展

李 　 欣

(成都大學(xué) 體育學(xué)院，成都 四川 610600)

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p70S6K結(jié)構(gòu)與功能研究進(jìn)展

李 欣

(成都大學(xué) 體育學(xué)院，成都 四川 610600)

摘要：p70核糖體蛋白S6激酶 (p70S6K)是mTOR的主要下游作用靶物，在翻譯起始、蛋白合成、細(xì)胞周期、細(xì)胞遷移等方面具有重要作用。本文綜述了p70S6K的結(jié)構(gòu)和功能，這對于了解p70S6K以及其調(diào)控的相關(guān)信號通路分子具有重要意義。

關(guān)鍵詞：p70S6K；結(jié)構(gòu)；功能

P70核糖體蛋白S6激酶 (p70S6K)是哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR) 的主要下游作用靶物。研究表明，mTOR信號通路激活蛋白質(zhì)翻譯，調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成，是細(xì)胞生長的中心調(diào)控者，在決定細(xì)胞、組織及器官大小中發(fā)揮重要作用。p70S6K則在該信號通路中的翻譯起始、蛋白合成、細(xì)胞周期、細(xì)胞遷移等方面具有重要作用。以下對p70S6K的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行詳細(xì)介紹，對其在細(xì)胞遷移和神經(jīng)細(xì)胞生長導(dǎo)向等方面的相關(guān)研究進(jìn)行了展望，以期在肌肉合成和神經(jīng)細(xì)胞重建等方面獲得突破。

1p70S6K結(jié)構(gòu)簡介

果蠅細(xì)胞只表達(dá)一種S6K蛋白，而哺乳動物細(xì)胞則表達(dá)S6K1和S6K2， 目前已經(jīng)確定了S6K1的兩種同源異構(gòu)體：分子量為70 道爾頓的細(xì)胞質(zhì)型(p70S6K)和85 道爾頓的細(xì)胞核型(p85S6K)。通過研究S6K1的cDNA模板發(fā)現(xiàn)，該激酶具有一個催化功能域，可被兩種5′端不同的轉(zhuǎn)錄因子編碼，形成兩種氨基末端不同的多肽(分子量分別為56.2和59.2道爾頓)，較長的多肽形成的蛋白延伸出一個有23個氨基酸的核定位序列，其分子量為85道爾頓。S6K2存在兩種同源異構(gòu)體：P54S6K和p56S6K，但大多在細(xì)胞核中存在。如圖1所示，圖1(a)是p70S6K家族結(jié)構(gòu)示意圖，包括p70S6K和p85S6K，p70S6K最左側(cè)含有一個高度保守的氨基端，其后是一個典型的絲氨酸/蘇氨酸激酶催化域，和一個具有調(diào)節(jié)功能的羧基端尾，其尾部具有一個自抑制功能域，是磷酸化S6的地方。 該功能域包括4個絲氨酸殘基，當(dāng)殘基被磷酸化時，該激酶被激活。p70S6K的磷酸化位點絲氨酸殘基418同S6蛋白的磷酸化位點絲氨酸殘基236對齊，成為底物識別的關(guān)鍵[1]。圖1(b)展示了p70S6K和p85S6K的區(qū)別，主要在于磷酸化位點的不同，p70S6K和p85S6K都均有set1結(jié)構(gòu)，而p70S6K的set2結(jié)構(gòu)(尤其是絲氨酸殘基411，絲氨酸殘基418，蘇氨酸殘基421和絲氨酸殘基424的存在)導(dǎo)致了p70S6K的雷帕霉素更加敏感。

2p70S6K的磷酸化激活

蛋白質(zhì)磷酸化是調(diào)節(jié)和控制蛋白質(zhì)活性和功能的最基本、最普遍和最重要的機(jī)制。p70S6K本身并不具有生物活性，須經(jīng)過磷酸化激活后，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成一個結(jié)構(gòu)基因，以促進(jìn)其和其他蛋白質(zhì)相互作用而形成多蛋白復(fù)合體。目前研究認(rèn)為，p70S6K可以通過以下途徑被激活調(diào)節(jié)：(1)PI3K途徑，(2)mTOR途徑，(3)蛋白激酶C家族及小GTP酶中的Rho家族相關(guān)途徑。

圖1p70S6K結(jié)構(gòu)示意圖[1]

圖2為p70S6K的激活示意圖。G蛋白偶聯(lián)受體或酪氨酸激酶受體激活PI3K后，PI3K進(jìn)而磷酸化激活p70S6K，p70S6K中起主要作用的是激酶S6，它可以上調(diào)蛋白合成速率。目前認(rèn)為可以激活p70S6K的包括PIP3，PKC，PDK1，mTOR，F(xiàn)RAP等。

圖2p70S6K激活示意圖[3]

p70S6K的激活是一個復(fù)雜而多步驟的過程。對mTOR有特異性抑制作用的納巴霉素對p70S6K的活性也具有強(qiáng)烈的抑制作用，說明mTOR在p70S6K激活過程中具有重要意義。最初的實驗認(rèn)為P13K須經(jīng)過mTOR激活p70S6K，但在Brunn等人的研究中發(fā)現(xiàn)，PI3K的經(jīng)典抑制劑LY294002及安太霉素同樣對mTOR的自我磷酸化有抑制作用，且這種抑制作用可以不通過PI3K途徑[2]。直到1998年，Pullen等發(fā)現(xiàn)p70S6K可以被PDK1( PI3K的下游底物和mTOR的上游引物)直接磷酸化，表明PI3K可以跳過mTOR而直接作用于p70S6K。因此，我們推測p70S6K的激活可能同時依賴PI3K及mTOR的活性，且二者對p70S6K的激活是獨立的[3]。p70S6K還可以被PKCζ激活，但其具體機(jī)制尚未明了。

p70S6K C端的非催化區(qū)存在一組蘇氨酸和絲氨酸殘基，它們和絲氨酸殘基371的磷酸化使p70S6K的色氨酸殘基389被PDKI直接磷酸化，進(jìn)而引起活化環(huán)中色氨酸殘基229的磷酸化，此時C端的自我抑制狀態(tài)被解除，兩者促使p70S6K達(dá)到最強(qiáng)活性狀態(tài)[4]。色氨酸殘基229和色氨酸殘基389這兩個位點的磷酸化對p70S6K的激活意義，C端非催化區(qū)中氨基酸殘基的磷酸化并不能充分激活p70S6K，只要色氨酸殘基389未被磷酸化，p70S6K很難發(fā)揮它的生理作用。PDK1，Akt和PKC對色氨酸殘基389均有磷酸化作用，但PDK1對色氨酸殘基389的磷酸化并不需要p70S6K的活性，而Akt和PKC則需要p70S6K本身的活性，這一現(xiàn)象說明p70S6K的激活過程中存在自我磷酸化現(xiàn)象，即色氨酸殘基229已被磷酸化后，色氨酸殘基389才能被一些激酶充分磷酸化，使p70S6K活性進(jìn)一步增強(qiáng)。其中，PI3K和mTOR對色氨酸殘基389的磷酸化起著關(guān)鍵性的作用，尤其是mTOR體系，目前認(rèn)為色氨酸殘基389的活性可以間接代表mTOR的活性[5]。

3p70S6K功能

3.1p70S6K與蛋白合成

除最早發(fā)現(xiàn)的核糖體蛋白S6這一種p70S6K的底物外，到目前已確定了9種不同的底物，其底物確認(rèn)原則：(1)該底物具有磷酸化的絲氨酸殘基及識別p70S6K的基團(tuán)，(2)可在體外被p70S6K磷酸化，(3)體內(nèi)該底物的磷酸化與p70S6K活性相關(guān)。真核生物核糖體包括兩個亞基：40S和60S。40S包括一個18S 的rRNA和33種蛋白質(zhì)，60S具有5，5.8和28SrRNA，以及46種蛋白質(zhì)。核糖體蛋白S6的磷酸化位點為C端的絲氨酸殘基235 ，236， 240 ，244和247。磷酸化過程按順序進(jìn)行，絲氨酸殘基236是最主要的磷酸化位點，只有該殘基具有識別p70S6K的功能[6]。p70S6K通過磷酸化核糖體S6蛋白，達(dá)到控制翻譯起始的作用。研究發(fā)現(xiàn)，在動物細(xì)胞中，編碼核糖體蛋白、翻譯延伸因子和翻譯起始因子等翻譯元件的一類mRNA的翻譯表達(dá)受p70S6K控制，這類mRNA的5′ 末端普遍具有聚嘧啶序列 (5′terminal oligopyrimidine tract)，故被稱為TOP mRNA。TOP mRNA的主要特征是，(1)5′末端以胞嘧啶為起始，緊接5-15個連續(xù)聚嘧啶序列；(2)翻譯受細(xì)胞生長狀態(tài)的影響；(3)表達(dá)受mTOR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)路徑調(diào)控；(4)翻譯調(diào)控受5′ 末端的完整性和TOP序列位置的影響[7]。TOP mRNA編碼核糖體蛋白、翻譯延長因子和起始因子等翻譯元件，在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化效率中扮演重要角色，磷酸化后的S6蛋白定位在兩種核糖體亞基表面，與tRNA, 翻譯起始因子和mRNA相互作用，參與mRNA結(jié)合的過程，導(dǎo)致5′TOP mRNA的特異性翻譯開始[8]。真核生物翻譯延伸因子2激酶( Eukaryotic elongation factor 2 kinase ,eEF2K ) 是翻譯延伸的負(fù)相調(diào)節(jié)者，通過磷酸化作用抑制真核生物翻譯延伸因子2的作用，該激酶在絲氨酸殘基366被p70S6K磷酸化后即會失活，從而增強(qiáng)蛋白質(zhì)的合成[9]。

3.2p70S6K與細(xì)胞周期

p70S6K敲除的果蠅細(xì)胞，其細(xì)胞周期可明顯延長到正常的二倍。經(jīng)過納巴霉素處理的小鼠肺成纖維細(xì)胞重新進(jìn)人細(xì)胞周期時，p70S6K的活性明顯增加，從而促使細(xì)胞的生物合成，促進(jìn)細(xì)胞的生長。細(xì)胞的有絲分裂是一個需要大量能量的過程，細(xì)胞的蛋白翻譯在這時相對靜止，作為具有促進(jìn)細(xì)胞生物合成作用的重要調(diào)節(jié)激酶，p70S6K的活性理應(yīng)受到抑制，因為大量的能量將被用于染色體的濃縮、核膜的瓦解及紡錘體的形成等，而不是生物合成。但研究發(fā)現(xiàn)，p70S6K的C端自我抑制狀態(tài)在這時已被解除[10]。p70S6K的絲氨酸殘基411、絲氨酸殘基418、色氨酸殘基421、絲氨酸殘基424、絲氨酸殘基428和色氨酸殘基447等磷酸化位點被磷酸化，對解除C端的自我抑制狀態(tài)意義重大[11]。但這與細(xì)胞的生物合成規(guī)律似乎存在矛盾。隨著催化亞基CDc2的被發(fā)現(xiàn)，上訴矛盾得以解釋。實驗發(fā)現(xiàn)，被阻斷在G0期的鼠科FT210細(xì)胞中，如果CDc2失活，p70S6K磷酸化位點的磷酸化程度大大下降，同時色氨酸殘基389的磷酸化會被增強(qiáng)，這說明CDc2在細(xì)胞有絲分裂過程中可磷酸化p70S6K的一些磷酸化位點，但對于p70S6K活性具有重要意義的色氨酸殘基389這一位點，CDc2卻有間接的抑制作用，進(jìn)而抑制了p70S6K的活性，從而維持了細(xì)胞有絲分裂與蛋白翻譯之間的平衡[10]。

3.3p70S6K與細(xì)胞遷移

細(xì)胞遷移指的是細(xì)胞在接收到遷移信號或感受到某些物質(zhì)的濃度梯度后，細(xì)胞骨架中的肌動蛋白通過聚合和解聚合作用，導(dǎo)致細(xì)胞底層在細(xì)胞邊緣處向外運(yùn)動而產(chǎn)生的移動。過程中細(xì)胞不斷重復(fù)著向前方伸出突足，然后牽拉胞體的循環(huán)過程。細(xì)胞遷移與細(xì)胞覓食、損傷的痊愈、胚胎發(fā)生、免疫、感染和癌癥轉(zhuǎn)移等等生理現(xiàn)象密切相關(guān)，是目前細(xì)胞生物學(xué)研究的一個主要方向。Ras相關(guān)的C3肉毒素底物1(Rac1)和細(xì)胞分裂周期蛋白42 ( cell division cycle42, Cdc42) 是與細(xì)胞遷移相關(guān)的小G蛋白，Rac1的過表達(dá)可激活p70S6K，證實了p70S6K與細(xì)胞骨架的調(diào)節(jié)相關(guān)[12]，但其具體機(jī)制仍存在爭議。有研究認(rèn)為p70S6K是與Rac1和Cdc42一起參與細(xì)胞遷移，而一些實驗又發(fā)現(xiàn)p70S6K可以直接調(diào)控細(xì)胞骨架進(jìn)而間接調(diào)節(jié)細(xì)胞遷移的證據(jù)。第一， p70S6K可共定位于肌動蛋白張力纖維上，從而參與肌動蛋白的聚合作用；第二，凝血酶刺激肌動蛋白張力纖維伸長，從而引起細(xì)胞形變的效果可以通過抑制mTOR /p70S6K通路實現(xiàn)；第三，在與細(xì)胞遷移密切相關(guān)的肌動蛋白弧上存在p70S6K定位點[13]。

3.4p70S6K與癌癥

越來越多的證據(jù)表明，在腫瘤發(fā)生中存在mTOR表達(dá)失調(diào)。p70S6K是mTOR的直接作用底物，被mTOR磷酸化后激活，從而使核糖體40S小亞基易于結(jié)合翻譯復(fù)合物，促進(jìn)蛋白質(zhì)合成。目前的研究發(fā)現(xiàn)，p70S6K與腎癌、膀胱癌、食道鱗癌等腫瘤的發(fā)生具有高度相關(guān)性。劉國斌檢測了腎癌及正常腎組織中mTOR和p70S6K蛋白的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)腫瘤組織中mTOR與P70S6K二者之間具有高度相關(guān)性，p70S6K在腎癌中呈陽性表達(dá)，與臨床分期、分化程度、淋巴轉(zhuǎn)移相關(guān)，與性別、年齡無相關(guān)性，證明mTOR/P70S6K信號通路可能在腎細(xì)胞癌的發(fā)生、發(fā)展中起重要作用[14]。侯桂琴的研究表明，激活的mTOR/p70S6K信號通路在食管鱗癌細(xì)胞生長、增殖和抗凋亡中起著重要作用，該信號通路可能是食管鱗癌基因治療中一個重要的分子靶點[15]。莊桂山的研究發(fā)現(xiàn)，p70s6k和4EBPl在膀胱癌中呈高表達(dá)，且隨腫瘤的分級分期增加而表達(dá)增高，提示其與膀胱癌的發(fā)生、發(fā)展及惡性程度預(yù)后密切相關(guān)，對于膀胱癌的診斷治療及預(yù)后有重要提示意義[16]。

3.5p70S6K與神經(jīng)再生

最新的研究發(fā)現(xiàn)，p70S6K與軸突生長和導(dǎo)向有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，在HeLa細(xì)胞中，當(dāng)mTOR和p70S6K共表達(dá)時，可以募集甘氨酸受體，影響脊髓神經(jīng)元的突觸后端中甘氨酸的表達(dá)，進(jìn)而影響軸突生長[17]。而有關(guān)介導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞骨架重排的研究中也發(fā)現(xiàn)，mTOR/p70S6K可經(jīng)Rho蛋白募集細(xì)胞受體蛋白，提高細(xì)胞肌動蛋白和細(xì)胞骨架的協(xié)同作用，從而調(diào)控神經(jīng)細(xì)胞導(dǎo)向[18]。

4研究展望

前期對于p70s6k的研究主要集中在影響蛋白合成和調(diào)節(jié)細(xì)胞周期上，但近來越來越多的研究將焦點集中在了其在腫瘤發(fā)生和神經(jīng)軸突生長上，目前針對p70S6K信號通路分子(包括PI3K和mTOR的)的抑制劑已經(jīng)運(yùn)用在臨床試驗中。而神經(jīng)軸突生長的臨床試驗也已證明通過mTOR/p70S6K/Rho信號通路，可以有效改善軸突生長情況。因此，針對p70S6K開發(fā)的一系列藥物將是治療腫瘤和軸突生長的一條有效方法，并具有廣泛的研究前景。

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Advance Research on Structure and Function of p70S6K

LI Xin

(Institute of Sports, Chengdu University, Chengdu 610600, China)

Abstract:The p70S6K plays a key role in the regulation of cell growth by controlling the biosynthesis of translational components which makes up the protein synthetic apparatus, most notably ribosomal proteins. We reviewed recent biochemical, genetic and structural studies on the p70S6K. It is a great significance for the understanding of p70S6K and its regulation of the related signal pathway.

Key words:p70S6K, structure, function

文章編號：1007-4260(2015)03-0085-05

中圖分類號：Q7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2015.03.023

作者簡介：李欣，男，四川德陽人，博士，成都大學(xué)體育學(xué)院副教授，研究方向為運(yùn)動與健康。

基金項目：四川省教育廳2013年度科研項目(13ZB0340)和成都大學(xué)?；痦椖?2012ZJZ01)。

收稿日期：2014-09-15

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2015-8-25 15:40網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20150825.1540.023.html