核纖層蛋白及相關疾病研究進展

馬玉清，楊柳

(廣西師范大學生命科學學院，廣西桂林 541004)

核纖層蛋白及相關疾病研究進展

馬玉清，楊柳

(廣西師范大學生命科學學院，廣西桂林 541004)

核纖層蛋白(lamin)是核纖層的主要成分，其在維持高等真核生物細胞核核膜結構與功能完整性等方面具有重要作用。lamin的功能對人類健康至關重要，lamin A的編碼基因LMNA發生突變會引起很多種人類疾病，這些疾病被統稱為核纖層蛋白病。

核纖層蛋白；LMNA基因；核纖層蛋白病

真核生物的細胞核通常包含核孔復合體、核基質和核纖層三個主要成分。核纖層是由核纖層蛋白(lamin)組成的網狀結構，位于內核膜的核基質表面。lamin為中間纖維蛋白家族的組成成員之一，是惟一一類存在于細胞核的中間纖維，其為核膜提供一個具有裝配功能和維持結構穩定的框架。lamin可單獨或通過與其結合的蛋白質和染色質結合，從而決定染色質在細胞核中的定位。lamin還可直接或間接地調節基因表達、分化、DNA修復和凋亡等細胞進程。近年來的研究表明，LMNA基因突變與許多種人類疾病相關，lamin對人類健康的重要性已經變得越來越明顯。現就lamin的組成和結構、功能及與lamin相關疾病的研究進展進行綜述。

1 lamin的組成與結構

動物細胞有A型和B型兩種類型的lamin，A型lamin在大多數終端分化細胞中表達，B型lamin幾乎在所有體細胞中都表達。A型的lamin A、AΔ10和lamin C/C2由LMNA基因編碼并且由選擇性剪切產生，B型的lamin B1和B2/B3分別由LMNB1和LMNB2編碼，其中lamin C2/B3僅存在于生殖細胞[1]。所有的lamin都具有N末端頭部、C末端尾部以及一個桿狀的α螺旋中心，其中C末端尾部區域呈線性結構，包含核膜定位位點、免疫球蛋白折疊區和法尼基化所必需的CAAX盒[2]。B型lamin是永久法尼基化的，而A型lamin不保留法尼基。法尼基化可以加強B型lamin與核內膜的連接，當lamin A和C缺乏這種修飾時其與核膜的連接會變得比較松散，而且占用核質空間。兩個lamin通過中心的桿狀域相互作用形成螺旋二聚體，兩個螺旋二聚體頭尾相連形成極性的原纖維。這些原纖維再側向半交錯連接，以反平行的方式形成非極性的四聚物，最終相互作用形成網狀的核纖層[3]。

2 lamin的功能

2.1 lamin在維持細胞核結構與功能中的作用 核纖層通過細胞核骨架-細胞質骨架連接復合物與細胞骨架相連，在機械轉導中起重要作用。lamin形成大分子量結構，高分辨率顯微鏡數據顯示A型和B型lamin相互作用形成一個獨特且相互依賴的纖維網狀結構。這些結構可能在核纖層的組織和細胞核形狀的維持中起作用。然而又發現，lamin A/C在調節核的剛度和彈性方面起著顯著的作用，在細胞核應對機械外力時，lamin A/C的減少會增加細胞核的可變性[4]。研究表明，lamin A/C在不同細胞類型中的差異表達導致lamin A/C與lamin B比率的變化。lamin A/C表達量高的組織細胞經常發生機械扭轉，例如肌肉組織和心臟。癌細胞的轉移也可能是由于lamin A/ C表達量的變化影響了癌細胞的細胞核穩定性[5]。最近的一項研究發現lamin A/C的構象有依賴于機械力的變化，這表明lamin在細胞核受到外界壓力時具有調整細胞核形態的作用[6]。與lamin A/C突變相關的Emery-Dreifuss肌營養不良癥(EDMD)和擴張型心肌病(DCM)的研究則更加證實了lamin A/C在維持細胞核結構中的作用。在具有組織特異性的EDMD動物模型中，肌細胞的結構與功能可以通過負責蛋白質異戊烯化的酶的基因失活而恢復正常[7]。需要指明的一點是，不是所有的LMNA基因突變都與EDMD或DMC相關，也不是與家族性部分脂肪代謝障礙相關的突變都會導致核結構異常，不同的LMNA突變對細胞核的結構與功能產生不同的影響。

2.2 lamin在染色質結構和染色體組空間定位中的作用 A型和B型lamin均具有DNA結合位點，在細胞核內與染色質相互作用，它們的數量和結構的改變會影響染色體組的完整性。用體內DNA標記法分析染色質與lamin的相互作用，證明了lamin與染色質較大的區域有動態的接觸，這些接觸區域被稱為核纖層相關結構域。這些結構域富含抑制性組蛋白標記，表明核纖層相關結構域是一個不利于染色質聚集定位的區域，但lamin對核纖層相關結構域的形成所起的具體作用仍不清楚[8]。甲基化酶鑒定法的研究表明lamin A/C相關的染色體結構域與lamin B相關的染色體結構域之間具有非常高的一致性。研究者利用染色質免疫共沉淀方法確定了lamin A/C的一個亞群，該亞群與染色質的活性區域相互作用，這點與lamin的互作因子LAP 2α相一致。這種相互作用可能發生在細胞核質內而不是在核纖層，因為LAP 2α與lamin A/C共定位于細胞核內部。lamin A突變蛋白progerin會導致LAP 2α和lamin A/C的表達顯著減少[9]，這些變化能夠影響細胞增殖過程的關鍵步驟。lamin A/C和LAP 2α之間必須保持平衡才能維持正常的細胞功能，但目前仍不清楚這一平衡是如何實現的。lamin與核纖層的其他組分一起組成核包膜跨膜蛋白，并通過固定外周異染色質到核纖層和細胞分化過程中核內基因的重新定位來影響基因表達[10]。lamin A和突變progerin對染色質的結構穩定和空間定位影響顯著，在表達progerin的細胞中，外周異染色質逐漸減少，而且異染色質的幾個組蛋白標記也全都消失[11]。

2.3 lamin在細胞衰老與細胞分化中的作用 許多研究已經表明，lamin B1表達水平的變化是細胞衰老的標志。細胞衰老是由許多應激誘導的永久的細胞周期停滯狀態，包括持續DNA損傷、氧化應激和原癌基因激活。lamin B1表達的上調或下調會伴隨細胞衰老，lamin B1的沉默雖然導致細胞周期阻滯，但是它本身不會引起細胞衰老。lamin B1沉默時存在部分A型lamin的沉默，復制性衰老也伴隨著lamin A尾部的氧化，導致其功能失活[12]。此外，lamin B1與lamin A/C表達的比率也是很重要的，可能成為細胞老化的關鍵原因。lamin B在復制性衰老細胞中表達的降低可能使核膜上lamin B-LBR-染色質復合物不穩定，導致LBR在復制性衰老細胞中的擴散性分布。lamin B-LBR-染色質復合物在細胞核功能中有重要的作用，復合物的不穩定將會損害細胞核功能，可能引起細胞衰老的發生。核膜蛋白的進一步分析將為細胞衰老提供新的觀點[13]。在細胞衰老時，LBR和lamin B1的下調是與核纖層結合的異染色質的釋放所必需的，可以導致染色質結構和基因表達的改變。lamin也參與細胞分化的過程，隨著祖細胞分化，根據細胞類型和它們被驅動的譜系，在細胞內發生一系列物理變化。這些生物物理變化延伸到細胞核，例如胚胎干細胞分化伴隨著染色質凝聚的增加，進而導致核硬度的增加[14]。lamin在細胞分化過程中也發生變化，小鼠ES細胞在細胞分化期間開始高水平的表達A型lamin，說明其在分化狀態的維持中起作用[15]。

3 lamin相關疾病

3.1 DCM EDMD是一種伴隨著關節攣縮、肌肉持續性衰退和骨骼肌無力等癥狀的遺傳性疾病。許多EDMD患者亦患有DCM，經常表現出電傳導異常。LMNA突變可引起EDMD的常染色體顯性遺傳和低頻率的隱性遺傳。LMNA突變約占家族性DCM的25%左右[16]。家系調查顯示LMNA突變也導致不伴隨骨骼肌疾病的DCM。在對患有常染色體顯性遺傳的DCM并伴隨傳導系統障礙的11個家族進行評估后確定了新的LMNA突變，這些突變都會引起可遺傳的傳導系統疾病(房性心律失常、房室傳導阻滯或竇性心動過緩)和DCM。受影響的家庭成員常表現出心力衰竭或猝死。然而，沒有家族成員表現出EDMD的臨床特征，如關節攣縮或骨骼肌病變等。

LMNA-/-小鼠是創建的第一個LMNA突變動物模型，通過移除C末端區域自外顯子8到外顯子11的前半部分來建立。LMNA+/-雜交的后代中，LMNA-/-與雜合子和野生型均呈現正常的胚胎發育。然而，LMNA-/-在出生2～3周后生長明顯變慢，最終在大約8周齡死亡，主要誘因是肌肉萎縮和心臟損傷，LMNA+/-小鼠在4～6周齡時顯示出中度嚴重性的心功能障礙和心肌細胞損傷。有趣的是，有研究顯示LMNA+/-小鼠在12個月齡時有嚴重的心臟異常，這類似于由LMNA引起的人的DCM[17]。LMNA心肌病小鼠模型可能為這種疾病的病理生理學提供一個重要的分子視角。

3.2 Hutchinson-Gilford早衰綜合征(HGPS) 早衰綜合征是一種罕見的兒童過早衰老性疾病，大多數HGPS病例的遺傳基礎是在LMNA的第11個外顯子中G608G發生了突變(GGC>GGT)[18]，這導致一個新的隱蔽剪切位點的激活。該LMNA突變導致pre-lamin A羧基末端50個氨基酸的缺失，產生截斷的蛋白質progerin。progerin在HGPS核中的積累對細胞核形態、染色體組織、端粒長度、DNA修復、核質運輸等諸多功能產生影響[19]。研究[20,21]表明，法尼基轉移酶抑制劑、雷帕霉素、西羅莫司脂化物等可以在HGPS患者治療中起到一定的效果，但是均會產生不同程度的不良反應，所以這些藥物均不能從根本上對HGPS起到治療作用。對于HGPS，需要研究出更加有效的治療藥物或治療方法。研究人員利用CRISPR基因編輯技術成功對DNA進行定點改造，這為通過改造缺陷基因來治療遺傳疾病提供了可能性[22]，也為核纖層蛋白病的治療提供了積極的指導作用。

3.3 癌癥 lamin表達的變化在多種癌癥中被報道，在癌組織中的異常定位或錯誤表達可能使lamin成為癌癥的生物診斷標志物之一。有研究[23]者發現，A型lamin的表達與Ⅱ、Ⅲ期結腸癌患者的復發具有一定的相關性，低水平的lamin A/C表達與疾病的高復發率有很大的關聯，并指出這些患者可能從化療中獲益。此外，在結直腸癌組織中鈣結合蛋白S100A6及其相互作用蛋白β-連環蛋白(Wnt通路效應物)的作用研究中發現，轉移性與非轉移性人類結直腸癌細胞系都存在S100A6的高表達。S100A6蛋白也被確定為lamin A/C的一種新的互作蛋白，因此lamin A/C與結直腸癌的發生具有一定的潛在聯系[24]。這些研究結果都清楚地表明，lamin的異常調節會導致各種類型的胃腸道癌癥。lamin的多樣功能和廣泛的相互作用使其可能成為癌癥生物標志物，預示腫瘤進展。lamin在大多數癌癥中過表達，有維持癌細胞穩態的能力。在腫瘤中維持細胞的分化、增殖和遷移，這對侵襲性腫瘤至關重要。與癌癥確切的預后指標相比，lamin可作為癌癥的潛在生物診斷標記[25]。

在過去近十年里，關于lamin的研究與日俱增，在理解lamin的生物學性質和與LMNA基因突變相關的疾病方面取得了巨大進步，但仍然有很多未知的地方等待進一步探索研究。例如在分化和發育期間，不同細胞類型中lamin A/C對基因組動態空間組織的相對作用；在組織轉錄和DNA損傷修復中具有哪些潛在作用；另外，對不影響pre-lamin A進程的LMNA錯義突變引起的組織特異性疾病的分子機制也知之甚少。在成肌分化過程中與肌營養不良相關的LMNA錯義突變破壞核纖層相關結構域并改變異染色質組織，這些發現加強了lamin A/C在細胞分化期間在染色質的空間和結構重塑中起作用這一觀點。迄今為止，已經發現數百個LMNA基因突變與組織特異性疾病相關。因此，可以推測這些突變中至少有一些突變通過影響細胞因子的定位和亞細胞分布引起組織特異性損傷，這些細胞因子在調節細胞類型特異性調控基因或細胞通路、協調細胞核的空間組織和功能中具有重要作用。此外，我們還要更深入地研究lamin B1和B2的功能，有證據表明B型lamin是DNA復制所必需的，現已確定在DNA復制的延伸階段中lamin B1起特定作用。lamin B1和B2涉及到神經元的遷移和存活，在lamin B1缺陷的皮層神經元中可觀察到核孔復合物分布的改變[26]。預計在未來幾年內，對于B型lamin領域的研究將會進一步拓展深入。

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直線相關與回歸分析的區別和聯系

區別：①資料要求不同：直線相關分析要求兩個變量都是正態分布；回歸分析要求因變量Y服從正態分布，而自變量X是能精確測量和嚴格控制的變量。② 統計意義不同：直線相關分析反映兩變量間的伴隨關系，這種關系是相互的、對等的，不一定有因果關系；回歸則分析反映兩變量間的依存關系，一般將“因”或較易測定、變異較小者定為自變量，這種依存關系可能是因果關系或從屬關系。③分析目不同：直線相關分析的目的是把兩變量間直線關系的密切程度及方向用一統計指標表示出來；回歸分析的目的則是把自變量與應變量間的關系用函數公式定量表達出來，回歸分析不僅可以揭示X對Y的影響大小，還可以由回歸方程進行數量上的預測和控制。④變量的意義不同：在回歸分析中，因變量Y處在被解釋的特殊地位；在直線相關分析中，X與Y處于平等的地位。在直線相關分析中，X與Y都是隨機變量；在回歸分析中，Y是隨機變量，X可以是隨機變量，也可以是非隨機的，通常在回歸模型中，總是假定X是非隨機的。

聯系：①變量間關系的方向一致。②假設檢驗等價對同一樣本。③r與b值可相互換算。④用回歸解釋相關系數的平方r2稱為決定系數，是回歸平方和與總的離均差平方和之比，故回歸平方和是引入相關變量后總平方和減少的部分,其大小取決于r2。回歸平方和越接近總平方和，則r2越接近1，說明引入相關的效果越好，反之，則說明引入相關的效果不好或意義不大。

研究在專業上有一定聯系的兩個變量之間是否存在直線關系以及如何求得直線回歸方程等問題，需進行直線相關和回歸分析。從研究的目的來說，若僅僅為了了解兩變量之間呈直線關系的密切程度和方向，宜選用線性相關分析；若僅僅為了建立由自變量推算因變量的直線回歸方程，宜選用直線回歸分析。從資料所具備的條件來說，作相關分析時要求兩變量都是隨機變量；作回歸分析時要求因變量是隨機變量，自變量可以是隨機的，也可以是一般變量。當兩變量都是隨機變量時，常需同時給出相關與回歸分析的結果。

國家自然科學基金資助項目(31560319)；廣西自然科學基金資助項目(2015GXNSFCA139022)；廣西師范大學大學生創新訓練項目(201510602004)。

楊柳(E-mail： yangl@mailbox.gxnu.edu.cn)

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.22.040

R735.2

A

1002-266X(2017)22-0109-04

2017-03-30)