S100A11，一種多生物學功能的Ca2+結合蛋白

趙本正，陳俊宇，徐 萍，陳瑩瑩，邱 俊，鄭晶瑩，吳 珊，夏 陽*，趙麗晶*

(1.吉林大學第二醫(yī)院，吉林 長春130041； 2.吉林大學護理學院，吉林 長春130021；3.空軍航空大學門診部，吉林 長春130021)

S100蛋白在飽和硫酸銨溶液中可100%溶解，該家族包括25個成員，為EF手型Ca2+結合蛋白，分子量約10-12 kD，僅存在于脊椎動物中，以二聚體或多聚體的形式存在。S100家族成員的序列同源性在16%-98%之間，大部分編碼基因位于染色體1q21，但S100B、S100G、S100P和S100Z的基因編碼區(qū)分別位于21、X、4和5號染色體[1]。S100蛋白的結構差異不大，但表達位置、水平及生物學作用卻大不相同。

S100A11于1989年被首次發(fā)現(xiàn)，并在豬心肌和雞肫平滑肌中提純獲得。在皮膚和胎盤組織表達最高，在心、腎、脾、肝和肺中表達中等，在骨骼肌、結腸、胸腺和大腦邊緣葉中表達較低[2]。S100A11已被證實參與胞吞與胞吐、調控酶活性、調控細胞生長與凋亡、參與炎癥反應、細胞膜修復及DNA修復等生物學功能。

1 S100A11蛋白的結構及亞細胞定位

1.1S100A11蛋白的結構

S100A11的三維結構包括Ca2+結合位點、二聚體主體和Ca2+結合構象改變區(qū)域。S100A11主體包括兩個稱為“EF手型結構”的螺旋-環(huán)-螺旋結構。N末端的EF手型結構是非傳統(tǒng)的Ca2+結合結構域，由螺旋I、偽Ca2+結合位點和螺旋Ⅱ構成；C末端的EF手型結構是經典的Ca2+結合結構域，由螺旋Ⅲ、Ca2+結合位點和螺旋IV構成，對Ca2+的親和力強于N末端。

無Ca2+結合時，S100A11的螺旋Ⅲ和Ⅳ反向平行關閉而呈球狀結構(圖1A)。當C末端手型結構與Ca2+結合時，螺旋Ⅲ與螺旋Ⅳ接近垂直，使蛋白疏水口袋開放，成為蛋白-蛋白作用位點(圖1B)。Ca2+結合后S100A11的構象改變由遠離結合位點的K32-D57鹽橋觸發(fā)[3]。

圖1 S100A11的結構[3]

1.2S100A11蛋白的亞細胞定位

在正常人成纖維細胞中，S100A11主要存在于細胞質中；當成纖維細胞發(fā)生接觸抑制時，S100A11則主要存在于細胞核中[4]。在正常人角質形成細胞(NHK)中，S100A11可移入細胞核與核仁蛋白結合并影響細胞生長[2]。然而，其在腫瘤細胞中定位于細胞質[5]。研究發(fā)現(xiàn)，S100A11單體存在于胞質中，而S100A11多聚體則存在于細胞骨架并與β-微管蛋白結合[6]。以Ca2+處理休眠的NHK后，S100A11可轉移到細胞邊緣，參與形成角質化包膜前體。近期研究發(fā)現(xiàn)，在間皮瘤細胞中S100A11可通過與過氧化物酶體膜蛋白PEX14結合，從而經過氧化物酶體途徑分泌到細胞外[7]。

2 S100A11蛋白的生物學功能

2.1S100A11參與細胞生長調控

2.1.1S100A11抑制NHK細胞生長 當培養(yǎng)基內Ca2+低于0.1 mM時，NHK細胞持續(xù)增殖。當Ca2+升高到1.2-2.0 mM時，細胞生長停止并誘導分化。在表皮細胞，基底層到角化層中Ca2+含量梯度升高， Ca2+介導的NHK細胞生長停滯和分化可能反映了皮膚組織的生理學進程[8]。當NHK細胞暴露于高濃度Ca2+時，S100A11 N末端的Thr10和C末端的Ser94殘基發(fā)生磷酸化[2]，促使轉錄因子Sp1/3從細胞核中釋放，后者解除KLF16對p21/WAF1基因的抑制作用，增加p21/WAF1的表達，進而抑制NHK細胞生長。

表皮生長因子(EGF)與其受體結合可激活多條信號通路，其中胞質磷脂酶A2(cPLA2)激活是其主要通路，膜聯(lián)蛋白A1(ANXA1)可結合并抑制cPLA2，從而發(fā)揮生長抑制作用。S100A11以鈣離子依賴方式通過其N末端與ANXA1結合[9]，增強ANXA1對cPLA2的抑制。裂解的ANXA1不能結合S100A11，高Ca2+環(huán)境中S100A11與ANXA1快速結合，阻止ANXA1的磷酸化及裂解。

2.1.2S100A11促進NHK細胞生長 晚期糖基化終產物受體(RAGE)是一種多配體受體，與炎癥反應、腎衰竭、神經退行性病變及糖尿病等有關，可與多種配體包括淀粉樣蛋白β、HMGB1及S100蛋白家族成員結合[10]。在NHK細胞中，S100A11通過與RAGE結合而激活Akt，后者使cAMP反應元件結合蛋白(CREB)磷酸化，進而激活AP-1，活化EGF，并最終促進NHK細胞生長[11]。

2.1.3S100A11對NHK細胞生長的雙重調控作用 S100A11對NHK細胞具有抑制及促進生長的雙重調控作用，但兩種調控方式的轉化及機制尚不明晰。有必要繼續(xù)深入研究S100A11的生長調控機制，明確其促進生長與抑制生長的轉換模式。

2.2S100A11參與雙鏈DNA修復

DNA雙鏈斷裂(DSBs)嚴重影響基因組的穩(wěn)定，導致細胞周期停滯或DNA重組，從而引起細胞功能障礙、細胞死亡或腫瘤發(fā)生。DNA復制叉坍塌導致的DNA復制停滯是引起DSBs的主要原因，同源重組是DSBs修復的主要方式。Rad54B可通過恢復DNA復制叉，從而參與同源重組介導的DNA損傷修復[12]。在DNA損傷的HaCaT細胞核中，S100A11可與Rad54B結合并定位于雙鏈DNA損傷修復的位點；無S100A11存在時，Rad54B無DNA損傷修復功能，提示S100A11參與了DNA的損傷修復[13]。近期研究發(fā)現(xiàn)，斷裂的雙鏈DNA可形成3’-單鏈DNA(ssDNA)，ssDNA與Rad51結合形成核蛋白絲，從而啟動DSBs同源重組修復。有Ca2+存在時，S100A11與Rad51相互作用，從而調整ATP水解速率，使Rad51/ATP/ssDNA核蛋白絲穩(wěn)定參與DSBs的同源重組修復[14]。

2.3S100A11參與細胞膜修復

即使在穩(wěn)定的細胞外環(huán)境中，細胞膜也會因各種機制而發(fā)生損傷。細胞膜修復(PMR)時，Ca2+內流并聚集到膜損傷位點，促進細胞骨架重構及細胞膜融合。皮層細胞骨架與細胞膜張力緊密相關，皮層細胞骨架重組對細胞膜修復至關重要[15]。膜聯(lián)蛋白(ANX)是一種Ca2+結合蛋白，其成員ANXA1、ANXA6和ANXA5可通過促進細胞膜融合或形成蛋白質晶格，從而參與細胞膜修復[16]。ANXA2可參與細胞膜修復及細胞內囊泡融合[17]。惡性腫瘤細胞發(fā)生PMR時，Ca2+進入細胞內膜損傷位點，使細胞內ANXA1與皮層細胞骨架F-肌動蛋白結合，從而減弱受損細胞膜的張力，并促進S100A11與ANXA2結合。S100A11-ANXA2復合體可使解聚的F-肌動蛋白重構，切除細胞膜損傷區(qū)域，促進正常細胞膜融合而發(fā)揮細胞膜修復作用[18]。S100A11-ANXA2復合體也參與正常血管內皮的細胞膜修復[19]。

2.4S100A11參與癌癥發(fā)生發(fā)展

S100A11在子宮平滑肌瘤、大細胞淋巴瘤、胰腺癌、直腸癌、乳腺癌、高級別漿液性卵巢癌、腎透明細胞癌、甲狀腺癌、肝內膽管細胞癌、胃癌、肺癌及惡性胸膜間皮瘤中高表達，而且其高表達與乳腺癌、高級別漿液性卵巢癌、腎透明細胞癌及胰腺癌患者的不良預后有關[20]。S100A11在食管鱗癌和膀胱癌中低表達，并且膀胱癌中S100A11缺失與不良預后有關[21]。在卵巢癌HO8910細胞中，敲除S100A11基因可有效抑制卵巢癌細胞的生長和侵襲[22]。此外，在一些腫瘤中，S100A11可發(fā)揮腫瘤促進因子的作用，如維持鱗癌細胞系的增殖[11]。

雖然S100A11在腫瘤中的具體作用及機制尚未明確，但是其特異性表達模式或將為某些腫瘤的早期診斷提供幫助。

2.5S100A11的其他生物學功能

2.5.1S100A11參與骨關節(jié)炎進程 研究發(fā)現(xiàn)，S100A11可作為RAGE配體調控軟骨細胞肥大[23]。這一骨關節(jié)炎發(fā)生發(fā)展的關鍵病理變化，伴隨X型膠原及基質金屬蛋白酶13(MMP13)過表達。軟骨細胞肥大誘導因子CXCL8和ATRA及骨關節(jié)炎發(fā)生調控因子TNF-α可促進S100A11分泌至人關節(jié)軟骨細胞培養(yǎng)基介質。CXCL8通過CXCR1 和CXCR2差異性激活，從而實現(xiàn)其信號轉導及生物學功能[24]。已經證實，CXCR1 和CXCR2可誘導關節(jié)軟骨細胞肥大。谷氨酰胺轉酰胺酶2通過對S100A11 Lys3和Gln102殘基的轉酰胺基作用，將S100A11轉變?yōu)楣矁r結合的同源二聚體，后者能與RAGE更快結合，且這一過程可發(fā)生在細胞外圍[25]。因此，S100A11通過與RAGE結合，激活p38 MAPK激酶，促進X型膠原表達，從而使軟骨細胞肥大。

2.5.2S100A11參與細胞形態(tài)學改變 S100家族的許多成員參與調控細胞骨架動力學。S100A11與S100B可使微管解聚，并調控肌動蛋白微絲及中間絲的動力學[26]。S100A2可組織細胞骨架運動[27]，S100A4可調控肌球蛋白動力學[28]，S100A8/S100A9復合體可介導Ca2+依賴的中間絲與細胞膜相互作用[29]，S100A11可與肌動蛋白、β-微管蛋白及中間絲相互作用。以S100A11干預低密度人成纖維細胞后，成纖維細胞發(fā)生劇烈的形態(tài)學改變而形成細胞凸起，并且這些細胞偽足中肌動蛋白微絲聚集[4]，提示S100A11可促進肌動蛋白聚集，并對細胞形態(tài)學改變具有重要作用。

3 結論

作為S100蛋白家族成員，S100A11通過C末端的Ca2+結合結構域與Ca2+結合后，蛋白疏水口袋開放，蛋白結合位點暴露，與各種靶蛋白結合。從而發(fā)揮對細胞生長的雙重調控作用，對細胞膜損傷及DNA損傷的修復作用，對腫瘤發(fā)生發(fā)展、慢性骨關節(jié)炎進程的促進作用，以及調控細胞形態(tài)學改變等生物學過程。S100A11參與多種細胞活性及功能調控，有必要深入探索其功能并闡明其作用機制，為相關疾病或功能障礙的預防、診斷及治療提供新的靶點和思路。