Elk-1調節骨骼系統功能的研究進展

王藝璇 王可 張舒

空軍軍醫大學航空航天生物動力學教研室/航空航天醫學教育部重點實驗室，陜西 西安 710032

Ets轉錄因子屬于進化上保守的最大的轉錄調節因子家族之一，該家族由30多個成員組成，可參與細胞內穩態的調節，在人類生理和病理過程中發揮著重要的調節作用[1]。轉錄激活因子ETS樣蛋白1(ETS-like 1 transcription factor, Elk-1)屬于Ets結構域轉錄因子家族，具有調控細胞增殖、分化和凋亡等功能，在骨骼系統中也發揮著重要的作用[2]。本文將對近年來關于Elk-1的生理作用及其調節骨骼系統功能的研究進行綜述。

1 Elk-1概述

根據Ets結構域的序列同源性，人類Ets因子可分為12個亞組：ETS、ERG、PEA3、ETV、TCF、GABP、ELF1、SPI1、TEL、ERF、SPDEF和ESE，Elk-1屬于三元復合因子(ternary complex factor，TCF)亞家族[3]。TCF是因其與靶DNA序列的血清效應元件(serum response elements，SREs)、二級轉錄因子血清效應因子(serum response factor，SRF)結合形成三元復合物的能力而得名[4]。除了Elk-1，TCF亞家族還包括SAP-1和SAP-2/Net。每個TCF包含三個保守的結構域：結合DNA的N-末端Ets結構域、參與SRF相互作用的B-盒結構域(B-box region)和包含MAPK多個磷酸化位點的C-末端轉錄激活結構域。Elk-1還具有一個抑制性結構域，可被小泛素樣修飾蛋白(small ubiquitin-related modifier, SUMO)結合，Elk-1的SUMO化修飾是通過大量募集組蛋白脫乙酰酶來抑制轉錄活性。ERK通路的激活可誘導Elk-1的磷酸化和去SUMO化，從而使Elk-1從轉錄抑制型轉變成轉錄激活型[5]。ETS轉錄因子可與含有DNA核心序列的GGAA/T識別并結合，該富含嘌呤核心的側翼序列兩端決定了Ets結構域蛋白與這個前導序列的親和力。Ets結構域的蛋白結合功能具有一定的冗余性。研究[6]發現，Elk-1基因缺陷小鼠和野生型小鼠在表型上無明顯區別，組織學分析也未發現明顯異常，表明其他的TCF具有代償作用，在體內可補償性替代Elk-1的作用。Elk-1的部分靶基因與SRF并不相關，而這些靶點在不同的條件下也可以與其他ET結構域蛋白結合[7]。此外，Elk-1還可以參與調控非編碼RNA的表達[8-11]。

Elk-1主要經有絲分裂原或生長因子(包括EGF)刺激細胞而激活，由絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)所介導。EGF與其受體EGFR/HER1/c-erbB-1結合，激活固有激酶結構域和特異酪氨酸殘基的磷酸化，Grb2/Sos復合物從細胞質重新定位到細胞膜，在細胞膜上Grb2被招募到EGFR的磷酸化殘基。Grb2/Sos復合物的移位促進了膜相關Ras與Sos的相互作用，激活Ras和MAP3K，磷酸化細胞外信號調節激酶1和2(ERK1/2)，進而催化Elk-1等多種轉錄因子的磷酸化。EGFR激活PLCγ或緩激肽與細胞表面G蛋白偶聯受體B2結合，也可通過蛋白激酶C(PKC)-ERK1/2通路活化Elk-1。同時，細胞經IL-1刺激后，Elk-1也可以發生磷酸化。IL-1與IL-1受體(IL-1RI)結合后，與IL-1受體輔助蛋白(IL-1RAcP)發生二聚反應，通過招募MyD88、磷酸化IL-1R相關激酶(IRAKs)、激活絲裂原激活的蛋白激酶激酶(MAP2Ks)，進而磷酸化c-jun 氨基末端激酶(JNKs)和p38絲裂原激活蛋白激酶(p38 MAPK)。在IL-1刺激的細胞中，除JNKs和MAPKs外，ERK1/2也可被激活。Elk-1是ERKs、JNKs和p38 MAPK這三種MAPK通路共同的下游靶分子[2]。一些短鏈非編碼RNA(microRNAs)及長鏈非編碼RNA(lncRNAs)也可直接參與調控Elk-1的表達[12-14]。

2 Elk-1調節骨組織細胞功能

成骨細胞由間充質干細胞(mesenchymal stem cells，MSCs)分化而成，是骨組織中一類特殊的具有成骨潛能的細胞，可以增殖分化為骨細胞，促使新骨形成。研究表明，Elk-1可促進成骨細胞分化。Zhang等[15]研究發現，在成骨細胞中Elk-1可增強Runx2的啟動子活性, 是內源性成骨分化關鍵因子Runx2的主要生理調節因子。Elk-1可與GC域結合蛋白SP1相互作用，Elk-1和SP1均可獨立或聯合激活Runx2轉錄。外源性增加MC3T3-E1小鼠成骨細胞中野生型Elk-1的表達，而不是Elk-1非磷酸化突變體，可誘導Runx2的表達，進一步證明Elk-1可能是通過轉導MAPK級聯信號來刺激Runx2表達。Wang等[12]研究發現，在MC3T3-E1中Elk-1作為microRNA-139-3p的靶基因，可參與成骨細胞的分化和凋亡。同時，Elk-1的表達也受到 lncRNA ODSM的調控[14]。過表達Elk-1可促進成骨細胞分化，抑制成骨細胞凋亡。另有研究發現，MAPK相關信號通路(包括Elk-1)在成骨細胞分化中起著重要的調節作用，誘導成骨細胞分化的諸多因子均可通過該通路發揮作用。在人MG-63成骨細胞中，膠原蛋白水解物(Collagen hydrolysates)和卵黃衍生肽(YPEP)均可呈劑量依賴性增加成骨細胞增殖，并通過MAPK/Elk-1通路促進成骨細胞分化，增加Ⅰ型膠原、堿性磷酸酶和骨橋蛋白等成骨分化因子的表達[16-17]。鹿茸也可通過激活ERK1/2、JNK1/2和p38，促使Elk-1磷酸化，進而促進成骨細胞的堿性磷酸酶活性、膠原合成和鈣沉積[18]。Hori等[19]研究發現，磷酸鹽、過氧化氫均可增加大鼠UMR-106成骨細胞中Elk-1的表達，通過ROS產生和ERK通路促進成纖維細胞生長因子23(FGF23)的表達。此外，淫羊藿苷可通過MAPK通路促進Elk-1和c-Myc表達的上調，促進骨髓間充質干細胞增殖[20]。

同時Elk-1也參與破骨細胞的形成。Lee等[21]研究發現，抑制素-1(PHB)在破骨細胞中可抑制p38-Elk-1- SRE信號軸的活化，負向調控破骨細胞的形成。

3 Elk-1在骨性疾病中的作用

3.1 Elk-1在骨腫瘤中的作用

Elk-1與腫瘤侵襲、轉移及預后不良等密切相關[22-24]。骨肉瘤(osteosarcoma，OS)是骨組織最常見的原發性惡性腫瘤。Hou等[25]研究發現，用血管生成誘導因子61(Cyr61)處理MG-63細胞，將以時間依賴的方式增加ERK1/2和Elk-1的磷酸化和核轉移，通過Raf-1、MEK、ERK、Elk-1信號轉導途徑調控EMT標志物，促進OS細胞侵襲及轉移。研究發現，在人骨肉瘤細胞U2OS和SAOS中，p53激動劑nutlin-3激活的ERK1/2可能通過激活Elk-1，誘導抗凋亡BCL2蛋白家族的轉錄，而BCL2A1的表達可能有助于ERK1/2抑制nutlin-3誘導的細胞凋亡，從而構成p53誘導細胞凋亡的負反饋機制[26]。而油酸甘油酯與順鉑聯合治療則能激活p38 MAPK/Elk-1通路，誘導細胞凋亡，抑制腫瘤生長[27]。此外，最新研究表明Elk-1也可以通過影響長鏈非編碼RNA(lncRNAs)的表達調控OS進展。Su等[10]研究發現，在MG-63和143B骨肉瘤細胞中，Elk-1可以直接與MIR100HG的啟動子區結合，Elk-1誘導lncRNA MIR100HG的上調可以通過表觀基因沉默LATS1、LATS2和失活Hippo途徑促進OS的進展。骨尤文肉瘤是兒童和青少年常見的一種骨腫瘤。在骨尤文肉瘤[TC/siVEGF(7-1)]細胞中，基質細胞衍生因子1α(SDF-1α)可使Elk-1活化，而激活的Elk-1可與血小板源性生長因子B(PDGF-B)啟動子區結合，上調PDGF-B的表達，誘導骨髓細胞向周細胞分化，挽救腫瘤的惡化[28]。

骨骼也是肺癌、乳腺癌等其他系統腫瘤常見的轉移部位。Hsu等[29]研究發現，乳腺腫瘤相關成骨細胞(TAOBs)是促進腫瘤進展的重要因子，在成骨細胞中抑制CXCL5可以減少TAOBs介導的癌癥進展。而TAOBs分泌的CXCL5誘導腫瘤進展與Raf/MEK/ERK激活、Elk-1磷酸化相關。Elk-1在鋅指結構轉錄抑制因子Snail的啟動子區有結合位點，激活Elk-1有助于促進Snail啟動子區組蛋白H3的乙?；土姿峄?，上調Snail表達，誘導乳腺癌上皮-間質轉化、遷移和侵襲。

3.2 Elk-1在骨質疏松癥等骨性疾病中的作用

目前研究認為Elk-1在骨質疏松癥等其他骨性疾病中也發揮著一定的作用。在骨質疏松癥研究中，Liu等[30]通過篩選分析骨質疏松癥患者和正常對照骨髓間充質干細胞中差異表達基因，發現包括Elk-1、REL相關蛋白(RELA)和上游刺激因子1(USF1)等9個轉錄因子表達明顯升高。Cheung 等[31]在女性低密度脂蛋白受體相關蛋白5(LRP5)的基因單核苷酸多態性與骨密度的相關性研究中發現，LRP5啟動子的常見變異與女性的骨密度有關，最具預測性的rs682429位于5’UTR區，與Elk-1結合元件的共識別位點相鄰，可能影響Elk-1的轉錄活性，進而影響骨密度。Peng等[32]在自發性骨折的研究中發現，過量維生素A處理的皮質骨髓樣本中E2F轉錄因子1(E2F1)、GA結合蛋白轉錄因子(GABP)、核轉錄因子NRF2和Elk-1等轉錄因子明顯表達增加，這些轉錄因子以及它們的靶基因Ube2d3、Uba1、Phb2和Tomm22可能在過量維生素A誘導的自發性骨折中起著重要作用。在骨關節炎的研究中發現，人關節軟骨細胞中Elk-1是MAPK、NFκB的直接下游靶點，堿性成纖維細胞生長因子(bFGF)可激活MAPK和NFκB信號通路的Elk-1，誘導產生基質金屬蛋白酶-13(MMP-13)，導致軟骨基質過度降解[33]。在膠原誘導關節炎小鼠模型中，敲除JNK相互作用蛋白3可抑制JNK/ELK-1通路激活，減輕關節組織病理學改變[34]。此外，髓核細胞減少是椎間盤退變主要病理表現，而低氧誘導下大鼠髓核細胞中ERK通路活化，Elk-1磷酸化增加，有利于髓核細胞在缺氧環境存活[35]。

4 結語與展望

轉錄因子Elk-1可由ERKs、JNKs和p38 MAPK等通路激活，從轉錄抑制型轉變成轉錄激活型，在基因表達調控中發揮著重要作用。研究已證實，Elk-1可以調節骨組織細胞功能，主要可促進成骨細胞分化及增殖，并抑制成骨細胞凋亡。Elk-1在骨骼系統相關疾病中也發揮著一定的作用，其與骨肉瘤、骨尤文肉瘤、骨轉移癌等多種骨腫瘤的侵襲、轉移及預后不良密切相關，且在骨質疏松癥、自發性骨折及骨關節炎等骨性疾病中也可觀測到Elk-1轉錄活性異常，但Elk-1在其中的具體作用機制尚需進一步明確。當前，Elk-1在骨骼系統中作用的研究尚不完善，成骨細胞中Elk-1的作用機制，以及在體干預其在成骨細胞中的表達后，能否影響成骨細胞功能，進而促進骨質生成，改善骨質疏松癥狀等骨性疾病尚待進一步深入研究。同時，Elk-1在破骨細胞、骨細胞中的作用尚不明確，其在骨骼系統中與Ets家族其他成員的相互作用也有待進一步研究。因此對Elk-1的深入研究有助于從分子水平探尋其影響骨骼系統功能的具體機制，從而為輔助診斷、治療骨骼系統疾病提供新的思路。