Cullin蛋白家族在癌癥發生發展中的研究進展

高志遠 謝騰 蒯冀

湖北民族大學附屬荊門市第一人民醫院神經外科 448000

泛素化修飾是一個或多個泛素分子在一系列酶的作用下與底物蛋白結合的翻譯后修飾過程，經泛素化修飾后的底物蛋白可以被26S 蛋白酶體識別并降解；具體由泛素分子、多種酶系統（E1 泛素活化酶、E2 泛素結合酶、E3 泛素連接酶）、底物蛋白以及蛋白酶體參與，共同構成泛素-蛋白酶系統［1］。Cullin 泛素連接酶家族由 CUL1、2、3、4A、4B、5、7 和9 組成，作為招募其他亞基的支架。每個Cullin 都有一個球狀的C-末端Cullin 同源結構域，它與環結構域亞基結合，識別與泛素結合的同源E2 酶。然后，Cullin 的長柄狀N-末端結構域直接或通過接頭亞單位與底物受體或激活亞基結合，以識別同源底物蛋白［2］。Cullins 不是傳統的癌蛋白或腫瘤抑制因子，因為它們對腫瘤發生的影響是由它們的底物受體和相應的底物決定的。底物受體或底物中的突變會導致癌蛋白的積累，從而推動增殖，并帶來生存和基因組的不穩定性。Cullin 蛋白通常通過接頭蛋白連接底物靶向單位和CRL 中的環指成分，CRLS 以多種底物為靶標，影響一系列生物學過程，包括細胞生長、發育、信號轉導、轉錄調控、基因組完整性和腫瘤抑制［3］。通過組織CRL，可能引導許多底物進行泛素依賴的降解，Cullin家族蛋白構建了一個在控制蛋白質動態平衡方面至關重要的細胞調控網絡，從而改變了從細胞周期調控到信號轉導的廣泛生物學過程［3］。

1 CUL1

在E3連接酶的環型中，SCF（Skp1-Cullin1-F-box）復合物研究較多。SCF 復合物由支架蛋白Cullin1、環指蛋白Rbx1、接頭蛋白 Skp1 和 F-box 蛋白組成。Rbx1 的功能是招募 E2 酶 ，而 Skp1 則 與 F-box 蛋 白 結 合［4］。 研 究 證 實 ，CUL1 基因敲除可顯著減少肺轉移和血管生成［5］，CUL1 還在胚胎發育中起著重要作用，并對正常和惡性細胞過程有顯著影響。

FBXL1 是CUL1 中的一種，又稱Skp2，已被認為是一種癌蛋白。Skp2 蛋白由4 個不同的結構域組成，即破壞結構域（D-box）、核定位信號（NLS）、F-box 結構域和C-末端LRR 結構域［6］。被廣泛研究的 F-box 蛋白 Skp2 與 Skp1 和CUL1 組裝成SCF 復合物，靶向細胞周期抑制因子p27/Kip1 進行降解［6］。在小鼠中敲除Skp2 導致細胞核明顯增大，具有多倍體和多中心體，表明Skp2 在控制細胞周期調控因子方面起著關鍵作用［7］。雖然Skp2介導的泛素化的凈效應支持細胞增殖，但SCFSkp2也被報道控制癌蛋白的降解［8］。

雖然SCFSkp2在促進腫瘤發生中有很好的特征性作用，但F-box 蛋白βTrCP 在維持正常和惡性生長之間的平衡中的作用更為復雜，可能依賴于細胞環境。βTrCP 的許多底物已被確定在細胞周期、凋亡和遷移中起著關鍵作用，βTrCP 的異常調控參與了腫瘤的發生［6］。有研究確認了βTrCP 在REST（一種促進神經分化的腫瘤抑制因子）和PHLPP1（Akt 信號的抑制劑）的降解中的新致癌作用［9］。REST 通過βTrCP 在細胞周期的G2 階段被降解，以允許MAD2的轉錄去抑制，MAD2是紡錘體組裝檢查點的一個重要組成部分［10］。研究發現，沉默βTrCP 抑制乳腺癌細胞的增殖和存活，并增加化療藥物的細胞毒性［11］。以βTrCP 為靶點可能有利于提高抗癌治療的效果。SCFβTrCP在限制β-catenin 等癌蛋白的細胞水平上也起著重要作用。βTrCP或β-catenin 的DSGXXS 降解決定子的突變都會導致β-catenin 的積累增加，從而導致胃癌和子宮內膜癌的發病［12-13］。另一個底物SCFFbx4在阻斷腫瘤發生中的作用主要是通過細胞周期蛋白D 靶向介導的。抑制Fbx4E3 連接酶活性可導致細胞核周期蛋白D1 的積聚和致癌轉化。Fbx4 基因敲除小鼠促進了食管癌致癌物N-亞硝基甲基芐胺（NMBA）誘導的乳頭狀瘤，表明FBXO4 可能是食管癌發生的抑制因子［14］。在人類癌癥中也觀察到了Fbx4 突變，這種突變抑制了SCF（Fbx4）連接酶的二聚化，并促進了癌癥的發生［15］。

2 CUL2

CUL2 的泛素連接酶以Elongin B/C 為銜接子來組裝功能復合物，募集含有細胞因子信號轉導抑制因子（SOCS）抑制劑的底物受體。研究最廣泛的CUL2 底物受體是vonHippel-Lindau（VHL）腫瘤抑制因子，它以氧感應轉錄因子 HIF1α 為靶標［16］。VHL 腫瘤抑制基因的突變是家族性vonHippel-Lindau 病的原因，該疾病的特征是眼、腦、脊髓、腎、胰腺和腎上腺的腫瘤。缺氧條件下，HIF1α 積聚并激活促血管生成基因如血管內皮生長因子和血小板衍生生長因子的表達，通過刺激血管生成和氧利用而增加氧輸送，增加葡萄糖轉運和向丙酮酸的轉化，減少線粒體質量。β2-腎上腺素能受體（β2AR）最近被確定為VHL 的另一種底物，其EGLN3（一種O2依賴性的含鐵脯氨酰羥化酶）的羥基化作用可引發 β2AR 泛素化和蛋白酶體降解［17］。VHL 還針對激活的非典型蛋白激酶Cλ（一種細胞極性和生長的調節因子）進行泛素化，進一步促進了CUL2的腫瘤抑制作用。

3 CUL3

CUL3的泛素連接酶具有包含BTB 結構域的蛋白質，該蛋白質整合了銜接子和底物受體的功能［18］。最近有研究證實，CUL3在乳腺癌和腎癌中下調，提示其具有抑癌作用［19］。最具特征性的CUL3 底物受體是Keap1，它以Nrf2 轉錄因子為靶點，泛化和降解。Keap1 通過N 端BTB 結構域與Cul3-Rbx1 結合，C 端 DGR/Kelch 結構域連 接 Nrf2，介導Nrf2 泛素化和降解，從而抑制Nrf2 下游基因轉錄［20］。氧化應激下Nrf2 通過與抗氧化反應元件作用，誘導一系列內源性抗氧化劑基因轉錄和上調Ⅱ相解毒酶，用于緩和毒物和癌基因效應，維持細胞內氧化還原平衡；表明Nrf2與腫瘤的發生發展密切相關。

4 CUL4

CUL4 包括CUL4A 和CUL4B，它們具有廣泛的序列同源性和功能冗余。CUL4A 表達的降低導致G1 期阻滯并增加p21 和p27 蛋白水平［20］，從而導致腫瘤的發生。對于CUL4B，研究發現CUL4B過表達可以促進細胞增殖，其低表達則引起細胞S 期停滯。CUL4B 可以通過調控CyclinE、H2A、CDC6等因子的表達而在細胞增殖和DNA復制過程中發揮重要作用，從而導致腫瘤形成、發展［21］。

隨訪研究表明，DDB 是CUL4 泛素連接酶的組成部分［22］。DDB2作為底物受體與CUL4A 和DDB1形成復合物，靶向另一種NER損傷傳感器XPC，使其泛素化，從而增加其對 DNA 的親和力［23］。DDB2 及其底物的下調限制了 NER 的活性，而強制表達DDB2 或敲除Cul4A 會導致更大的DNA修復，從而降低了遺傳毒性［24-25］。最近發現NF2 編碼的腫瘤抑制因子Merlin 在與VprBP/DCAF1 的復合物中抑制CUL4A 的泛素連接酶活性，進一步支持了CUL4A 作為癌基因的作用［26］。Katiyar S 等［27］最近報道稱，CUL4A 還可與另一種mTOR 信號抑制劑REDD1 結合，并利用βTrCP 作為CUL4A 底物受體。而CUL4B 與人類癌癥的發生發展關系鮮有報道，有待進一步發掘。

5 CUL5

目前為止，尚未描述CUL5 的內源性底物受體，但發現病毒蛋白可充當基于CUL5的泛素連接酶的底物識別成分。卡波西氏肉瘤相關皰疹病毒（KSHV）編碼潛伏期相關核抗原（LANA），這是 CUL5-ElonginB/C 復合物的 SOCS-box 底物受體，其靶向腫瘤抑制因子VHL 和p53 進行降解。在關于CUL5與癌癥研究方面，在乳腺癌、肺癌、白血病均有文獻報道提示與CUL5的表達存在相關性。

6 CUL7

CUL7 是作為E3 泛素連接酶支架蛋白的Cullin 蛋白家族的成員。與Cullin 家族的其他成員，如CUL1、CUL3 和CUL4 一樣，CUL7 也是一個新的癌基因。CUL7 由 1 698 個氨基酸組成。CUL7 具有與FBXW8 結合和ROC1 結合相關的doc1 結構域和C-末端Cullin 結構域，有助于有絲分裂和細胞分裂［28］。關于CUL7 是如何組裝功能性泛素連接酶復合物的知之甚少，因為一個明確的范例還沒有定義。CUL7 基因敲除的小鼠有血管缺陷，表明CUL7 在細胞生長和血管形態發生中起著至關重要的作用［29］。有研究表明，CUL7 雙等位功能喪失突變被認為擾亂了有絲分裂和胞質分裂，導致了的表型［30］。CUL7 還能促進 E-cadherin 酶的表達。E-cadherin 酶是一種分泌型銅依賴性胺氧酶，能降解細胞外彈力蛋白和基質膠原交聯，促進腫瘤細胞增殖和侵襲遷移［31］。例如，在膠質瘤中，神經膠質瘤具有生長迅速、浸潤程度高的特征［32］。研究發現，CUL7 通過影響 MST1 泛素化和NF-KB 通路的激活促進膠質瘤細胞的增殖、侵襲和遷移［33］。在乳腺癌的Her2陽性乳腺癌的靶向治療中，Qiu N等［34］發現CUL7 通過降低IRS-1 絲氨酸磷酸化的表達水平和下調IGFBP-3 的表達，從而解除對IRS-1 酪氨酸磷酸化的阻斷和誘導IGF 途徑激活，增強PI3K/AKT 信號通路，誘導腫瘤干細胞樣特性和對曲妥珠單抗的耐藥性。CUL7 還被發現在食管癌［35］、大腸癌［36］、肝癌［37］等過度表達，促進了腫瘤細胞的侵襲和遷移。

7 CUL9

CUL9 是Cullin 家族中最大和進化上最年輕的成員，它是在脊椎動物出現后進化而來的，包含多個功能結構域。小鼠CUL9 缺失導致細胞核形態異常，DNA 損傷增加，在多個器官和組織自發發展的多種腫瘤中出現廣泛的非整倍體［38］。在人類細胞中，CUL9 的功能是維持 p21 的基礎表達和誘導表達以響應DNA 損傷所必需的。對于CUL9 在促進癌癥發生、發展、轉移過程中的作用還有待進一步發掘。

8 前景與展望

Cullin 家族作為復合物SCF 泛素連接酶中的一個亞基，作為支架參與泛素連接酶（E3）的構成，在蛋白泛素化過程中扮演著重要角色。盡管Cullin 家族已被證明以多種具有不同功能的底物為靶標，但在特定的細胞環境中，也有一些主要的底物決定了Cullin在腫瘤發生中的作用。然而，泛素領域的一個重要瓶頸是底物的識別，因為許多假定的底物受體已經被鑒定出來，但它們對應的底物仍有待確定。受體及其底物的分配將有助于揭示Cullin 介導的腫瘤發生機制。Cullin 家族在腫瘤發生中的密切參與表明，Cullin 介導的泛素化途徑是干預和預防腫瘤發生的有吸引力的靶點。隨著學術界和制藥行業對利用泛素途徑作為干預目標的興趣與日俱增，泛素組很有可能成為發現和開發抗癌和其他人類疾病的新療法的有吸引力的來源。