TSPAN7在癌癥、神經系統(tǒng)疾病、HIV、Ⅰ型糖尿病中的作用

龐 碩羅卓慧張連峰

(中國醫(yī)學科學院醫(yī)學實驗動物研究所,北京協(xié)和醫(yī)學院比較醫(yī)學中心,國家衛(wèi)生健康委員會人類疾病比較醫(yī)學重點實驗室,北京 100021)

四次跨膜蛋白(tetraspanin,TSPAN)是一個跨膜糖蛋白家族[1]。目前在哺乳動物中發(fā)現(xiàn)有33種TSPAN,黑腹果蠅中鑒定出37種,秀麗隱桿線蟲中鑒定出20種,在進化中高度保守[2]。TSPAN由4個跨膜結構域組成,分別為一個小的(a small extracellular domain,SEL)和一個大的細胞外環(huán)(a large extracellular loop,LEL)以及細胞內的N-和C-末端[3-4]。TSPAN在細胞膜形成TSPAN富集微域(Tspan-enriched microdomains, TEM)或TSPAN網,而發(fā)揮支架作用,參與多個生物過程,如遷移、細胞粘附、膜受體信號轉導、外泌體分泌和抗原呈遞[5]。

TSPAN7是TSPAN家族的一個成員,編碼的蛋白(又稱TM4SF2/TALLA-1/CD231)是一種249個氨基酸組成的細胞表面糖蛋白[5],在腦組織和胰腺中高度表達[6]。編碼TSPAN7的基因tspan7(又稱Tm4sf2)在人、小鼠和大鼠均坐落在X染色體上。

TSPAN7在多種細胞中發(fā)揮至關重要的作用,在腫瘤細胞中,TSPAN7作為一把雙刃劍,通過在腫瘤細胞中的表達改變發(fā)揮促進或抑制腫瘤的能力;在免疫細胞中,TSPAN7可以作為肌動蛋白成核和穩(wěn)定的正調控因子,參與DCs形態(tài)發(fā)生,從而在HIV-1感染過程中進行免疫調節(jié)[3,7];在神經細胞中,TSPAN7與C型激酶相互作用蛋白質1(protein interacting with C kinase 1,PICK1)直接作用調節(jié)α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異唑丙酸(alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid,AMPA) 受體的運輸,參與突觸傳遞和神經元形態(tài)發(fā)生[7];在胰島細胞中,TSPAN7通過調節(jié)β細胞的電壓依賴性Ca2+通道進而控制鈣(Ca2+)進入胰腺β細胞,影響胰島素分泌[8]。TSPAN7在不同組織細胞中發(fā)揮相應作用,在生理和病理條件下發(fā)生改變,參與腫瘤、精神疾病、Ⅰ型糖尿病等多種疾病的發(fā)生發(fā)展,因此,本綜述旨在匯總TSPAN7在相關疾病進程中的作用。

1 TSPAN7在癌癥中的雙刃劍作用

TSPAN家族的多種蛋白參與癌癥進程,能夠通過調節(jié)腫瘤細胞的增殖和轉移加重或是減輕癌癥的發(fā)展,同時還可通過改變細胞粘附、遷移或組織的侵襲能力參與癌癥發(fā)展[3]。其中TSPAN7在癌癥的發(fā)生發(fā)展中是一把雙刃劍,在一類腫瘤中表達升高,在另一類腫瘤中表達降低,發(fā)揮促進或抑制腫瘤的能力。

1.1 TSPAN7表達下調的腫瘤

在肝癌(liver cancer)、膀胱癌(bladder cancer, BCa)、透明細胞腎細胞癌(clear cell renal cell carcinoma, ccRCC)中,TSPAN7的表達呈現(xiàn)下降的趨勢,并有研究驗證TSPAN7能夠抑制腫瘤的發(fā)展。

胃癌、肝癌、結直腸癌和食管癌等消化道腫瘤在我國發(fā)病率較高[9],在對TSPAN7在胃癌、肝癌和腸癌3個消化道腫瘤中表達進行分析時發(fā)現(xiàn)肝癌患者肝組織以及肝癌細胞系HCC-LM3和HepG2肝癌細胞中TSPAN7的表達明顯下調,并且TSPAN7能夠明顯抑制HCC-LM3細胞的增殖、侵襲和轉移,同時在動物體內也證實TSPAN7在體內具有抑瘤作用,因此認為TSPAN7在肝癌細胞中具有抑癌作用,并且可能是肝癌的潛在生物標志物[10]。

膀胱癌是泌尿系統(tǒng)最常見的惡性腫瘤,預后差復發(fā)率高,研究發(fā)現(xiàn)TSPAN7在膀胱癌患者的膀胱組織和膀胱癌細胞系5637、T24和EJ細胞表達下調,并且TSPAN7的高表達與膀胱癌的高T分期和腫瘤分級呈負相關,TSPAN7高表達患者的生存期優(yōu)于低表達患者。隨后將膀胱癌細胞系過表達TSPAN7,發(fā)現(xiàn)TSPAN7可能是通過調控PTEN/PI3K/AKT通路的多個關鍵成分抑制膀胱癌細胞增殖、細胞周期進展、侵襲和凋亡,因此,恢復TSPAN7的表達成為膀胱癌的一種新的治療策略[11]。在透明細胞腎細胞癌中,TSPAN7基因表達越高,TSPAN7陽性血管數量越少,細胞浸潤和轉移越少,提示TSPAN7可能是一種腫瘤生長抑制劑,影響腫瘤進展和轉移[12]。

1.2 TSPAN7表達上調的腫瘤

在非小細胞肺癌(non-small cell lung cancer, NSCLC)、多發(fā)性骨髓瘤(multiple myeloma, MM)中,TSPAN7的表達呈現(xiàn)升高的趨勢,并有研究驗證TSPAN7能夠促進腫瘤的發(fā)展。

文獻報道TSPAN7在肺癌細胞中上調,其高表達與肺癌患者的不良預后密切相關,表明TSPAN7在肺癌中起致癌作用[13]。NSCLC是肺癌的主要類型,NSCLC腫瘤細胞侵襲組織以及轉移是目前導致患者死亡的最主要原因[13]。TSPAN7在非小細胞肺癌患者組織以及NSCLC細胞系H1299、H460、H292和A549細胞中呈高表達趨勢,TSPAN7表達較高的患者總體生存率明顯降低[14]。進一步研究針對NSCLC細胞中過表達TSPAN7,發(fā)現(xiàn)NSCLC細胞增殖明顯增加,E-cadherin表達減少,Vimentin和N-cadherin表達增加,促進細胞上皮間質轉化過程。NSCLC異種移植模型小鼠實驗進一步證實TSPAN7過表達促進NSCLC腫瘤生長,并與間質表型傾斜相關[14]。

MM是以來自患者骨髓的轉化漿細胞的克隆增殖為特征的第二常見血液學癌癥[15]。研究發(fā)現(xiàn)在MM患者骨髓中TSPAN7的表達增加[16]。但是在MM的小鼠模型中,TSPAN7過表達能夠限制腫瘤的進展,這與癌細胞對骨髓基質細胞更強的粘附性和跨內皮遷移能力的增加有關。

TSPAN7在不同腫瘤中的表達趨勢各不相同,在不同腫瘤中發(fā)揮促進或抑制腫瘤的作用(表1),可作為腫瘤的潛在生物標記物,用于癌癥的診斷和治療。

表1 TSPAN7在腫瘤發(fā)展進程中的作用Table 1 The role of TSPAN7 in the progression of tumors

2 TSPAN7在HIV-1感染過程中的免疫調節(jié)

樹突狀細胞是先天免疫系統(tǒng)的一部分,構成對病原體的第一層防御[17]。其主要功能是捕捉病原隨后將病原呈遞給T淋巴細胞,進而啟動先天和適應性免疫反應[18]。在HIV-1病毒感染時,肛門直腸和生殖器部位淋巴結內的DCs與HIV-1結合,進入體內環(huán)境并傳遞給T淋巴細胞,但在這個過程中,HIV-1病毒可能會進行逃逸,造成CD4+T淋巴細胞的感染[19-20]。為進一步探究其作用機制,有研究對人類單核細胞來源的DCs455個關于細胞器和膜轉運相關基因進行shRNA篩選,結果發(fā)現(xiàn)100多個基因在敲低時顯著影響HIV-1的感染[21],其中,TSPAN7可以作為肌動蛋白成核和穩(wěn)定的正調控因子,從而在維持樹突上的病毒顆粒、限制HIV-1內吞作用以及HIV-1有效轉移到T淋巴細胞過程中起重要作用[21]。

同時,在HIV-1蛋白Nef和Vpu感染后的人類T細胞系中,可能通過擾亂蛋白質的運輸,限制細胞表面TSPAN7的表達[22],并且進一步研究發(fā)現(xiàn)TSPAN7是Nef的互作蛋白,將TSPAN7摻入HIV-1病毒粒子包膜中可以降低其傳染性[23]。因此,TSPAN7是肌動蛋白成核和細胞骨架穩(wěn)定性的分子機制的關鍵,其分子機制的具體研究仍不完全,進一步研究對控制從樹突狀細胞到T淋巴細胞的HIV-1轉移極為重要,同時對膜突出和內吞途徑的生物學過程的研究也具有重要意義。

3 TSPAN7在神經系統(tǒng)疾病進程中的作用

3.1 X連鎖智力障礙

X連鎖智力障礙(X-linked intellectual disability/mental retardation,XLMR)是一類以智力障礙為主要臨床特征的遺傳性疾病,在男性中的發(fā)病率為1/600[24]。研究發(fā)現(xiàn),某些形式的X連鎖精神發(fā)育遲緩與TSPAN7缺失TM4和COOH末端的細胞質尾密切相關,其中主要原因是染色體平衡易位和過早終止密碼子[24-25]。后續(xù)有研究發(fā)現(xiàn)在體外神經刺激后,TSPAN7的mRNA表達上調,證明其在神經可塑性中發(fā)揮作用[26]。為進一步探究其機制,研究者通過對大鼠原代神經元進行過表達和敲低TSPAN7觀察其狀態(tài)的變化,發(fā)現(xiàn)TSPAN7過表達有利于絲狀偽足和樹突棘的形成,而TSPAN7的敲低降低脊柱穩(wěn)定性和頭部大小,抑制興奮性突觸發(fā)育,限制受體誘導的突觸傳遞[7]。其作用機制主要是由于TSPAN7通過其C端與PICK1蛋白的PDZ結構域相互作用,競爭性抑制PICK1與GluR2/3的結合,參與AMPA受體的轉運,進而影響AMPA受體的運輸以及谷氨酸突觸功能,同時有研究發(fā)現(xiàn)TSPAN7可以激活PKCα,使得胞內的PKCα轉位至細胞膜上,與PICK1相結合,磷酸化GluR2/3,導致在細胞膜上GluR2/3的定位不穩(wěn)定,引起AMPA受體的內化[27-28]。tspan7基因敲除小鼠同樣表現(xiàn)出海馬興奮性突觸結構和功能的改變以及認知障礙。因此,TSPAN7參與X連鎖精神發(fā)育遲緩的疾病進程。

3.2 自閉癥譜系障礙

自閉癥譜系障礙(autism spectrum disorders,ASD)和精神分裂癥(schizophrenia,SCZ)是兩種常見的神經發(fā)育綜合征,是環(huán)境和遺傳因素共同作用的結果[29-31]。對于這兩種疾病,男性比女性受影響更嚴重,這可能部分是由X相關的遺傳因素引起的[32]。因此,有研究直接測序ASD患者的111個X連鎖的突觸基因,研究發(fā)現(xiàn)自閉癥譜系障礙與TSPAN7的拷貝數變異密切相關[33]。同時tspan7基因突變的患者偶爾會被診斷為ASD[34]。另外有研究發(fā)現(xiàn)tspan7基因敲除小鼠出現(xiàn)ASD相關表型,在tspan7基因敲除小鼠呈現(xiàn)出社交減少,刻板行為增加、快感缺乏等狀態(tài),其外側僵核神經元表現(xiàn)出低興奮性、異常的神經元放電模式并且改變的鈉、鉀電壓門控離子通道功能[35]。其作用機制主要是由于tspan7敲除引起下游PKC過度活化,激活ERK/MAPK信號通路,磷酸化鉀離子電壓門控通道上的S616殘基,導致激活電壓向更強的超極化電位轉移,產生ASD樣表型。因此,TSPAN7參與自閉癥譜系障礙的疾病進程,是疾病檢測的潛在基因以及相關藥物開發(fā)的潛在靶點。同時TSPAN7還能與多巴胺D2受體相互作用,并通過增強多巴胺D2受體的內化降低其表面表達,負調控多巴胺能神經元信號傳遞[36]。TSPAN7也是運動性癲癇罕見拷貝數變異的基因[37]。

4 TSPAN7在Ⅰ型糖尿病中的作用

Ⅰ型糖尿病是一種自身的炎癥狀態(tài),其表現(xiàn)為胰島β細胞被CD4+/CD8+T淋巴細胞殺死,因此不再產生胰島素[38]。此類患者的一個臨床癥狀是存在自身抗體。TSPAN7在胰島細胞中表達,TSPAN7還可以通過調節(jié)β細胞的電壓依賴性Ca2+通道進而控制鈣(Ca2+)進入胰腺β細胞,影響胰島素分泌[8]用抗體與TSPAN7外部結構域結合,干擾其功能,直接導致β細胞的死亡或影響β細胞的功能[39],35%的Ⅰ型糖尿病患者中存在抗TSPAN7自身抗體,TSPAN7自身抗體已經作為Ⅰ型糖尿病檢測指標[39-40]。進一步研究發(fā)現(xiàn)TSPAN7的細胞質COOH端和NH2端被確定為自身抗原表位[41]。TSPAN7是Ⅰ型糖尿病中顯示為自身靶點的蛋白,對其如何影響胰島β細胞的相關機制以及藥物的研發(fā)有待深入研究。

5 結語

TSPAN7作為細胞表面的4次跨膜糖蛋白,目前的研究揭示,TSPAN7參與細胞內外信息與物質流的調控;調節(jié)細胞骨架和細胞運動;調節(jié)細胞形態(tài)等重要生物過程。TSPAN7與精神疾病、腫瘤、糖尿病、病毒感染等疾病密切相關。TSPAN7生理條件下的基因功能、與其相互作用的蛋白等方面有待深入研究,目前已有研究發(fā)現(xiàn)TSPAN7敲除小鼠可作為自閉癥和X連鎖的智力障礙的動物模型,由于TSPAN7在不同細胞中發(fā)揮不同作用,可以通過基因編輯技術構建條件性敲除tspan7基因構建相應的疾病模型。TSPAN7目前還發(fā)現(xiàn)是自閉癥和X連鎖智力障礙的風險基因,并且TSPAN7自身抗體已經作為Ⅰ型糖尿病檢測指標,隨著后續(xù)TSPAN7的深入研究,可以作為腫瘤、免疫、糖尿病、神經系統(tǒng)疾病等疾病檢測的診斷基因,并通過靶向TSPAN7治療其相關疾病。TSPAN7可以作為動物模型構建、疾病診斷、藥物干預治療的潛在新靶點。