磷酸酶和肌動蛋白調節因子1的研究進展

趙 唯，楊文瓊

磷酸酶和肌動蛋白調節因子家族(protein phosphatase actin regulators，PHACTRs)是在大腦中表達的一類新型蛋白質，由PHACTR1～PHACTR4組成，最初被發現與蛋白磷酸酶1(protein phosphatase 1，PP1)和G-actin相互作用并調節其活性。PHACTR1和PHACTR3在成熟神經元中高表達，而PHACTR2在神經元中表達較少，PHACTR4伴隨大腦發育過程在神經干細胞中表達。PHACTR2與帕金森病密切相關；PHACTR3可抑制軸突發育，通過肌動蛋白重構和PP1信號通路影響腫瘤細胞形態，其突變在非小細胞肺癌中可促進腫瘤細胞快速生長；PHACTR4在增殖的神經上皮細胞中富集，通過調節細胞周期和PP1活性參與神經管發育，且通過RHO/RHO相關的盤繞蛋白激酶(ROCK)途徑負調控整合素信號，協調PP1和cofilin活性調節腸神經嵴細胞的定向遷移。PHACTRs過表達時，均導致細胞形態改變從而影響細胞運動。目前關于PHACTR1的研究多集中于基因表達及其多態性與相關疾病發生風險。現綜述PHACTR1的結構、功能及其與相關疾病的關系，以期為疾病的分子診斷、靶向治療及發生發展機制的研究提供參考。

1 PHACTR1的結構與功能

PHACTR1基因位于6p24.1染色體上，由20個外顯子和19個內含子組成。N-端包括核定位信號和RPEL區域，C-端含有3個RPEL區和PP1結合區。RPEL區域與G-actin相互作用，通過調節PHACTRs細胞內定位，在調節細胞形態和運動中具有關鍵作用[1-2]。PHACTR1可編碼484個氨基酸，包括預測的8個蛋白激酶A(PKA)磷酸化位點和7個蛋白激酶C(PKC)位點，這些位點在PHACTR1分子的N-端和C-端的重復RPEL序列附近聚集成兩組，這些位點的磷酸化可能改變細胞骨架的功能，從而調控PP1底物進而發揮作用[3]。PP1是一種多功能酶，參與細胞周期、蛋白質合成、肌肉收縮、碳水化合物代謝、轉錄和神經元信號傳導等過程。PP1在神經系統中具有調節突觸活性和樹突形態的作用，PHACTR1可有效調節PP1活性，其機制可能是PP1直接作用于與肌動蛋白細胞骨架相關的神經元底物。因此，進一步研究確定PHACTR1蛋白分子相互作用的結構和功能，有助于設計干預策略以明確這些復合物在控制神經元功能方面的作用。

PHACTR1位于一個高度保守的基因組區，PHACTR1在血管形成、內皮細胞凋亡、氧化應激與炎癥等方面發揮著作用。Allain等[4]研究表明，PHACTR1通過神經介素-1(neuropilin-1，NRP-1)和血管內皮生長因子受體1(vascular endothelial growth factor regulator 1，VEGF-R1)共同促進血管的形成和維持，NRP-1和VEGF-R1減少可抑制PHACTR1 mRNA表達，而NRP-2和VEGF-R2對其無影響。Jarray等[5]將PHACTR1描述為由VEGF-a165誘導在人內皮細胞中表達的基因，并發現PHACTR1表達依賴于VEGF-a165，PHACTR1缺失可顯著減少血管形成。斑馬魚體內PHACTR1基因下調導致血管擴張[6]，這些證據均支持PHACTR1在血管結構和功能中發揮關鍵的病因作用。PHACTR1缺失通過誘導死亡受體4(death receptor，DR4)、死亡受體5(DR5)和Fas等受體、Fas相關死亡功能域(Fas-associated death domain，FADD)蛋白、凋亡相關蛋白(Bad和Bax)過表達，從而誘導細胞凋亡。人內皮細胞中的PHACTR1-siRNA能激活Caspase-3，在內源性凋亡途經和外源性凋亡途徑中發揮作用，進而加速細胞凋亡[5]。Jing等[7]通過敲除小鼠腦毛細血管內皮細胞PHACTR1基因發現，PHACTR1可抑制內皮細胞增殖和遷移，促進細胞凋亡，調節基質金屬蛋白酶(matrix metallopeptidase，MMP)2、MMP9和凋亡相關蛋白(Bax、Bcl-2)，為研究PHACTR1能否作為腦微血管疾病的診斷和治療靶點奠定了基礎。Zhang等[8]研究表明，PHACTR1通過與心肌素連接轉錄因子(myocardin-related transcription factor A，MRTF-A)相互作用減輕p65和核轉錄因子κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)的核積聚，從而減輕人冠狀動脈內皮細胞氧化應激和炎癥反應。Yang等[9]通過轉染靶向PHACTR1的siRNA抑制其表達，發現PHACTR1沉默可降低人冠狀動脈內皮細胞存活率。總之，PHACTR1在調控血管形成和內皮細胞存活中發揮著重要作用。

2 PHACTR1基因表達與臨床意義

2.1 PHACTR1與心血管疾病

2.1.1 PHACTR1與冠心病 冠心病是冠狀動脈粥樣硬化病變引起的血管腔狹窄或阻塞，進而導致心肌缺血、缺氧或壞死的心臟病，盡管已進行積極預防，但發病率仍較高。Reschen等[10]通過免疫組化方法發現，PHACTR1在動脈粥樣硬化斑塊中的巨噬細胞、載脂泡沫細胞、內皮細胞中高表達，是一個關鍵的動脈粥樣硬化候選基因，與之前小鼠腦內發現的長轉錄本不同，動脈粥樣硬化細胞模型發現了中轉錄本、短轉錄本，其表達方式各有差異，為研究PHACTR1在神經系統外的作用提供了較多可能性。多項研究表明，PHACTR1與冠心病發生風險相關，PHACTR1 rs9349379 GG基因型使內皮細胞和血管平滑肌細胞(vascular smooth muscle cell，VSMC)中的內皮素1(endothelin-1，ET-1)基因和其蛋白產物表達增加，而ET-1為有效的血管收縮內源性調節因子，與內皮功能障礙和血管收縮有關，其過表達可加速動脈粥樣硬化，這可能是PHACTR1 rs9349379 GG基因型導致冠心病風險增加的可能原因之一[11-13]。有研究指出，PHACTR1 rs9349379定位于心肌細胞增強因子2(myocyte enhancer-factor 2，MEF-2)，而MEF-2在心臟和肌肉發育過程中發揮著重要作用，內皮細胞中MEF-2參與內皮細胞的發育和形成[14]，PHACTR1 rs9349379單核苷酸多態性(single nucleotide polymorphisms，SNP)通過破壞MEF-2結合位點參與冠心病發病[15]。PHACTR1 rs9349379通過調節人冠狀動脈中內皮細胞或血管平滑肌細胞中PHACTR1轉錄產物表達，可一定程度影響冠心病的發生發展[16]。總之，PHACTR1基因在冠心病發生和發展中可能通過阻礙正常的內皮功能和分化程序發揮作用。全基因組關聯研究(genomic wild association study，GWAS)表明PHACTR1是冠狀動脈狹窄的主要決定因素，PHACTR1基因第4個內含子上rs12526453位點的SNP與早發性心肌梗死有一定相關性，PHACTR1可能通過直接促進動脈粥樣硬化發展導致心肌梗死[17]。Szpakowicz等[18]研究顯示，含有rs12526453 CC純合子的心肌梗死小鼠可較好地長期生存。由此可見，PHACTR1影響心肌梗死的發生及預后。

2.1.2 PHACTR1與高血壓 高血壓發病機制復雜，包括基因調控、中樞神經系統功能失調、巨噬細胞極化、腎素-血管緊張素-醛固酮系統和交感神經系統激活、腎臟損傷等。Fujimaki等[19]通過研究與冠狀動脈疾病相關的29個遺傳位點的SNP發現，PHACTR1 rs9369640、 SMARCA4 rs1122608、PSRC1 rs599839位點與高血壓發病有關，其中T、G、C這3種等位基因對其有保護作用。Gupta等[20]應用來源于干細胞并經CRISPR/cas9編輯的內皮細胞顯示，PHACTR1 rs9349379能調節其上游600 kb處ET-1基因表達，內皮細胞可增強ET-1基因轉錄從而增加ET-1表達。ET-1主要由內皮細胞產生，以旁分泌方式通過血管平滑肌細胞介導的血管收縮、重塑和增殖，促進動脈粥樣硬化斑塊形成。ET-1可能是通過與內皮素B(ETB)受體結合產生一氧化氮(NO)和前列環素舒張血管，進而降低血壓[21]。因此，PHACTR1在高血壓病發生機制可能通過影響ET-1發揮作用。

2.2 PHACTR1與神經系統疾病

2.2.1 PHACTR1與偏頭痛 關于偏頭痛發病機制的學說眾多，主要包括血管學說、神經元學(皮質擴散抑制學說、三叉神經血管學說)、炎癥介質學說等。偏頭痛病人存在不同程度腦結構和功能異常及相關基因遺傳易感性，并有學者相繼提出中樞神經系統學說及基因遺傳學說。偏頭痛基因遺傳方式主要分為單基因遺傳和多基因遺傳，多基因遺傳又分為全基因組關聯分析及候選基因兩個方面。Gormley等[22]進行的GWAS確定了38個偏頭痛易感基因位點，其中有7個(RNF213、PRDM16、PHACTR1、LRP1、TGFBR2、GJA1HEY2和JAG1)既往研究已明確與血管疾病有關，4個(MRVI1、GJA1、SLC24A3和NRP1)參與平滑肌調節，6個(PRDM16、GJA1、YAP1、LRP1、REST和MRVI1)與NO信號和氧化應激有關。有研究顯示，PHACTR1 rs9349379位點與無先兆偏頭痛有關，這種多態性表達可能與調節腦血管張力有關[23]。PHACTR1 rs9349379 G等位基因導致偏頭痛風險降低的機制可能是PHACTR1導致END1高表達，從而使ET-1與VSMC上內皮素A(ETA)受體結合引起血管收縮，降低偏頭痛風險[20]。

2.2.2 PHACTR1與West綜合征 West綜合征又稱為嬰兒痙攣征，通常發生在嬰兒出生的第1年，具有3個特征：癲癇性痙攣發作、腦電圖高峰節律紊亂和運動心理發育障礙。West綜合征有多種病因，基因異常導致皮質生成紊亂和異常突觸功能認為是其發病機制和病理生理的主要因素。Hamada等[24]研究顯示，PHACTR1突變在腦發育過程中引起皮層神經元的形態和功能缺陷，因此推測PHACTR1是大腦發育過程中皮質神經元遷移和突觸網絡形成的關鍵支架。有研究表明，PHACTR1與Slack相互作用導致兒童癲癇并伴有嚴重發育遲緩突變的Slack通道中完全消失[25]，說明該通道能對正常神經元發育具有重要作用。PHACTR1與KCNT1 Slack通道相互作用[26]，PHACTR1的解離可能調節Slack通道磷酸化，從而提供信號將神經元的興奮性與下游信號通路聯系起來。進一步研究表明，PHACTR1通過PP1調節KCNT1 Slack通道[27]，因此，靶向Slack-PHACTR1相互作用有助于開發與Slack通道功能障礙相關腦疾病的新療法。

2.3 PHACTR1與腫瘤

2.3.1 PHACTR1與乳腺癌 乳腺癌是女性常見的惡性腫瘤，是癌癥引起死亡的第二大原因，轉化生長因子β(transforming growth factor β，TGF-β)是乳腺癌進展的一個主要因素。TGF-β與癌癥發生、炎癥性疾病和自身免疫性疾病有關。Fils-Aimén等[28]研究顯示，TGF-β使乳腺癌細胞miR-584表達減少，同時誘導PHACTR1表達增加，進而導致肌動蛋白重排和乳腺癌細胞遷移。由此猜測，能否通過miR-584過表達和PHACTR1基因敲除，減少TGF-β誘導的細胞遷移，從而延緩乳腺癌進展，有待進一步驗證。

2.3.2 PHACTR1與黑色素瘤 黑色素瘤是最具侵襲性和致命性的人類癌癥之一，疾病早期進行手術切除可治愈，但化療、生物療法和免疫療法對晚期黑色素瘤無效。黑色素瘤的發病機制是一個復雜過程，包括基因突變、酶和許多分子。基于目前對黑色素瘤發病機制的認識，相關通路包括絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)、蘇氨酸蛋白激酶(BRAF)、腎素-血管緊張素系統(RAS)、酪氨酸激酶(c-KIT)、磷脂酰肌醇3-激酶/磷酸酯酶與張力蛋白同源物/絲蘇氨酸激酶(PI3K/PTEN/Akt)、小眼畸形相關轉錄因子(MITF)、肝細胞生長因子受體(c-MET)和肝細胞生長因子(HGF)等[29]。通過逆轉錄聚合酶鏈反應(RT-qPCR)方法檢測黑色素瘤與痣基因差異性表達發現，黑色素瘤中PHACTR1、人白細胞抗原A(HLA-A)、人白細胞抗原B(HLA-B)、黑色素瘤特異性抗原(PRAME)、信號轉導與轉錄激活因子1(STAT1)、淋巴細胞胞漿蛋白2(LCP2)表達較高，而多效生長因子(PTN)、L1細胞黏附分子(L1CAM)同源基因、谷胱甘肽過氧化酶3(GPX3)、重組脂肪酸結合蛋白7(FABP7)、核糖體蛋白L12(RPL12)、肝癌缺失基因1(DLC1)、新生肽關聯復合體α肽(NACA)和谷胱甘肽硫轉移酶mu亞基(GSTM2)表達均較低[30]。上述研究可識別關鍵基因，深入了解黑素細胞生物學和黑素瘤的發病機制，對設計和開發靶向治療和免疫治療具有重要的臨床意義，以使該疾病病人的治療取得實質性突破。

2.4 PHACTR1與其他相關疾病

2.4.1 PHACTR1與頸動脈夾層 頸動脈夾層是青年缺血性腦卒中的主要原因，一般人群中相對少見，年發病率為2.6/10萬，輕微的頸椎外傷、感染、偏頭痛、高血壓是危險因素。Debette等[31]通過GWAS研究首次發現PHACTR1 rs9349379位點上的G等位基因與較低的頸動脈夾層發病風險相關。頸動脈夾層形成機制尚不明確，血管壁薄弱可能是導致夾層形成的原因，ET-1對血管平滑肌細胞的促生長作用可降低夾層形成的風險[20]。與正常頸動脈組織相比，動脈粥樣硬化組織PHACTR1表達較低，但動脈粥樣硬化組織和正常頸動脈組織ET-1表達無差異[32]。因此，了解這個位點是影響關鍵血管功能的機制，對治療這些嚴重的致殘性疾病可能有較大的應用價值。

2.4.2 PHACTR1與纖維肌性發育不良 纖維肌性發育不全是一種非動脈粥樣硬化性、非炎性血管疾病，導致狹窄、動脈瘤、夾層和中等大小動脈閉塞，尤其是腎和腦血管外動脈，纖維肌性發育不全主要表現為高血壓、短暫性腦缺血發作和腦卒中。纖維肌性發育不全的發病機制尚不明確，目前證據支持基因起源的觀點。Kiando等[6]確定了纖維肌性發育不全的第1個遺傳易感性位點，發現PHACTR1 rs9349379位點使纖維肌性發育不全患病風險增加約40%。纖維肌性發育不全由多個部位(包括冠狀動脈和腎動脈)的血管平滑肌細胞生長異常引起，通過增強ET-1促進平滑肌運動，從而解釋了PHACTR1 rs9349379 G等位基因降低纖維肌性發育不全的發生風險[20]。免疫組化染色發現，PHACTR1在正常頸動脈和纖維肌性發育不全頸動脈中內皮細胞和平滑肌細胞均有表達，正常頸總動脈染色以細胞質為主，排列規則，纖維肌性發育不全頸總動脈中膜細胞結構紊亂，表明PHACTR1可能具有多種功能，取決于動脈粥樣硬化的細胞類型和程度[6]。這些研究為支持PHACTR1作為纖維肌性發育不全的第一易感位點提供了遺傳學和功能證據。對這一位點進一步功能分析并通過全基因組關聯的全面遺傳學研究為纖維肌性發育不全的治療提供了依據，有助于了解非動脈粥樣硬化性動脈狹窄的發病機制。

3 小 結

近年來，PHACTR1與各類疾病的關系已成為研究熱點，許多疾病均存在PHACTR1表達。隨著PHACTR1在各類疾病中的深入分析，其在心血管疾病中的相關作用已得到初步研究證實，但具體的分子機制及其與其他相關疾病的發生發展的關系需大量的基礎研究進一步探討。PHACTR1不同位點、不同等位基因在不同疾病中的作用不同，需進一步探討PHACTR1的多重性機制，可能為某些致殘疾病的生物學基礎提供重要信息，以期為臨床疾病的診斷和治療提供依據。