调节端粒酶活性的信号转导途径研究进展.doc

调节端粒酶活性的信号转导途径研究进展左晶晶，张运东，刘仁东，汪德清 (湖北省随州市中心医院耳鼻咽喉科, 湖北 随州，441300)【摘要】端粒酶是真核生物染色体末端的核糖核蛋白结构，能引起染色体末端结构端粒的完全复制，维持端粒的长度。而端粒结构的变化与癌症的发生及某些衰老相关疾病密切联系。探讨调节端粒酶活性的信号转导途径及机制，将为癌症及人类衰老相关疾病的研究提供理论依据。本文就调节端粒酶活性的信号转导途径研究进展作一综述。【关键词】信号转导途径；端粒酶；端粒酶逆转录酶；雌激素【中图分类号】Q55；Q507 【文献标识码】A 【文章编号】Advances in the Study of Signal Transduction Pathways in the Regulation of Telomerase ActivityZUO Jing-jing. WANG Yan. Department of Otolaryngology-Head and Neck Surgery, the Peoples Hospital of Wuhan University, Wuhan, 430060, China【Abstract】Telomerase, a ribonucleoprotein, maintains telomeres length by extending telomeres in the end of eukaryotic chromosomes. The changes in the structure of telomeres are closely associated with the human cancer and aging-related disease. Exploring the mechanism of signal transduction pathways in the regulation of telomerase activity can provide theoretical basis for the study of human cancer and for the study of aging-related disease.【Key words】Signal transduction pathways；Telomerase；Telomerase reverse transcriptase；Estrogen作者单位：441300 湖北 随州，湖北省随州市中心医院耳鼻咽喉科作者简介：左晶晶（1983-），男，硕士，住院医师，主要从事喉部肿瘤学研究联系电话07223252031通讯作者：左晶晶（e-mail: ）人端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase，hTERT)能以端粒酶RNA（hTR）为模板，合成染色体末端的端粒重复序列（TTAGGG）n，补充随每次DNA复制而逐渐缩短的端粒1。在大多数人的体细胞中不能检测到端粒酶的活性，而在大约85的肿瘤细胞中端粒酶表现出较高活性，表明端粒酶的活化与肿瘤的形成和增殖密切相关2。细胞中端粒酶的活性受到细胞信号等多方面的调控，了解调节端粒酶的信号转导途径，有利于理解细胞在增殖、分化等方面的表现和调控方式，从而促进相关的人类疾病在诊断、治疗和预防等方面的研究。1 PI3K/AKT信号途径与端粒酶活性1.1 PI3K/AKT途径简介 磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）激活后在质膜上生成3，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇PI(3,4,5)P3，PIP3与细胞内含有PH结构域的信号蛋白AKT或PDK1(phosphoinositide dependent kinase-1)结合3，AKT结构中含有两个磷酸化位点：丝氨酸残基Ser473和苏氨酸残基Thr308，PDK1磷酸化Ser473、PDK2磷酸化Thr308均能激活AKT4,5。活化的AKT改变下游靶蛋白如Bad、NF-B、GSK-3等的活性, 调节细胞的增殖、分化和凋亡6。1.2 AKT与端粒酶 hTERT蛋白中丝氨酸残基(220GARRRGGSAS229)和(817AVRIRGKSYV826)能够被AKT活化7。大肠杆菌中表达的GST-AKT重组激酶在人黑色素瘤细胞中被活化，检测发现hTERT多肽磷酸化水平增高，说明hTERT是AKT的一个底物。分析AKT激酶底物如Bad和GSK3等的氨基酸序列，发现这些序列中丝氨酸残基具有同源性3，丝氨酸/苏氨酸残基可能是这些氨基酸序列被磷酸化的部位。Kang等7发现在缺乏血清的培养基中培养人黑色素瘤SK-MEL28细胞24小时后，细胞中端粒酶活性增加了两倍，同时观察到细胞中AKT激酶的活性和hTERT的磷酸化水平增高。运用PI3K抑制剂Wortmannin等处理细胞后发现端粒酶活性和丝氨酸/苏氨酸激酶相关，PI3K通过AKT引起hTERT的磷酸化可以增强端粒酶的活性。1.3 丝氨酸/苏氨酸激酶mTOR与端粒酶mTOR（the mammalian target of rapamycin，mTOR）调节细胞生长和增殖8，是AKT的直接靶点。mTOR调节两条不同的下游通路，包括4E-BP1真核起始因子4E(elF-4E)结合蛋白1和70S核糖体蛋白6S激酶(p70S6K)通路, 分别控制特定亚组的mRNA的翻译8。mTOR是雷帕霉素的靶蛋白9，雷帕霉素进入细胞后与胞内受体FKBP12蛋白（FK506-binding protein 12）形成复合物，该复合物可与mTOR的FRB（FKBP12-rapamycin binding)结构域结合而抑制mTOR的活性。Sarbassov等10发现雷帕霉素能够减少hTERTmRNA的水平，表明雷帕霉素能够抑制hTERT基因的转录。Bae-Jump等11认为雷帕霉素通过两个独立的途径发挥抗肿瘤效应：引起G1期细胞周期阻滞和抑制hTERT基因的转录而抑制端粒酶的活性。1.4 PTEN与端粒酶 l0号染色体PTEN（phosphatase and tensin homolog）基因编码的蛋白是具有双特异性的磷酸酯酶9，PTEN蛋白可将PI(3，4，5)P3中的3磷酸去磷酸化为PI(4，5)P2，从而导致PKBAkt失活。Zhou等12在PTEN阴性的Ishikawa子宫内膜癌细胞中重建PTEN表达后发现细胞中端粒酶和AKT的活性被抑制，认为PTEN抑制AKT的活性引起hTERTmRNA的水平降低，从而抑制端粒酶的活性。You等13运用反义hTERT和野生型PTEN腺病毒致染后在体外能显著抑制人神经胶质瘤U251细胞的增殖，细胞中的hTERT蛋白的水平和端粒酶活性降低，而这些细胞中的PTEN蛋白水平显著升高。表明反义hTERT和野生型PTEN腺病毒联合治疗能有效抑制细胞的生长。2 JNK信号途径与端粒酶活性c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）是丝裂原活化蛋白激酶（mitogen activated protein kinases，MAPKs）的一个亚族，JNK途径在细胞分化、凋亡及多种人类疾病的发生发展中起着重要作用14。2.1 JNK途径通过影响hTR而调节端粒酶活性 近年研究表明hTR水平的调节能够改变端粒酶的活性15。将hTR启动子基因转染至卵巢腺癌A2780细胞，JNK抑制剂SP600125处理细胞后，hTR启动子的活性增强，JNK信号可能抑制hTR启动子的活性。 MAPK途径可利用转录因子Sp1/Sp3调节基因的表达，Sp1活化hTR启动子，而Sp3抑制hTR启动子。Bilsland等15发现MEKK1（mitogen activated protein kinase inase kinase）和Sp3共转染A2780引起hTR水平明显降低，推测MEKK1和Sp3可能共同作用抑制hTR启动子。在活体内JNK信号抑制能够引起hTR启动子区域Sp1和Sp3的比例发生变化，通过提高Sp3的水平而抑制hTR启动子的表达。2.2 JNK途径通过影响hTERT而调节端粒酶活性 Alfonso-De等16报道在卵巢表面上皮细胞中PI3K下游的靶蛋白JNK可增强端粒酶的活性，JNK能够活化融合在hTERT启动子序列的一个报告基因的转录。JNK激活c-Jun使c-Jun结合于hTERT启动子区域的转录因子AP1，而调节hTERT的表达。潜伏性膜蛋白1（Latent membrane protein 1，LMP1）是EB病毒编码的蛋白中具有致癌特性的蛋白。LMP1通过活化NF-kB、SEK/JNK/AP-1等信号途径参与细胞的增殖、分化和凋亡17。Ding等18将全长的LMP1cDNA转染到EBV阴性和LMP1阴性的鼻咽癌CNE1和HNE2细胞中，发现LMP1能够上调hTERT启动子的活性。在LMP1阳性细胞中LMP1能够引起JNK和c-Jun蛋白的磷酸化，表明LMP1能够激活JNK激酶级联反应。LMP1通过JNK途径诱导hTERT启动子的表达而增强端粒酶的活性。3 转录因子NF-kB与端粒酶活性NF-kB(nuclear factor-kB)以非活性形式存在于细胞质，与抑制因子IkB（inhibit kB）结合而被调节19。上游信号使IkB磷酸化时，NF-kB被释放出来并向核内迁移，激活靶基因的转录。3.1 LMP1与端粒酶 蛋白质序列分析发现LMP1的羧基端有两个结构域CTAR1(carboxy-terminal activating region 1)和CTAR219。LMP1通过2条途径磷酸化IkB而活化NF-kB，一是CTAR1结合肿瘤坏死因子受体相关因子（TRAFs），使IkB磷酸化而介导约25的NF-kB活化19；二是CTAR2结合肿瘤坏死因子受体相关死亡区（TRADD）介导75的NF-kB活化20。晚近研究显示NF-kB介导的CTAR1的作用只能启动细胞增殖而不能维持增殖，CTAR2才是维持细胞增殖的功能区域21。hTERT的磷酸化和核转位可调节端粒酶的活性。LMP1通过NIK/IKK/IkB信号途径介导NF-kB p65从胞质转位到胞核，进而调节端粒酶的活性22，Ding等19报道鼻咽癌细胞中LMP1诱导hTERT结合于NF-kB p65，并诱导这两种蛋白从胞质转位至胞核，上调端粒酶的活性。hTERT在EB病毒阴性细胞的胞质和胞核中都表达，在LMP1的调节下，hTERT集中在胞核中表达。3.2 肿瘤坏死因子（TNF）与端粒酶3.2.1 TNF对端粒酶的正调节作用 Akiyama等23利用TNF培养外周血淋巴细胞2h后端粒酶的活性从胞质转位到胞核，NF-kB的抑制剂SN-50阻断了NF-kB诱导的端粒酶活性核转位，进一步研究发现SN-50和Wortmannin抑制了NF-kB诱导的hTERT蛋白的核转位。表明TNF诱导细胞中端粒酶活性的核转位与PI3K/AKT/NF-kB的活化有关，进而发挥抗凋亡和DNA修复功能。3.2.2 TNF对端粒酶的负调节作用 Beyne-Rauzy等24发现TNF引起神经鞘磷脂的水解和神经酰胺的产生，并激活JNK，抑制hTERT基因的表达。该结果与JNK是表皮细胞hTERT基因的一个活化因子不一致16，提示JNK对hTERT的调节可能具有细胞特异性。4 雌激素与端粒酶Kyo等25发现hTERT基因启动子区域有两个雌激素反应元件（estrogen response element，ERE），其中之一位于翻译起始位点上游-2754处，可结合雌激素及其受体。将这一反应序列克隆入基因载体中，经雌激素作用后hTERT基因启动子活性增强近10倍。另外一个反应元件位于hTERT基因调节区上游-950bp处，这一位点同时包含Sp1识别序列和ERE，是否允许Sp1和雌激素对hTERT基因进行协同调节有待进一步证实。4.1 雌激素与端粒酶 Kimura等26报道17-雌二醇（E2）可诱导人卵巢癌Caov-3细胞中端粒酶的活性和hTERT的表达，认为E2通过ERE依赖性机制和PI3K/AKT/NF-kB级联反应激活hTERT的转录，在翻译后促使AKT磷酸化而引起hTERT磷酸化，而增强端粒酶的活性。4.2 雷洛昔芬与端粒酶 雷洛昔芬是选择性雌激素受体调节剂，它对乳腺及子宫内膜具有抗雌激素样的作用,而在骨组织中呈现雌激素样活性。抗雌激素样的作用：Kawagoe等27发现雷洛昔芬可抑制人乳腺癌MCF-7细胞中由E2上调的端粒酶活性和hTERT的水平。雷洛昔芬在转录水平通过ERE依赖性机制和PI3K/AKT/NF-kB级联反应抑制hTERT的转录，在翻译后通过抑制hTERT磷酸化并与NF-kB作用而下调端粒酶的活性。雌激素样的作用：在人脐静脉内皮细胞中雷洛昔芬通过雌激素受体（ER）和ER增强细胞中端粒酶的活性和hTERT表达28，并引起了AKT、hTERT和IkB的磷酸化。雷洛昔芬通过增强hTERT的转录，在翻译后促使AKT和hTERT磷酸化，并改变hTERT与NF-kB的联系而上调端粒酶的活性。5 p16INK4A/Rb/E2F1信号途径与端粒酶活性p16INK4A/Rb/E2F1信号途径的失活与人类细胞的永生化密切相关18，肿瘤细胞中p16INK4A被灭活引起Rb的磷酸化和失活。5.1 p16INK4A与端粒酶p16INK4A、Rb的失活与端粒酶活性是使人上皮细胞永生化的必要条件29。在鼻咽癌细胞中LMP1能够促使形成c-Jun/Jun B异源二聚体，该二聚体直接下调p16INK4A启动子的活性，并促使Rb的磷酸化，同时上调E2F1的表达而增强端粒酶的活性。5.2 E2F1与端粒酶 已经鉴定出在hTERT启动子的转录起始区域有三个假定的E2F结合位点，提示E2F可能作用于hTERT启动子而调节hTERT基因的转录30。E2F1在体外和体内具有致癌特性，Ding等18发现鼻咽癌CNE1细胞中的E2F1过表达能够上调hTERT启动子的活性，认为LMP1通过激活p16INK4A/Rb/E2F1信号途径而增强hTERT启动子的活性，从而增强端粒酶的活性。但E2F1能够诱导凋亡，它可能是一个肿瘤抑制因子。在一些人体细胞中E2F1的异常表达抑制了hTERT启动子SP1的活化，而使hTERT启动子的活性减弱。Alonso等30发现E2F1的异常表达抑制了癌细胞中hTERT启动子的活性，E2F1的表达情况与患有恶性脑部肿瘤患者的存活率有显著相关性。E2F1引起hTERT启动子的活性出现不同的变化，可能是由于E2F1结合在hTERT启动子转录起始区域不同的E2F1结合位点上，或者是由于hTERT启动子区域E2F1结合位点和Sp结合位点之间的竞争引起，也可能是细胞的系别特异性造成的18。6 展望本文总结了目前PI3K/Akt等信号途径调节端粒酶活性的分子机制，这些途径中的许多具体机制仍不明确。是否存在其他的未知信号途径也需进一步研究。随着细胞与分子生物学的发展、新技术新方法的引入以及其他学科向信号通路研究领域渗透，相信不久的将来人们对这些信号通路与端粒酶的联系必定会有更清晰的认识。参考文献1Lee BJ, Lee BH, Wang SG, et al. 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