前列腺癌相关因子的SUMO化

细胞内存在多种蛋白质共价修饰方式,如磷酸化、乙酰化、泛素化、甲基化等,它们都对蛋白质发挥正常的生物学功能起着重要作用。其中泛素化(ubiquitylation)是介导蛋白质降解的重要方式之一,它通过将76个氨基酸的泛素(ubiquitin,Ub)结合到靶蛋白上,形成多聚泛素链,被蛋白酶体识别。SUMO(small ubiquitin2related modifier)是一种广泛存在于真核生物中十分稳定的蛋白质家族,在脊椎动物中有3个成员,SUMO21、SUMO22和SUMO23是类泛素蛋白家族的重要成员之一,可与多种蛋白结合发挥相应的功能,其分子结构及SUMO化反应途径都与泛素类似,但两者功能完全不同。SUMO化修饰可参与转录调节、核转运、维持基因组完整性及信号转导等多种细胞内活动,是一种重要的多功能的蛋白质翻译后修饰方式。

SUMO化修饰功能的失调可能导致某些疾病的发生。与泛素化的修饰系统相似,SUMO共价连接到靶蛋白上也需要一系列酶的级联反应,这个过程包括一个异二聚体的活化酶E1,而Ubc9作为结合酶E2去识别特异的靶蛋白位点,并且不同的连接酶E3对于SUMO的转换和底物识别也是必需的。与泛素化靶向降解蛋白质不同,SUMO化修饰参与了更为广泛的细胞内代谢途径,在调控蛋白质的稳定性,蛋白与蛋白之间的相互作用,转录活性以及细胞定位等方面均发挥着重要的作用。SUMO化的一个重要作用就是促进转录因子与共抑制因子之间的相互作用,在大多数情况下,转录因子的SUMO化修饰都会引起它们转录活性的抑制。近年发现能被SUMO化修饰的转录因子和转录辅助因子的数量剧增,其中包括与前列腺癌相关的雄激素受体(AR),转录因子c2Jun,转录辅助因子p300、AIB1、组蛋白脱乙酰酶(HDACs)等,说明这种翻译后的化学修饰在基因转录调控中起非常重要的作用,与肿瘤的发生、发展密切相关。SUMO化修饰是一个动态可逆的过程,将SUMO从靶蛋白上去除,称之为去SUMO化,这是SUMO特异性蛋白酶(SENP)的主要功能。

在哺乳动物中,SENP主要有5种,其中SENP1是细胞核蛋白,能对多种SUMO化修饰的蛋白进行去SUMO化。SENP2是核膜相联的蛋白酶,与SENP1具有相似的活性。SENP3和SENP5存在于核仁中,由于这2种核酶间的同源程度较高,而且它们的底物特异性也相似,倾向于把它们归为一个单独的SUMO特异性蛋白酶亚家族。SENP6主要在胞质中被发现,对它还知之甚少。不同的酶对不同的SUMO可能有一定的特异性或偏好性,SENP3和SENP5作为核仁SENP家族成员,偏好作用于SUMO22P、SUMO23修饰的靶蛋白。虽然SENPs所具有的去SUMO化功能得到了很好的验证,但每种SENP的特异性以及SENP家族所具有的生物相关性还有待于进一步研究。SUMO化只是近几年才发现的一种新的修饰方式,在基因转录调控的机制上,尤其是与肿瘤发生、发展的相关性还不十分清楚。因为SUMO化和脱SUMO化是一个动态的可变过程,有必要对这两个过程给予相同的关注。最近的研究发现,SENP1在前列腺癌中高表达,而且雄激素能诱导SENP1的表达,表明SENP1与前列腺癌的发生、发展密切相关。

前列腺癌相关因子的SUMO化

SUMO化修饰绝大多数发生在细胞核内,且作用的底物是一些能调控基因转录的重要因子,与肿瘤相关的核受体如雄激素受体(AR)、糖皮质激素受体(GR)、孕酮受体(PR)等转录因子,都被报道是SUMO化修饰的底物。SUMO化修饰位点存在于它们的抑制区域,即所谓的协同调控区域,SUMO化修饰能削弱或者抑制它们的转录活性。而与前列腺癌相关的AR,其386、520位的赖氨酸残基是SUMO化修饰的靶位点,这些位点的突变会增加AR的转录活性,研究表明SUMO化修饰与AR转录活性的抑制有关。转录因子c2Jun在许多肿瘤组织中均高表达,与前列腺癌的发生、发展密切相关,它的229和257位的赖氨酸残基能与SUMO结合,这种修饰作用抑制了c2Jun的转录活性。AR和c2Jun可以与多种转录辅助因子相互作用,已经发现多种AR的转录辅助因子可被SUMO化修饰。辅激活因子AIB1具有3个SUMO化修饰位点,2个主要的位点被定位在与核受体相互作用的核受体核内,研究证明SUMO化修饰能降低AIB1的转录活性,突变SUMO化修饰位点能增加AIB1的转录活性,p300也是一个辅激活因子,它存在1个称为CRD1的结构域,能强烈地抑制转录。CRD1结构域的功能并不依赖p300的组蛋白乙酰转移酶活性区域,但却能抑制其的转录活性。有研究表明,SUMO化修饰对于CRD1依赖的转录抑制是必需的,突变CRD1结构域内的2个SUMO化修饰位点,会减弱CRD1结构域的转录抑制作用。因此,SUMO化修饰提供了调控p300功能的一个新的机制,并为调节AR、c2Jun的转录活性找到了一种新的方法。转录抑制因子HDAC1和HDAC4也能被SUMO化修饰。HDAC1的SUMO化修饰能增加它的去乙酰化酶活性,同时又增强其转录抑制活性,突变2个SUMO化修饰位点会大大减弱HDAC1介导的转录抑制,而SENP1去除HDAC1的SUMO化修饰后,AR的转录活性增强。因此,SUMO对HDAC1的翻译后修饰有利于其对AR介导的转录抑制。HDAC4也能被SUMO化修饰,突变HDAC4上的SUMO化位点赖氨酸能降低它的去乙酰化酶活性和转录抑制活性。此外,转录抑制因子Daxx结合到AR的N端结构域时,需要AR的SUMO化,当突变AR的SUMO化修饰位点不能被修饰时,Daxx则不能抑制AR的转录活性。而核受体的配体结合域(LBD)内的SUMO化,可防止转录抑制因子NCoR复合物从信号响应启动子上去除,表明SUMO化的一个重要作用可能是促进转录因子AR与共抑制因子之间的相互作用,从而使AR的转录活性被抑制。

SENP1增强AR、c2Jun的转录活性

通过SENP1的去SUMO化功能,利用荧光素酶报告基因,可检测SENP1对AR和c2Jun转录活性的调节作用。有趣的是,突变AR上的两个SUMO化修饰位点并没有影响SENP1的转录激活作用,表明SENP1对AR转录活性的增强并不是通过对AR的去SUMO化来实现的。有研究发现,SENP1极大地增强了AR的转录活性,这一结果依赖于AR配体的存在,而且SENP1的催化活性对于这一作用是必需的,因为SENP1的非活性突变体(R630L和K631M)对AR的转录活性并无影响,而其他类型的SENP对AR的转录活性则没有明显的影响。随后的研究发现,在AR转录激活的过程中,SENP1的主要作用靶蛋白是HDAC1,HDAC1的SUMO化对于它的转录抑制是必需的,因为将HDAC1的SUMO化位点突变时,它不仅失去了去乙酰化的活性,还丧失了抑制转录的功能。因此,当SENP1不存在时,AR的转录处于低水平状态,这主要是因为HDAC1的抑制作用;而当SENP1存在时,HDAC1被去SUMO化,从而失去了其去乙酰化酶活性以及抑制转录的能力,使AR的转录活性在高水平状态下进行。SENP1还能显著增强c2Jun的转录活性,并且这种转录活性的提高依赖于SENP1的去SUMO化。进一步研究发现,p300对于SENP1增强c2Jun的转录活性是必须的,由于SENP1能够对p300的CRD1结构域进行去SUMO化作用,从而解除了CRD1结构域对p300的转录抑制作用。SENP1调控转录因子AR、c2Jun的转录活性,可能也在其他相关的肿瘤发生、发展过程中扮演着重要的角色。

SENP1与前列腺癌

SENP1在AR和c2Jun介导的转录过程中是作为一种强的辅激活因子,这促使我们去探究SENP1在前列腺癌发生、发展中的潜在功能。实验证明:SENP1的沉默确实使细胞周期蛋白D1的表达减少,而稳定转染SENP1使细胞周期蛋白D1的表达增加,并使细胞增殖加强。细胞增殖依赖于SENP1所诱导的细胞周期蛋白D1的表达,这种通过SENP1调节细胞周期蛋白D1的表达是前列腺癌细胞生长调节的一种方式。SENP1的过表达能调节AR和c2Jun的转录活性,并且这2个因子都参与调节细胞的增殖,因此推测SENP1的过表达可能会调节前列腺癌细胞的增殖。细胞周期蛋白(cyclin)D1是在调控细胞增殖与细胞周期进程中起主导作用的因子。AR的转录活性增强与前列腺癌的发生、发展密切相关,而AR所调节的前列腺特异性抗原(PSA)的表达是前列腺癌诊断的一个生物学指标。c2Jun作为癌基因与前列腺癌的发生、发展密切相关,它的表达水平在癌症形成过程中是增强的。由于SENP1能直接调节AR和c2Jun这两个因子的转录活性,因此可在前列腺癌细胞中检验SENP1的表达水平。研究发现,在前列腺癌形成过程中,SENP1的mRNA水平和表达量普遍上升。因此,在大多数前列腺癌细胞的发生、发展过程中,伴随着SENP1表达量的增加。此外,雄激素是AR的天然配体,而AR的生物学功能直接调节基因的表达。利用实时RT-PCR对SENP1的mRNA水平进行检测,发现雄激素能够诱导SENP1的高表达。说明雄激素对AR产生的转录激活作用会对SENP1的表达水平进行正调节,SENP1的表达与前列腺癌的形成以及细胞增殖有关。

蛋白质的化学修饰是基因表达调控的重要一环,其中的SUMO化与脱SUMO化间的关系影响细胞生长的动态平衡。SUMO特异性蛋白酶SENP1在前列腺癌组织中是高表达的,但在正常组织中并非如此。雄激素能诱导SENP1的表达,而SENP1会增强AR和c2Jun的转录活性,并使细胞周期蛋白D1的表达增加,从而促使细胞增殖。因此,SENP1在前列腺癌的发生、发展过程中可能扮演着非常重要的角色。将来的研究需要弄清前列腺癌中的SUMO化修饰网络与脱SUMO化的分子通路,并从中发现可能治疗恶性肿瘤的方法。

这些有用的结果提示,活性的AR在许多前列腺癌的病例中提供了很重要的增殖信号,常是进展性的病例,结果也提示,当前的趋向ADT疗法是不合适的,因为前列腺中仍有大量的有活性的雄激素,所以提示用放射疗法来剥夺雄激素的新疗法能成为一种新的途经。一种可能是用ADT联合抑制5α-还原酶,这种酶是将睾酮转化为DHT。多烯紫杉醇在这方面比finasteride(非那雄氨)好,它可抑制存在前列腺中两种酶的形成,2种联合使用的临床试验还没有完成,通过抑制AR的表达和抗AR核苷酸或通过醋酸阿比特龙阻断CYP17将成为治疗非激素依赖性前列腺癌的新趋势。

尽管如此,因为前列腺癌不是单纯的一种疾病,必须进行个性化的治疗。DTH的抑制疗法更大程度上提高伴有TMPRSS2:ERG之间基因融合阳性株前列腺癌亚型患者的疗效(约30%)。对于AR阴性的患者(约5%)只给化疗。给患者一个合适的维持化疗结合内分泌治疗或可提高其生存率,这是依赖于干细胞的标志物是否存在或缺乏,更深的研究就要弄清这些课题。(吴学兵)

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