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编号:10258913
维甲酸信号通路的生物学进展
http://www.100md.com 《生理科学进展》 2000年第4期
     作者:刘桂中 赵剑华 王秀琴

    单位:中国医学科学院中国协和医科大学肿瘤研究所分子肿瘤学国家重点实验室,北京 100021

    关键词:维甲酸;维甲酸受体;转录中介因子;维甲酸应答基因

    摘要 本文阐述了受维甲酸信号调控的基因表达多样性的分子机制摘要 本文阐述了受维甲酸信号调控的基因表达多样性的分子机制,描述了维甲酸受体的特征、维甲酸反应元件的多态性、转录中介因子包括辅活化因子和辅抑制因子在维甲酸受体介导的转录调控中的作用,主要的维甲酸应答基因及维甲酸在肿瘤治疗中的应用。

    学科分类号 Q75

    维生素A及其有生物活性的衍生物, 特别是维甲酸(retinoic acids, RAs), 在脊椎动物发育、细胞分化和维持体内平衡中发挥广泛的效应[1]。1987年维甲酸受体的发现[2,3],人们对维甲酸在分子水平上多样效应的认识有了重大飞跃。维甲酸受体属于核类配体激活的转录调节因子超家族, 该家族还包括甾类激素受体、甲状腺素受体、维生素D3受体以及多种尚未发现配体的孤儿受体。
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    受维甲酸信号调控的基因表达的多样性,表现为通过该信号传导途径中众多基因不同水平显示出来的复杂性。维甲酸包括多种形式,如全反式RA(ATRA)、9-顺式RA、 3-4双脱氢全反式RA等,其合成可能受细胞特异性调节,它们代表了第一级水平的复杂性。人们普遍认为细胞质维甲酸结合蛋白CRABPI 和CRABPII 代表了第二级水平的复杂性。但是其重要性仍然有待阐明。 对小鼠的遗传学研究证明[4], 维甲酸信号通路多样性的一个重要原因是RA受体有两个家族: 即维甲酸受体(RARs)和维甲类X受体(RXRs)。RA信号通路与膜受体信号通路的相互作用, 以及最近发现RARs和RXRs与多种转录介导因子包括辅活化因子和辅抑制因子的相互作用, 更增加了维甲酸信号途径的复杂性, 成为介导其多样效应的分子基础。

    一、维甲酸受体的基本特征

    RA受体的两个家族RARs和RXRs(每个都包含由不同基因编码的α、β与γ 3个亚类)均有传导RA信号的功能。ATRA和9-顺式RA都可以活化RARs, 而只有9-顺式RA能活化RXRs。RARs和RXRs具有核受体标准的保守结构, 其氨基酸顺序根据它们之间的同源性以及它们和核受体超家族其它成员的同源性,可以分成A~F共6个区域(但RXRs缺乏F区),其中以C区和E区最为保守。C区为DNA结合区(DBD),含两个锌指结构;E区则含配体结合区(LBD)、配体依赖性的转录激活区(AF-2)和二聚体形成区。D区作为铰链连接DBD和LBD。3种RAR亚类的F区功能尚不清楚。RARs和RXRs的N末端A/B区都包含转录活化功能区AF-1。B区在亚类中相当保守, 而A区的N末端在每种亚类的异构体之间是不同的。这些不同的异构体源于对不同启动子的使用, 或是由于mRNA选择性剪接的结果。RARs与RXRs形成异源二聚体RXR-RAR和同源二聚体RXR-RXR,与识别反应元件相结合。RXRs还作为其它核受体的共用伙伴参与多种异源二聚体的形成。这些核受体包括TRs、VDR、ARP-1(COUP-TFII)、PPAR、NGFI-B(nur77) 等, 从而提供了一种联系多种信号通路的途径。
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    对哺乳动物RARs和RXRs基因的表达方式研究表明, 在神经组织发育过程中, RARα和RXRβ在前脑、中脑、后脑和脊神经节中广泛表达, 而RXRγ在脑垂体和纹状体中表达,RARβ在后脑和脊神经节中广泛表达。这3种RAR基因均在神经脊起源的颅面区域表达。在神经系统外, RARβ在多种组织中表达,其中包括正在经历细胞死亡的组织。RARγ在皮肤、骨骼、软骨组织中高表达; RXRα在内脏组织如肝、肠道、肾及皮肤和许多上皮组织中广泛表达; RXRγ在体节中大量表达。

    对某一特定的RAR或RXR亚类及其异构体来说, 种属间具有保守性,且在胚胎发育和各种成体组织中的表达具有时空性,表明每一种RAR和RXR亚类及其异构体可能具有独特的功能。

    二、维甲酸反应元件RARE的多态性

    在许多基因的调控区中发现的RARE,绝大部分是由同向重复(direct repeats, DR)的两个核心序列或两个非常近似的简并序列组成。这些基因的转录可以通过RA体外或体内诱导。在这两个核心序列之间最常见的间隔是5个碱基。但是1和2个碱基的间隔也存在。由回文结构(palindrome)、反向回文结构(everted repeat, ER)或者含有2个或3个核心序列组成的、具有多种方向和/或更大间隔区域的更复杂元件也被确定为RARE。
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    三、RAR和RXR的多种反式激活功能

    对截段受体和嵌合受体的功能性试验表明,任何一种RAR或RXR亚类的异构体均包含有2个能够高效协同转录激活的区域,即具有组成性活性的配体非依赖区AF-1和配体依赖区AF-2。然而AF-1s或AF-2s均不包含常见的转录活化序列。这些AFs也能在酵母中激活转录, 表明其转录活化的特征在进化中是相当保守的。

    四、配体依赖活化区AF-2的转录中介因子——辅活化因子

    雌激素、前列腺素和糖皮质激素受体能够相互抑制彼此活性这一发现, 以及AF-2中保守核心(AF-2 AD core)的鉴定, 使人们推断存在介导AF-2功能的辅活化蛋白, 它们在核受体及转录介质之间架起了联系的桥梁。几种生化方法确定了多种可能的辅活化蛋白, 并且其中几种已经克隆[5]。如CBP/p300 ,它能与RAR、RXR及雌激素受体和甲状腺素受体作用,是核受体和其它几类受体转录因子的必需辅活化因子。
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    五、反式抑制中介因子——辅抑制因子

    与其他核受体如RXR不同, 未结合配体的RAR和TR都能在转染细胞中强烈地反式抑制基础水平的目的基因的启动子活性。这种沉寂效应与包括LBD在内的受体C末端相关。利用酵母双杂交体系分离到两个具有反式抑制中介因子特征的蛋白N-CoR[6]和SMRT[7]。它们与受体相互作用的区域是相似的, 提示一个辅抑制因子家族的存在。N-CoR和SMRT均与非配体结合形式的受体相结合, 但当配体与受体结合后, 它们立刻从受体上释放出来。

    RAR和TR的反式抑制作用的机制如下[5]。SMRT或N-CoR辅抑制因子与mSin3A(酵母普遍转录抑制因子Sin3p的同源蛋白)直接作用, 并进一步与组蛋白去乙酰化酶HDAC1(histone deacetylase 1)作用,形成多亚单位抑制因子复合物。因此可通过核小体核心组蛋白去乙酰化,而产生限制启动子接近转录因子,以稳定染色质结构(即“关闭”构象)。激素依赖的SMRT从RXR-TR或RXR-RAR异源二聚体上释放,并从染色质模板上置换出mSin3A-HDAC1复合物, 与此同时,具有组蛋白乙酰化酶活性的正作用辅助因子即结合到染色质模板上,并促进其重新构形(即形成“开放”构象)。mSin3A是Mad-Max异源二聚体的辅抑制因子。Mad和Max同属Myc原癌基因家族, 均为螺旋-环-螺旋-亮氨酸拉链蛋白(basic helix-loop-helix-leucine zipper protein, bHLH-Zip)。
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    mSin3A/B和SMRT/N-CoR最初是作为介导bHLH-Zip蛋白和核受体的转录负调节效应的辅助因子被分离出来。在多种转录调控通路中起作用的通用抑制因子复合物的发现, 提示辅抑制因子与辅活化因子一样可作为整合因子来控制细胞生长和分化过程。最近的资料表明,配体依赖的辅抑制因子-组蛋白去乙酰化酶HDAC复合物从维甲酸受体上异常的解离过程,也是白血病形成过程中的参与因素之一[8]

    六、配体非依赖的转录活化区

    有关配体非依赖的AF-1协同活化转录启始的分子机制知之甚少。研究[9]发现在转染细胞中, 与通用转录因子TFIIH结合的CDK7(cyclin-dependent kinase 7)能选择性地磷酸化RARα的Ser-77,并伴随AF-1转录激活活性的相应升高,而在HeLa细胞中发现,外源RARα与TFIIH相结合,这表明反式活化因子与通用转录因子的相互作用使其活性得以调节。然而为何CDK7介导的RARα N末端Ser-77的磷酸化对AF-1的活性起关键性的影响,以及AF-1如何增强转录,尚不清楚。因为到目前为止, 人们还未探明A/B区与通用转录因子TFIIH的直接作用关系, 也未发现介导AF-1转录活化功能的转录中介因子。
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    七、维甲酸调节的基因

    维甲酸信号的功能最终是通过基因转录调控来实现的,如生长因子、细胞因子及其受体、激素、转录因子、激酶及磷酸酶、细胞内酶和效应因子等,都受维甲酸的调节[1]。其中一部分已被确定为维甲酸直接作用的靶基因, 它们的启动子中包含维甲酸反应元件RARE,然而更多的基因受到维甲酸间接的影响,这些基因组成了维甲酸多样效应的分子基础。值得注意的是, 维甲酸受体作为特定基因转录因子的作用,依赖于特定的细胞内环境。维甲酸受体之间借助于同源二聚体、异源二聚体及RXR参与其它核受体异源二聚体的形成,相互组成彼此的内环境。对限量表达的整合因子(包括辅活化因子和辅抑制因子)的竞争,导致了维甲酸信号通路和其它信号通讯之间更加复杂的相互作用。维甲酸及其受体与细胞因子一样,可作为细胞内或细胞间通信的语言符号, 其意义受胞内环境的制约。

    八、维甲酸与肿瘤治疗[10]
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    70年代末、80年代初,蔡海英、林培中等研究发现,维甲酸及N-(4-乙氧羰基苯基)-维生素甲酰胺、N-(4-磺氨基苯基)-维生素甲酰胺等新的维甲酸衍生物能够抑制小鼠前胃上皮增生发生的癌变。80年代中期开始,上海血液研究所发现ATRA和三尖杉酯碱能够诱导HL-60细胞分化。尤为重要的是,ATRA也能有效地体外诱导急性早幼粒性白血病(APL)。应用ATRA治疗APL的首例患者是一个5岁女孩,她处于APL的危象时期,口服ATRA 7天后,出现明显的血液学和临床改善,并在随后的时间里获得完全缓解。这一令人鼓舞的结果促进了ATRA的临床应用。目前,ATRA与化疗结合已经成为治疗APL的标准手段,能获得约90%的完全缓解率。

    维甲酸抗肿瘤的机制可能有多种,包括诱导细胞分化、抑制细胞增殖(通过阻滞细胞周期)及诱导细胞凋亡。维甲酸的大多数效应是通过与特定受体结合而改变基因的表达来实现的。例如,RARα的结构突变可选择性地阻断RA诱导分化相关途径,从而产生维甲酸抗性。说明维甲酸受体在维甲酸诱导分化过程中起重要作用。
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    另外,维甲酸抗性的药物代谢学研究发现,随着ATRA代谢的增加而导致胞质中ATRA减少,根据这一机制发明了维甲酸代谢阻断剂(RAMBAs),它通过阻断肿瘤细胞中内源性维甲酸的代谢来增加它们在肿瘤细胞中的水平。其机制是通过抑制细胞色素p450介导的RA分解代谢来增加组织和胞质中内源性RA的水平,促使细胞分化。RAMBA类化合物中的第一个成员咪唑衍生物——liarozole,在体外单独使用时对肿瘤细胞毒性很小,但在体内却有较强的抗肿瘤活性。

    参考文献

    1,Evans TRJ, Kaye SB. Retinoids:present role and future potential. Br J Cancer, 1999, 80∶1~8.

    2,Petkovich M, Brand NJ, Krust A, et al. A human retinoic acid receptor which belongs to the family of nuclear receptors. Nature, 1987,330∶ 444~450.
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    3,Giguère V, Ong ES, Segui P, et al. Identification of a receptor for the morphogen retinoic acid. Nature, 1987,330∶624~629.

    4,Kastner P, Mark M, Chambon P. Nonsteroid nuclear receptors: what are genetic studies telling us about their role in real life? Cell,1995, 83∶859~869.

    5,Minucci S, Pelicci PG. Retinoid receptors in health and disease:co-regulators and the chromatin connection. Semin Cell Dev Biol, 1999,10∶215~225.
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    6,Horlein AJ, Naar AM, Heinzel T, et al. Ligand-independent repression by the thyroid hormone receptor mediated by a nuclear co-repressor. Nature, 1995,377∶397~403.

    7,Chen JD, Evance RM. A transcriptional co-repressor that interacts with nuclear hormone receptors. Nature, 1995,377∶454~457.

    8,Lin RJ, Nagy L, Inoue S, et al. Role of the histone deacetylase complex in acute promyelocytic leukaemia. Nature, 1998,391∶811~814.
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    9,Rochette-Egly C, Adam S, Rossignol M, et al. Stimulation of RAR activation function AF-1 through binding to the general transcription factor TFIIH and phosphorylation by CDK7. Cell, 1997,90∶ 97~107.

    10,Wilson HM. The emerging role of retinoids and retinoic acid metabolism blocking agents in the treatment of cancer. Cancer,1998, 83∶1471~1482., 百拇医药