肿瘤抑制蛋白PDCD4结构特性与疾病关系解析及研究进展.pdf

Hereditas(Beijing)2024 年 4 月,46(4):290305 收稿日期:20231123;修回日期:20240122;网络发布日期:20240201 基金项目:国家自然科学基金项目(编号：31801181)，重庆市自然科学基金面上项目(编号：cstc2020jcyj-msxmX0903)和重庆电子工程职业学院科研项目(编号：22XJDXWT35)资助Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.31801181),Chongqing Natural Science Foundation General Project(No.cstc2020jcyj-msxmX0903)and the Scientific Research Project of Chongqing College of Electronic Engineering(No.22XJDXWT35)通讯作者:李卉，博士，副教授，研究方向：蛋白质的结构与功能。E-mail: 吴光明，博士，教授，研究方向：发育生物学。E-mail:wu_ DOI:10.16288/j.yczz.23-291 综 述 肿瘤抑制蛋白 PDCD4 结构特性与疾病关系解析及研究进展 李卉1，吴光明2,3 1.重庆电子工程职业学院智慧健康学院，重庆 401331 2.广州医科大学附属第三医院，广州 510150 3.广州国家实验室基础研究部，广州 510005 摘要:程序性细胞死亡蛋白 PDCD4(programmed cell death 4)是一种肿瘤抑制蛋白，在多种肿瘤组织中下调并提示不良预后，是第一种被发现通过抑制翻译抵抗肿瘤转化、侵袭和转移的蛋白质。PDCD4 自身结构与功能关系密切，并受细胞外信号影响，其蛋白表达水平和功能与人体两大信号通路 PI3K-Akt-mTOR 和 MAPK 密切相关，通过多种机制调节与肿瘤相关的其他蛋白质。本文通过解析 PDCD4 结构、功能与疾病的关系，总结了近年来 PDCD4 在凋亡、自噬、肿瘤、炎症等生理过程和疾病中的作用，为 PDCD4 及相关蛋白的信号传导路径研究和以它们为靶标的疾病治疗提供启发和思路。关键词:PDCD4；翻译抑制；肿瘤；结构元件；功能 Progress on the relationship between tumor suppressor PDCD4 and diseases based on the analysis of structural characteristics Hui Li1,Guangming Wu2,3 1.Chongqing College of Electronic Engineering,Smart Health College,Chongqing 401331,China 2.The Third Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University,Guangzhou 510150,China 3.Division of Basic Research,Guangzhou National Laboratory,Guangzhou 510005,China Abstract:The tumor suppressor programmed cell death 4(PDCD4)is downregulated in various tumor tissues indicating poor prognosis.PDCD4 is the first protein found to resist tumor transformation,invasion,and metastasis by inhibiting translation.The functions of PDCD4 dependent on its structures are affected by extracellular signals.It regulates tumor-related proteins through a variety of mechanisms,especially involved in two major signaling pathways,PI3K-Akt-mTOR and MAPK.By analyzing the relationship between the structures,functions and diseases of PDCD4,this review summarizes the roles of PDCD4 in several physiological processes and diseases such as apoptosis,autophagy,tumor,第4期 李卉等:肿瘤抑制蛋白 PDCD4 结构特性与疾病关系解析及研究进展 291 and inflammation in recent years,thereby providing insights for the study of the signaling pathways of PDCD4 and related proteins and the treatment of diseases targeting them.Keywords:PDCD4;translation inhibition;tumor;structural elements;functions 程序性细胞死亡蛋白 PDCD4(programmed cell death 4)首先在细胞凋亡实验中被发现和克隆，随后因其具有肿瘤转化抑制作用得到高度关注和广泛研究。PDCD4 存在于多种生物中且氨基酸序列高度保守，除了是一种新型肿瘤抑制因子外，还在细胞凋亡与自噬、免疫与炎症、DNA 损伤反应和细胞周期等多重生物学过程中发挥重要作用。本文从 PDCD4自身的结构出发，解析其结构、功能与疾病的关系，重点阐述 PDCD4 抑制蛋白翻译机制、磷酸化调控蛋白表达水平，以及相关的肿瘤抑制信号传导路径，并总结了其在多种生理过程和疾病中的作用。1 PDCD4 的发现与结构 1.1 PDCD4 的发现 1995 年，为了解调节程序性细胞死亡的共同生化途径，Shibahara 等1刺激多种老鼠细胞系的凋亡，在细胞凋亡过程中发现并克隆出一种新的蛋白质MA-3 的 cDNA，即 PDCD4。该蛋白质还在被拓扑异构酶抑制剂抑制的基因中分离出来，由于在细胞凋亡过程中 mRNA 上调，被认为与细胞凋亡相关2,3。之后，人们陆续在人(Homo sapiens)4、鸡(Gallus gallus)5、大鼠(Rattus norvegicus)6中也克隆出该蛋白，在进化上不同的物种中也发现了同源物，如寄居 蟹 皮 海 绵(Suberites domuncula)、黑 腹 果 蝇(Drosophila melanogaster)、非洲爪蟾(Xenopus laevis)、斑马鱼(Danio rerio)和植物7，其氨基酸序列高度保守，表明其在进化过程中高度保守，因此可能发挥重要作用。1.2 PDCD4 的结构 人PDCD4基因位于染色体10q25.2，最长编码469个氨基酸的蛋白。PDCD4 的结构如图 1 所示，主要由三个结构域构成：一个位于 N 端的非结构化 RNA 结合域(RNA binding region)7,8，两个 MA3 结构域，分别位于 PDCD4 蛋白的中部(157302 aa，mMA3)和羧基末端(319449 aa，cMA3)911。RNA结合域中与RNA结 合 的 主 要 部 位 是 两 个 碱 性 氨 基 酸 簇 RBM1(KAKRRLRKN，5866 aa)和 RBM2(LDRRSRSG，100 107 aa)7。PDCD4 是一种核穿梭蛋白，含有两个潜在的核定位信号序列 NLSs(nuclear localization signals)，NLS1(KAKRRLR，5864 aa)和 NLS2(PSRGRKR，448454 aa)，分别靠近蛋白质的氨基末端和羧基末端，两段富含亮氨酸的出核信号序列 NESs(nuclear export signals)，NES1(LLKDLPDLVLD，241251 aa)和 NES2(VSEMLKDLNLG，182192 aa)12。此外，还有多个丝氨酸磷酸化位点：Ser67、Ser71、Ser76 和Ser45713,14，一个精氨酸甲基化位点 Arg11015。PDCD4 磷酸化受细胞外信号影响，通过不同位点的磷酸化调节其在细胞内的定位和表达水平，在细胞核内外行使不同的功能。图 1 PDCD4 蛋白结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of PDCD4 protein structure 图中数字表示相应氨基酸在蛋白质全长中的位置。蓝色方框表示 MA3 结构域，mMA3 表示位于蛋白质中部(m)，cMA3 表示位于羧基 c端。橘黄色方框表示两个出核信号序列 NES1 和 NES2。紫色方框表示两个潜在核定位信号序列 NLS1 和 NLS2。灰色方框表示 RNA结合域中两个与 RNA 结合的碱性氨基酸簇 RBM1 和 RBM2。NLS1 与 RBM1 重合。+表示此处带正电的碱性氨基酸较集中，*表示磷酸化位点，表示甲基化位点。S 为丝氨酸简写，R 为精氨酸简写，氨基酸序列用单字母缩写标注。292 Hereditas(Beijing)2024 第 46 卷 PDCD4 在正常组织中低水平普遍表达，说明它除与凋亡相关外，还参与正常的生理活动1。在小鼠(Mus musculus)组织中，Northern 印记分析表明PDCD4 mRNA 在胸腺和肝脏中信号最强，在脑、肾和脾中观察到中间信号，在肺、心脏和骨骼肌中信号相对较弱1,3。在人体组织中，基于 HPA 的数据集(https:/www.proteinatlas.org/)，PDCD4 在胰腺中表达最强，其次是甲状旁腺和甲状腺、近端消化道组织、胃肠道组织、女性组织如乳房和卵巢等，在脑组织(除大脑皮层)和肝中表达较弱。2 PDCD4 结构元件及其对应功能 2.1 PDCD4 通过 MA3 结构域抑制帽依赖性翻译起始 真核生物典型的帽依赖(cap-dependent)蛋白翻译 起 始 模 式 需 要 真 核 翻 译 起 始 复 合 物 eIF4F(eukaryotic translation initiation factor 4F)的参与16。eIF4F 由三个起始因子组成：eIF4A、eIF4E 和 eIF4G。eIF4E 是一种帽结合蛋白，主要作用是识别 RNA 帽结构；eIF4A 属于 RNA 解旋酶，它催化 mRNA 5端非翻译区(5-UTR)二级结构的解链；支架蛋白eIF4G 的 C 端具有一个保守的 MA3 结构域，其通过MA3 结构域与 eIF4A 结合能极大提高其解旋酶活性，使 eIF4A 发挥正常的 RNA 解旋酶功能，促进蛋白质的翻译17。实验证明 PDCD4 能与 eIF4A 相互作用6。PDCD4 的两个 MA3 结构域与 eIF4G 的 MA3 结构域同源，它们之间的蛋白质序列高度保守。PDCD4 与eIF4G 的 MA3 结构域竞争结合 eIF4A，从而破坏翻译起始复合物的功能，抑制帽依赖性翻译(图 2A)10,11,18。eIF4A 由 2 个结构域组成，分别是位于 N 端的结构域 NTD(N-terminal domain)和位于 C 端的结构域CTD(C-terminal domain)。eIF4A 需要这两个结构域闭合并与 RNA 结合，催化 mRNA 5-UTR 二级结构的解链并控制翻译的起始。PDCD4 的 MA3 结构域与 eIF4A 的两个结构域的界面永久性结合，阻止eIF4A 两个结构域闭合并阻断 RNA 与 eIF4A 的结合，从而抑制 eIF4A 的解旋和翻译起始功能19。PDCD4能够抑制 5-UTR 中含有稳定茎环结构的人工mRNA 的翻译18，说明 PDCD4 参与了含有结构化 5-UTR 的 mRNA 的帽依赖性翻译抑制。目前确定的通过eIF4A依赖机制被PDCD4抑制翻译的天然mRNA 还比较少。肿瘤抑制因子 p53 mRNA 是第一个被确定的天然靶标20，此外还有应激激活蛋白激酶相互作用蛋白 Sin1(stress-activated-protein kinase interacting protein-1)mRNA21、自噬相关蛋白 Atg5 mRNA22和转录因子 TFEB mRNA23。Waters 等9首先研究 PDCD4 C 端 MA3 结构域的晶体结构和 NMR 结构，表明 MA-3 具有三到四层“螺旋-折叠-螺旋”发夹结构。随后，Suzuki 等10通过 X 射线晶体学、核磁共振和表面等离子体共振分析了PDCD4两个MA3结构域的结构和抑制功能，表明两个 MA3 结构域在结构和功能上都非常相似，并使用类似的结合界面特异性地结合到 eIF4A N 端结构域 NTD。PDCD4 通过两个串联的 MA3 结构域协同作用，与 eIF4A 形成更紧密、更稳定的复合物10。分析 PDCD4-eIF4A 复合物晶体结构，不管是人全长hPDCD4(1469aa)，还是去掉 N 端 RNA 结合域的鼠mPDCD4N(120469 aa)突变体，都是一分子PDCD4 通过两个 MA-3 结构域和两种不同的模式与两分子 eIF4A 结合：PDCD4 的两个 MA3 结构域与一个 eIF4A 分子结合(称为“两 MA3 结合模式”)；同时，同一 PDCD4 C 端的 MA3 结构域也与另一个eIF4A 分子结合(称为“cMA3 结合模式”)11,19。PDCD4 的 mMA3 结构域中的 Glu249 和 Asp253 与第一个 eIF4A 分子中的 Arg161 和 Arg110 形成盐桥，而另一个 cMA3 结构域的 Asp414 和 Asp418 与第二个 eIF4A 分子中的 Arg161 和 Arg110 形成类似地相互作用11,19。与这些观察结果一致，在哺乳动物双杂交试验中，PDCD4 中 Glu249 突变为 Lys、Asp253突变为 Ala、Asp414 突变为 Lys 或 Asp418 突变为Ala，丧失了与 eIF4A 的结合能力18。然而，与晶体结构分析不同，Waters 等17使用 NMR 分析揭示，PDCD4 和 eIF4A 在溶液中以 11 的比例形成PDCD4-eIF4A 复合物，这与 eIF4F 复合物中仅存在一个 eIF4A 分子一致。在免疫沉淀分析中，只有mMA3 结构域上的保守酸性氨基酸突变 E249A/D253A 才能消除 PDCD4 与 eIF4A 的结合能力，cMA3 结构域上的 D414A/D418A 突变对相互作用没有影响，说明只有 PDCD4 的中间 mMA3 结构 第4期 李卉等:肿瘤抑制蛋白 PDCD4 结构特性与疾病关系解析及研究进展 293 图 2 PDCD4 翻译抑制模型、相应的靶标蛋白和信号传递路径 Fig.2 PDCD4 translation inhibition model,corresponding target proteins and signal transduction pathways A：依赖 eIF4A 的帽依赖性翻译抑制，已知的靶标蛋白为 p53、Sin1、Atg5 和 TFEB。p53 促进 p21 的转录表达，促进 DNA 损伤应答。Sin1 的抑制使 mTORC2 失活，通过减弱 Akt 第 473 位丝氨酸的磷酸化下调其活性，再通过 NF-B、GSK3 或其他途径降低 Cyclin D1和 Snail 的表达。Cyclin D1 主要促进细胞增殖。Snail 通过抑制 E-cadherin 转录增强-catenin 依赖的转录，从而提高 uPAR 和 c-Myc的表达。uPAR 可促进肿瘤细胞的侵袭和转移。c-Myc 通过促进 MAP4K1 表达激活 JNK，进而激活 AP-1 依赖的转录促进细胞的转化、增殖、促进和侵袭。Atg5 和 TFEB 促进细胞自噬。B：依赖 IRES 的非帽依赖性翻译抑制，已知的靶标蛋白为 XIAP 和 Bcl-xL，两者均抑制凋亡。C：依赖 mRNA 编码区特殊二级结构的翻译延伸抑制，已知的靶标蛋白为 A-Myb 和 c-Myb，可促进细胞增殖。域上的保守酸性氨基酸对于在体内与 eIF4A 形成紧密复合物至关重要17。这种差异或许来自于 PDCD4和 eIF4A 之间的相互作用可能在晶体和溶液条件下不同，溶液可能更接近于生理条件。目前也尚不清楚突变分析结果的差异是否是由于不同的实验方法造成的，即哺乳动物双杂交与免疫沉淀实验24。2.2 PDCD4 通过 RNA 结合域抑制翻译 2.2.1 PDCD4 的 RNA 结合域与 mRNA 编码区内特殊二级结构结合抑制翻译延伸 PDCD4 的 N 端包含一个 RNA 结合域，说明其可能通过直接与 RNA 结合影响 RNA 代谢12,25。目前已发现，PDCD4 的 RNA 结合域直接与 c-myb 和A-myb 的 mRNA 编码区内部具有二级结构的元件结合，干扰翻译延伸从而抑制 c-myb 和 A-myb 的翻译(图 2C)26,27。虽然 c-myb 和 A-myb 都属于 myb 家族，但它们与 PDCD4 作用的核苷酸序列并没有发现同源性。该翻译抑制机制独立于 eIF4A 依赖的翻译起始抑制，说明 PDCD4 对翻译的抑制机制较为复杂。PDCD4 蛋白也能与 procaspase-3 mRNA 结合抑制其翻译28，但尚不清楚其具体机制。无论是 PDCD4 对具有结构化 5-UTR 的 mRNA的帽依赖性翻译起始抑制，还是对编码区具有特殊二级结构的 mRNA 的翻译延伸抑制，PDCD4 靶向的天然 mRNA 还知之甚少。目前，尚不清楚 PDCD4的这两种蛋白翻译抑制机制是否具有广泛性，或者是否存在某种机制允许 PDCD4 仅靶向特定的mRNA27。核糖体图谱分析实验表明，大多数转录物的翻译不受 PDCD4 沉默的影响29，说明 PDCD4可能具有特定靶点，而不是普遍的翻译抑制蛋白。2.2.2 PDCD4 的 RNA 结合域与 mRNA 5非翻译区 IRES 结合抑制非帽依赖翻译 真核生物的蛋白质翻译除了帽依赖模式，还有非帽依赖模式。某些细胞在营养缺乏、缺氧或低剂量辐射等应激下会导致帽依赖性翻译减弱，非帽依 294 Hereditas(Beijing)2024 第 46 卷 赖性翻译增强。内部核糖体进入位点 IRES(internal ribosome entry site)是位于某些 mRNA 的 5-UTR 内元件，被认为可以直接招募核糖体，绕过对 mRNA 5帽和 eIF4E 的要求，属于非帽依赖性翻译其中一种16。某些 mRNA 中的 IRES 元件可能对维持细胞正常的生理过程非常重要，当帽依赖性翻译被抑制时，该位点允许它们在细胞应激期间通过非帽依赖性机制进行翻译，这是它们在细胞中发挥保护作用所必需的，使细胞能够响应并应对各种短暂的应激情况，但也参与多种病理过程。X染 色 体 连 锁 凋 亡 抑 制 因 子XIAP(X chromosome-linked inhibitor of apoptosis)和 B细胞超大淋巴瘤蛋白 Bcl-xL(B-cell lymphoma-extra-large)是细胞凋亡的关键调节因子，几乎阻断细胞中大部分的凋亡信号。有趣的是，XIAP 和 Bcl-xL mRNAs都含有一个 IRES 元件。尽管 PDCD4 不是 IRES 介导翻译的普遍抑制剂，但其 RNA 结合域能与 XIAP和 Bcl-xL mRNA 的 IRES 元件结合，干扰 IRES 上48S 核糖体起始复合物的形成，从而抑制 XIAP 和Bcl-xL 的翻译(图 2B)30。2.2.3 PDCD4 的 RNA 结合域与 PABP 蛋白结合以稳定 PDCD4 与 mRNA 的结合 PDCD4 的 RNA 结合域除了与 RNA 结合，还与聚(A)结合蛋白 PABP(poly(A)binding protein)直接相互作用(图 2C)。PDCD4 与 RNA 结合并与 PABP 相互作用的能力在人和果蝇之间是一致的，这表明它在进化过程中高度保守31。PDCD4 的 RNA 结合域与 RNA 和 PABP 结合的作用位点不重叠，与 RNA结合的作用部位位于以第 63 位氨基酸和第 105 位氨基酸为中心的两碱性氨基酸簇 RBM1 和 RBM2，它们的氨基酸序列在如寄居蟹皮海绵、黑腹果蝇、非洲爪蟾、石斑鱼、小鼠和人类等多物种中具有显著的保守性7；PDCD4 与 PABP 结合的区域位于 RNA结合域的后端，该区域同样高度保守，起关键作用的氨基酸为 K114K115 和 V123W12431。有 PABP结合缺陷的 PDCD4 虽然不影响与 RNA 和 eIF4A 的结合，但影响与 RNA 结合的稳定性，影响核糖体的招募，比如不再抑制 c-Myb mRNA 的翻译31。PDCD4 除了调节蛋白质的翻译起始和延伸，也被报道直接激活翻译终止。PDCD4 在翻译终止期间的活性增加，可以通过刺激释放因子与核糖体的结合、增加 eRF3 的 GTP 酶活性以及将 eRF3 从终止后复合物中解离来参与翻译终止32。可见，PDCD4 影响蛋白质翻译机制的复杂性。2.3 PDCD4 通过核输出信号和 Akt 磷酸化Ser457 调节亚细胞定位(受细胞外信号调控)在正常培养的情况下，PDCD4 主要表达于细胞核内，但在血清饥饿条件下，PDCD4 的表达会向细胞质转移，NES2 的出核效率比 NES1 更高，这种转移能被核输出受体 CRM1(nuclear export receptor)的抑制剂钩端霉素 B(leptomycin B，LMB)特异性地抑制，说明 PDCD4 出核依赖于 CRM1，且 PDCD4 的亚细胞定位受细胞外部信号调控12。血清中含有大量的生长因子，生长因子与细胞膜上相应的受体结合，激活磷脂酰肌醇激酶 PI3K 依赖性易位至细胞膜，随后蛋白激酶 B(protein kinase B，Akt)的 Thr308 和 Ser473 被磷酸化而激活。PDCD4具有两个 Akt 磷酸化位点，Ser67(RLRKNS67)和Ser457(RKRFVS457)。在对细胞进行血清饥饿后，再用胰岛素或 PI3K 抑制剂渥曼青霉素(wortmannin)处理细胞，发现这两个位点在体内都能被 Akt 以依赖 PI3K 的方式磷酸化13。在正常培养基下，将磷酸化位点的 Ser67 突变为丙氨酸 Ala，不改变 PDCD4的核定位，但将 Ser457 突变为 Ala，PDCD4 的表达将从细胞核转移到细胞质，说明使 PDCD4 发生核易位的是 Ser457 的磷酸化，而非 Ser6713。因此，可以推断，细胞外信号通过 PI3K-Akt 信号传导路径可以使 PDCD4 Ser457 磷酸化而主要定位于细胞核，Ser457 去磷酸化的 PDCD4 则可以依赖 CRM1 的方式出核表达于细胞质中。2.4 PDCD4 的 Ser67、Ser71 和 Ser76 磷酸化促进其蛋白酶体降解(受细胞外信号调控)2.4.1 有丝分裂原激活 S6K1 诱导 PDCD4 降解 用无血清培养基培养一段时间后的细胞，PDCD4 蛋白除了更多的定位于细胞质，其表达量也会显著提高；用血清处理后，其蛋白质表达水平下调，这与 PDCD4 蛋白被核糖体蛋白 S6 激酶 S6K1 第4期 李卉等:肿瘤抑制蛋白 PDCD4 结构特性与疾病关系解析及研究进展 295 (ribosomal protein S6 kinase 1)磷酸化、进而泛素化被蛋白酶体降解有关14。与这一过程相关的磷酸化位点为 Ser67、Ser71 和 Ser76。TRCP 是 SCF(SKP1-CUL1-F-box)泛素连接酶中的一种，人 PDCD4 中包含规范的 TRCP 结合基序 EDS71GRGDS76，其中的两个丝氨酸都必须磷酸化才能被 TRCP 识别14。该反应同样依赖经典 PI3K-Akt-mTOR 信号传导路径。雷帕霉素靶蛋白 mTOR(mechanistic target of rapamycin)是 Akt 的下游底物，其被 Akt 激活后进一步激活 S6K1。Ser67 是 S6K1 典型磷酸化位点，在血清中有丝分裂原(mitogens)的刺激下 S6K1 被激活并磷酸化 Ser67，其进一步促进 Ser71 和 Ser76 的磷酸化，从而允许 PDCD4 与 TRCP 的结合14。Ser67的磷酸化对表皮生长因子 EGF(epidermal growth factor)诱导的 PDCD4 降解是必须的，Ser71 和 Ser76则是通过不同的激酶磷酸化，Ser76 能被 S6K1 磷酸化，但 Ser71 和 Ser76 可能被不同于 S6K1 的 PKC信号通路成员磷酸化33(图 3)。2.4.2 成纤维细胞生长因子 FGF-2 激活 S6K2诱导 PDCD4 降解 核糖体激酶 S6K2 是与 S6K1 同源的另一亚型，目前对 S6K2 的研究尚没有对 S6K1 的深入。成纤维细胞生长因子 FGF-2(fibroblast growth factor 2)可激活 S6K2，这种激活导致抗凋亡蛋白 XIAP 和 Bcl-xL的翻译上调，从而提高细胞存活率。PDCD4 为 S6K2的靶点，被 S6K2 磷酸化的 PDCD4 通过蛋白酶体降解(图 3)，是导致抗凋亡蛋白 XIAP 和 Bcl-xL 水平升高的关键因素，这可能与癌细胞的化学耐药性有关30。由于几种抗凋亡蛋白(包括 XIAP 和 Bcl-xL)的表达增加，用 FGF-2 处理小细胞肺癌细胞可提高癌细胞存活率。S6K1 和 S6K2 在对丝裂原信号的反应中起重要作用，调节多种细胞功能，包括细胞生长和增殖。PDCD4 上的 S6K2 磷酸化位点似乎与 S6K1 的相同，因为所报道的 S6K1 磷酸化位点的突变也阻止了S6K2 对 PDCD4 的磷酸化。这表明 PDCD4 在 S6K1或 S6K2 介导的信号转导途径中充当效应分子，拓宽了通过 PDCD4 调节细胞翻译的生理事件范围30。2.4.3 肿瘤促进剂 TPA 促进 PDCD4 降解 肿瘤促进剂 TPA(12-O-十四烷酰基激素-13-乙酸酯)也下调 PDCD4 在蛋白水平的表达，但不影响Akt 和 S6K1 对 PDCD4 的磷酸化，并在 HEK293 细胞中激活 PKC 依赖性 PI3K-Akt-mTOR-S6K(图 3)34。对于 PDCD4 三个重要的蛋白降解磷酸位点，Ser67的磷酸化对于 TPA 诱导的 PDCD4 降解不是必须的，TPA可能独立于Ser67通过PKC相关路径诱导Ser71和 Ser76 的磷酸化(图 3)33。TPA 还激活 MEK-ERK信号通路，在 PDCD4 磷酸化、与 E3 连接酶 TRCP结合泛素化之后，促进泛素化 PDCD4 在蛋白酶体的降解(图 3)，MEK-ERK 激活可能促进泛素化 PDCD4向蛋白酶体穿梭或构象变化，影响泛素化 PDCD4对蛋白酶体的可及性34。2.5 PDCD4 蛋白的精氨酸甲基化 大量实验证明 PDCD4 的下调促进肿瘤的发生和侵袭24,3537，但在一些肿瘤组织中，PDCD4 蛋白水平高的患者存活率很差，这说明在某些肿瘤环境中 PDCD4 的功能被抑制或改变15。经研究表明，这可能与 PDCD4 和蛋白精氨酸甲基转移酶 PRMT5的共表达促进了肿瘤的加速生长有关。PRMT5 是一种型甲基转移酶，对精氨酸残基的两个末端氮的甲基加成进行催化，与其他翻译后修饰一样，甲基化可以改变蛋白质功能、定位和/或结合伴侣。当 图 3 有丝分裂原 EGF、FGF-2 和肿瘤促进剂 TPA 磷酸化并蛋白酶体降解 PDCD4 的途径 Fig.3 Pathway of phosphorylation and proteasome degradation of PDCD4 by mitogen EGF,FGF-2,and tumor promoter TPA EGF 通过激活 PI3K-Akt-mTOR 路径激活 S6K1，S6K1 可磷酸化PDCD4 的 S67 和 S76。FGF-2 可激活 S6K2 并磷酸化 PDCD4。TPA 可激活 PKC 依赖性 PI3K-Akt-mTOR-S6K 途径，也可通过其他 PKC 相关路径诱导 S71 和 S76 的磷酸化。磷酸化的 PDCD4被 TRCP 泛素化，并在蛋白酶体中降解。TPA 还可激活MEK-ERK 信号通路促进泛素化后的 PDCD4 的蛋白酶体降解。296 Hereditas(Beijing)2024 第 46 卷 PDCD4 与 PRMT5 在小鼠乳腺癌原位异种移植模型中共表达时，加快了肿瘤生长，这依赖于 PRMT5甲基化 PDCD4 蛋白 N 端的 Arg110；分析人乳腺癌数据，对于高 PDCD4 蛋白表达水平，当 PRMT5 表达水平越高，其预后越差15。进一步研究表明，当营养缺乏时，PRMT5 增强了对 PDCD4 甲基化活性，使 PDCD4 对 eIF4A 的结合更为紧密38。由于实体瘤的特点是缺乏血管或血管形成不正确，造成区域缺氧和营养缺乏，这种营养缺乏的代谢应激发生在癌变后期，因此推测，在癌变早期 PDCD4 通过抑制蛋白翻译起到肿瘤抑制的作用；而在癌变后期营养缺乏区域，PDCD4 的甲基化强烈抑制或以其他方式调节翻译，提高肿瘤细胞生存能力和为血管募集提供时间，最终允许肿瘤在这些区域内继续扩张38。PDCD4 的甲基化形式在营养缺乏期间促进了肿瘤的生存能力，最终使肿瘤更具侵略性地生长。以上 PDCD4 的结构元件和功能汇总于表 1。3 PDCD4与多种疾病和生理过程的关系 3.1 PDCD4 在细胞凋亡中的作用 PDCD4 mRNA 在多种细胞凋亡环境下显著上调，最初被认为具有促凋亡作用1。许多研究结果 也证明了 PDCD4 的促凋亡作用。在乳腺癌39、肝癌40、神经胶质瘤41、胃癌42、舌鳞状细胞癌43、黑色素瘤44、骨肉瘤45等肿瘤细胞中，PDCD4 的过表达或表达恢复促进细胞的凋亡，同时伴有细胞周期阻滞、线粒体事件和 caspase 激活。PDCD4 促进细胞凋亡有如下几条路径：(1)抑制P53/P2146；(2)抑制 PI3K/Akt 信号通路43,47,48；(3)通过减少 MAP4K1 启动子的转录来抑制 JNK 和MEK/ERK 途径49；(4)抑制抗凋亡蛋白 XIAP 和Bcl-xL 的翻译30。在对 PDCD4 的表达调控方面，目前已发现多种microRNA 靶标并下调 PDCD4，抑制细胞凋亡和促进增殖37,50。microRNA 是一种非编码的小 RNA 分子，可以负调控动物和植物中目标基因的表达。最早报道的过表达并下调 PDCD4 的 microRNA 是miR-21，它靶向 PDCD4 mRNA 的 3-非翻译区，被鉴定为唯一在肺、乳腺、胃、前列腺、结肠、脑、头颈部、食道和胰腺的实体肿瘤中普遍过表达的致癌 microRNA51。其他报道的靶向 PDCD4 抑制细胞凋亡的 microRNA 有：乳腺癌细胞中的 miR-18339，肝癌细胞中的 miR-199a-3p40，黑色素瘤细胞中的miR-15044，骨肉瘤细胞中的 miR-43345，胶质瘤细胞中的 miR-9641，多囊卵巢综合征卵巢颗粒细胞中的 miR-1652等。表 1 PDCD4 重要的结构元件及功能 Table 1 Important structural components and functions of PDCD4 结构域或序列或位点 个数 位置 功能 参考文献 MA3 结构域 2 157302 aa,319449 aa 与 eIF4A 结合，阻碍正常的蛋白翻译起始复合物形成，从而抑制帽依赖性蛋白从头翻译。其中重要的氨基酸为 E249、D253、D414、D418。911,1719 核定位信号(NLSs)2 5864 aa,448454 aa PDCD4 在大部分正常组织中主要表达于细胞核内。12 出核信号(NESs)2 182192 aa,241251 aa PDCD4 受细胞外信号影响可出核，表达于细胞质。12 RNA 结合碱性氨基酸簇(RBM)2 5866 aa,100107aa RNA 结合域中与 RNA 结合序列，调节 RNA 代谢。7 PABP 结合簇 1 RNA 结合域的后端 与 PABP 结合，影响与 RNA 结合的稳定性和核糖体的招募，起关键作用的氨基酸为 K114K115 和 V123W124。31 磷酸化位点 4 Ser67 被 Akt 或 S6K 磷酸化，进一步促进 71 和 76 位点的磷酸化。13,14 Ser71,Ser76 磷酸化后与 TRCP结合，使 PDCD4泛素化后至蛋白酶体降解。14,30,33 Ser457 被 Akt 磷酸化，促进出核。13 甲基化位点 1 Arg110 在营养缺乏期间促进肿瘤的生存能力。15,38 第4期 李卉等:肿瘤抑制蛋白 PDCD4 结构特性与疾病关系解析及研究进展 297 然而，也观察到一些作用不同的情况。PDCD4在结肠癌中对细胞凋亡没有影响53。在人宫颈癌HeLa 等细胞中，PDCD4 通过抑制 procaspase-3 mRNA 的翻译发挥抗凋亡作用28。在肺癌细胞 A549中 PDCD4 沉默显著诱导细胞凋亡，miR-641 通过靶向 PDCD4 促进细胞凋亡54。在胃癌腹膜转移的研究中，PDCD4 虽然在胃癌组织中的低表达与恶性程度相关，但在腹膜间皮细胞中 PDCD4 的表达降低导致间皮细胞凋亡，促进胃癌腹膜转移55。这表明PDCD4 的凋亡作用可能仅限于某些细胞类型，还需要其他的机制来解释 PDCD4 对多种肿瘤的抑制作用。在对肿瘤治疗的研究方面，PDCD4 表达增加可降低多种肿瘤细胞的放疗耐受性和耐药性。miR-21通过靶向乳腺癌细胞中的 PDCD4 激活 PI3K/Akt 途径，显著增强程序性死亡配体 PD-L1 表达和免疫逃逸，裸鼠 miR-21 敲除或抗 PD-L1 抗体可以增强 T细胞免疫反应，并降低乳腺癌细胞对放疗的抵抗力56。过表达 PDCD4 与顺铂治疗相结合可以对抗卵巢癌化疗耐药性，主要通过激活 caspase-3 和 caspase-8增加顺铂诱导的细胞凋亡57。在胃癌细胞中，PDCD4 表达的恢复通过抑制 FLIP 蛋白增加了凋亡诱导剂 TRAIL 对肿瘤细胞治疗的敏感性42。肝癌中抗癌剂 ICD 可能通过上调 PDCD4 提高对常规临床化疗药物阿霉素 DXR 的敏感性，促进肿瘤细胞凋亡58。在急性髓系白血病中 PDCD4 的高表达与化疗后更好的预后相关59。近年来，对 PDCD4 在正常组织中对凋亡的影响研究得越来越多。PDCD4 诱导的凋亡通常造成组织损伤，并通常由 microRNA 介导。卵巢雄激素过多诱导 PDCD4 表达上调，颗粒细胞凋亡升高，窦卵泡发育停止和卵母细胞能力受损，最终导致多囊卵巢综合征的发生60。在高血压条件下血管内皮细胞模型中，miR-532-5p 的表达水平降低，而 PDCD4 的表达水平升高，促进了血管内皮细胞的凋亡和抑制增殖，造成血管内皮细胞损伤61。肝细胞中 miR-21等 microRNA 的下降也会促进 PDCD4 诱导的凋亡，造成肝损伤62。提高这些 micr