β-catenin的研究进展

何 欢(综述),彭维杰(审校)

(南昌大学a.抚州医学分院药理教研室,江西 抚州 344000;b.药学系药理教研室,南昌 330006)

β-链蛋白(β-catenin)最早作为一种黏附因子被发现,后来人们发现β-catenin还是一种多功能的蛋白质。β-catenin主要位于细胞膜,而在胞浆中游离量较少。β-catenin的功能主要为介导细胞间黏附和参与基因的表达。β-catenin作为一种多功能的蛋白质,广泛存在于各种类型的细胞,如内皮细胞、成纤维细胞、成骨细胞中,在参与这些细胞的增殖、分化和凋亡等方面发挥了重要的调节作用。近年来,人们对β-catenin的认识不断加深,本文将其在神经系统、骨组织、肿瘤等方面的研究现状综述如下。

1 β-catenin

1.1 β-catenin的来源及其结构

1980年,β-catenin作为一种黏附分子被德国细胞生物学家Walt Birchmeier首先发现。1991年,McCrea P.D.等[1]从非洲瓜蟾的上皮细胞系中,又发现β-catenin是果蝇Armadillo(arm)蛋白的同源物。catenin作为Armadillo蛋白家族成员,分为α、β、γ3个亚型。其中β-catenin是由 CTNNB1基因产生,大小为88k D的一种多功能蛋白质,其在人类定位于染色体的 3p22-p21.3上[2]。β-catenin由781个氨基酸组成,含有12个Armadillo(arm)重复区及独特的N末端和C末端结构。β-catenin的12个Armadillo(arm)重复区形成的 36个α-螺旋在空间结构中围成一个棒状的超螺旋结构,这种超螺旋结构在与其它蛋白如钙黏蛋白(cadherin)、APC、Axin、T CF/LEF等的结合过程中有重要作用。βcatenin的N端由130个氨基酸组成,富含有Ser/Thr残基,控制着β-catenin的稳定性;C端由100个氨基酸组成,调节下游靶基因的转录[3]。

1.2 β-catenin的生物学功能

在细胞内,β-catenin具有两个定位池:一个是位于细胞膜,另一个则在细胞浆[4]。β-catenin在静息状态下定位于细胞膜,少量游离的β-catenin可被胞浆内的蛋白酶系统所降解[5]。β-catenin在细胞中具有双重作用:一是通过与细胞膜上钙黏蛋白cadherin相互作用,参与细胞间黏附。有研究表明,由β-catenin与cadherin形成的蛋白复合物在细胞-细胞以及细胞-基质的相互关系中具有关键作用[6]。当β-catenin表达上调时,增强细胞间的黏附作用,使细胞不容易发生侵袭和转移;相反,当β-catenin表达下调时,细胞间的黏附作用被破坏,细胞更容易发生侵袭和转移。另一作用是作为经典Wnt信号通路中最重要的信息分子,调控细胞生长、分化和凋亡等[7]。Ody C.等[8]将持续表达的、缺少N端89个氨基酸的β-catenin导入小鼠乳腺,发现能够诱导腺泡的发育和分化。

2 β-catenin基因表达的调控

2.1 经典Wnt信号通路的分子机制

Wnt是一类分泌型糖蛋白,通过自分泌或旁分泌发挥作用。Wnt作为调控细胞生长、分化和凋亡等各方面的分泌蛋白家族,亦是调节如胚胎发生,形态形成等必需的生物学过程的生长因子大家族。根据Wnt蛋白信号转导方式的不同,Wnt信号通路分为三种:Wnt/β-catenin信号转导通路、Wnt/Ca2+信号转导通路及 Wnt/PCP信号转导通路,其中以Wnt/β-catenin信号转导通路最为经典,因此也称为经典Wnt信号通路。Wnt在脊椎动物中目前已知的主要有19种,其中,参与Wnt经典信号通路的Wnt蛋白主要有(Wntl,3a,8)等;参与非经典Wnt信号通路的Wnt蛋白主要有(Wnt4,5a,11)等。

当没有Wnt信号传入时,在支架蛋白(Axin)的作用下,细胞质内的结肠癌抑制因子(APC)、糖原合酶激酶 3β(GSK-3β)、CK1(酪蛋白激酶)与β-catenin形成巨大的复合物后被磷酸化,再结合到β-T RCP蛋白上,受到泛素的共价修饰而被蛋白酶体降解。当Wnt配体与卷曲蛋白(Frizzled,Frz受体)和低密度脂蛋白受体相关蛋白(LDL-receptor-related protein,LRP受体)结合之后,再作用与胞质内的蓬乱蛋白(Dishevelled,Dsh或DV1),而DV1能在 Axin的协助下,抑制由APC/GSK-3β/CK1/βcatenin形成的巨大复合物的GSK-3β的活性,从而进一步抑制β-catenin被磷酸后的泛肽化降解,使得致β-catenin在细胞质中积累,并进入细胞核,与T细胞因子(T cell factor/lymphoid enhancer factor,TCF/LEF)相互作用,调节靶基因的表达[9-10]。

2.2 β-catenin稳定性的调节

β-catenin在细胞内的水平受两组蛋白质的功能竞争来调节:一组为β-catenin降解复合体,由Axin、APC和GSK-3β组成。复合体在胞浆内可以使β-catenin被磷酸后的泛肽化降解,保持低水平,从而关闭Wnt途径。在此过程中APC和GSK-3β直接参与β-catenin水平的调节,而Axin则是通过调节GSK-3β等间接参与其调节。另一组为拮抗降解复合体的蛋白类,包括CK1、Dishevelled(Dsh)等。Dsh能在Axin的协助下抑制GSK-3β的活性,从而阻止了后者对β-catenin的磷酸化,使β-catenin在细胞质中积累,开启Wnt途径。

3 β-catenin与各领域的相互作用

Wnt/β-catenin信号传导通路控制了从果蝇到人类胚胎发育、细胞命运、组织器官形成以及肿瘤发生的诸多重大事件。

3.1 β-catenin与神经系统

神经嵴细胞起源于胚胎神经管背侧,在其迁移过程中它会分化为多种细胞,包括周围神经系统神经元、胶质细胞,以及形成交感、副交感神经系统和颅骨的细胞。Hari L.等[11]使用Cre/loxP系统特异性阻断神经嵴干细胞中β-catenin的表达,多数神经嵴衍生物正常发育,但部分神经嵴衍生物发生突变,并表现有色素细胞与背根神经节的缺失,这提示Wnt/β-catenin信号参与了神经嵴的正常正常发育过程。Willert K.等[12]在体外培养的骨髓干细胞中导入利用纯化获得的Wnt-3a蛋白使其大量增殖,发现增殖细胞中β-catenin蛋白显著表达,当 Wnt途径被阻断时,骨髓干细胞的增殖受阻。此外,Chenn A.等[13]还通过转基因的方法,使胚胎发育时期小鼠的神经干细胞中稳定表达β-catenin,结果发现大脑皮层的面积较对照组明显增大,脑的表面出现类似高级哺乳动物的脑回和脑沟,而且侧脑室周围区域有部分神经干细胞的聚集。这些都表明Wnt/β-catenin信号转导通路在哺乳动物的神经发育过程中,参与调整大脑皮层的面积和神经干细胞的数量。

因此,β-catenin作为经典Wnt信号途径中的重要信息分子,在高等动物胚胎发育过程中,其表达失调可导致包括无脑、脑膨出、脑膜膨出和脊柱裂等严重脑部发育缺陷。

3.2 β-catenin与 caveolin-1

Caveolae(小凹)为一种细胞膜表面特异性的凹陷结构,主要功能蛋白caveolin-1(小凹蛋白)通过其骨架结构域(CSD)可与Caveolae内许多与细胞增殖分化相关的信号分子结合,使其保持非活化状态,从而抑制多种信号途径的下游激活和转导。Galb-i ati F.等[14]在MDCK细胞中使用激光共聚焦显微镜观察到β-catenin和E-cadherin均浓缩在Caveolae中,与 caveolin-1形成稳定聚合物。且在NIH3T 3[15]细胞中证实被WNT-1或被β-catenin自身过表达所激活的Wnt/β-catenin信号通路均能被caveolin-1的表达所抑制。这提示Wnt通路的核心分子β-catenin在静息状态下结合于Caveolae,并能与caveolin-1形成紧密结合。并且可以通过caveolin-1 调整 β-catenin 的定位,进而调控 Wnt/β-catenin/lef-1信号的传导,抑制靶基因cyclin D1、p21的转录,使细胞周期停滞在G0/G1期[16]。当caveolin-1表达上调时,caveolin-1可将β-catenin募集到Caveolae上,使其从由 APC、GSK-3β、CK1 和 βcatenin形成的巨大复合物中分离出来,抑制Wnt/β-catenin/LEF-1信号的传导,增强细胞间的黏附作用;相反,当Caveolin-1表达下调时,增强了 Wnt/βcatenin/LEF-1的转录活性,细胞间的黏附作用被破坏。

3.3 β-catenin与骨组织

人体骨组织通过不断进行骨重建来实现骨骼的不断更新。骨重建包括成骨细胞促进钙沉积的骨形成过程和破骨细胞促进钙释放的骨吸收过程。当这一平衡被打破,骨吸收大于骨形成过程时,将导致骨质疏松。因此,在整个骨组织的重建过程中成骨细胞发挥了重要的作用。

小剂量的Wnt可以诱导间充质干细胞的分化,而大剂量的Wnt则抑制间充质干细胞的分化。这表明Wnt有促进成骨形成起始的作用[17]。Bain G.等[18]利用骨形成蛋白BMP-2干预C3Hl0T 1/2细胞(一种多潜能干细胞系)使其分化为成骨细胞,发现除了可以增强骨细胞分化早期标志物碱性磷酸酶(ALP)的活性外,其他的与成骨细胞分化相关的标志物如OCN等却基本不受Wnt的影响。另外,还发现BMP-2可以上调β-catenin的蛋白表达,这表明β-catenin可以直接影响成骨前体细胞及成骨细胞增殖分化过程。Mbalaviele G.等[19]认为,β-catenin作为一种分子诱导信号,它是通过增强间充质干细胞对于BMP-2的应答间接诱导其向成骨细胞分化。但也有研究表明Wnt抑制成骨细胞的分化,de Boer J.等[20]研究发现 Wnt3a显著抑制了人MSCs向成骨细胞分化过程中碱性磷酸酶(ALP)的表达,其他与成骨细胞相关基因的表达也明显的减少,并且完全阻断了成骨细胞钙化结节的形成。

有研究发现在骨形成-吸收偶联中,成骨细胞在破骨细胞激活和破骨细胞性骨吸收的调控方面居重要地位,OPG、RANKLI、L-1β、T NF-α和 IFN-γ等因子影响破骨细胞性骨吸收作用的主要靶细胞就是成骨细胞,对破骨细胞的诱导效应也多需要通过成骨细胞介导或放大[21]。Glass D.A.等[22]研究发现,Wnt/β-Catenin 信号通路通过 β-catenin刺激成骨细胞内OPG基因启动子的启动,OPG为破骨细胞分化抑制因子,这说明Wnt/β-Catenin通路在促进成骨细胞分化的同时,也抑制了破骨细胞分化。成骨细胞还可以表达EBF家族中的早期B细胞因子-2(EBF-2),Kieslinger M.等[23]研究发现缺乏EBF-2的小鼠,其OPG表达明显减少,破骨细胞刺激因子RANKL表达显著增加,并且伴随有成骨细胞骨量的急剧减少,EBF-2与OPG基因启动子结合后,可以通过 Wnt/β-Catenin-TCF/LEF途径激活OPG转录子,这说明Wnt/β-Catenin通路可以通过介导成骨细胞EBF-2释放OPG而抑制RANK/RANKL信号,从而减少破骨细胞的生成。

3.4 β-catenin与肿瘤

Wnt/β-catenin作为Caveolae的一条重要信号途径,当信号传导过程发生异常或障碍,会导致细胞生长、分化、代谢及生物学异常,从而引起各种疾病甚至肿瘤。Sotgia F.等[24]研究发现在Caveolin-1敲除小鼠模型中,小鼠输乳管上皮细胞数目增加且分布异常,小鼠乳房干细胞数目急剧增加,β-catenin表达急剧增加。T orres V.A.等[25]研究发现在正常的人结肠癌细胞系HT-29(ATCC)中,Caveolin-1和β-catenin进行免疫共沉淀后,Caveolin-1的表达使生存素的蛋白水平和mRNA显著降低,这提示Caveolin-1可能通过参与 Wnt/β-catenin-TCF/LEF信号途径负性调节生存素的表达。但是,在转移的人结肠癌细胞系HT-29(US)内却没有这种负性调节作用。E-cadherin在HT-29(US)细胞内微量表达,在细胞表面不聚集。Caveolin-1是与E-cadherin共同作用,参与 Wnt/β-catenin-TCF/LEF通路的转录抑制生存素的表达。在HT-29(US)中由于E-cadherin的缺乏导致caveolin-1无法下调生存素的表达。因此,Caveolin-1与肿瘤转移负相关因子E-cadherin的表达呈正相关,这个过程是通过Wnt/βcatenin-T CF/LEF通路实现的[26]。

Bilic J.等[27]研究发现,低密度脂蛋白受体相关蛋白LRP 6通过Caveolin介导的内吞途径发生内吞作用,细胞膜上聚集的LRP 6受体为磷酸化后LRP 6受体,使得β-catenin被磷酸后降解在胞浆之中,致使β-catenin在细胞质中大量聚集,并进入细胞核,调节靶基因的表达,对经典Wnt信号途径的传导起到了关键作用。

4 展望

近年来,β-catenin作为Wnt信号途径的核心分子越来越受到人们的关注。弄清β-catenin的生物学特性有利于许多疾病的防治研究。因此,对Wnt信号及其以β-catenin为中心的信号转到网络分子机制进一步的研究,可以为我们更好的解释生命现象,并有助于提供对防治疾病的新的治疗思路。

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