促凋亡基因PUMA的研究进展及其与肿瘤的关系

王剑龙郭刚文孙剑锋周晓哲唐永祥* ( 中南大学湘雅三医院骨科，湖南 长沙 4003； 中南大学湘雅医院核医学科，湖南 长沙 40000)

促凋亡基因PUMA的研究进展及其与肿瘤的关系

王剑龙1郭刚文1孙剑锋1周晓哲1唐永祥2* (1 中南大学湘雅三医院骨科，湖南 长沙 410013；2 中南大学湘雅医院核医学科，湖南 长沙 410000)

PUMA(p53 upregulated modulator of apoptosis，p53 上调凋亡调控因子 ) 属于 Bcl-2 家族中的 BH3 仅有蛋白，可在包括基因毒性应激、癌基因无受控表达、毒素、氧化还原状态改变、感染及生长因子 /细胞因子减少等多种应激诱发的细胞依赖 p53 及非依赖 p53 机制凋亡中起关键调节作用。PUMA 主要机制是将各种凋亡信号传导给胞体内线粒体，线粒体经过各种过程间接作用于 Bcl-2 家族成员中的 Bax和（或）Bak 抑制凋亡作用，阻断抑制凋亡家族因子的抗凋亡作用。PUMA 直接与所有已知的抗凋亡 Bcl-2 家族结合并对抗其阻断的线粒体功能障碍和 caspase 的激活，将细胞推向凋亡程序。PUMA 基因的敲除或抑制会导致凋亡抑制，从而潜在的增加了癌症的危险性和治疗的对抗性。PUMA 表达的上调可增加癌细胞对放化疗的敏感性，而抑制 PUMA 的表达可能会遏制组织损伤和退行性疾病细胞的过度死亡，因此PUMA是细胞死亡刺激的总体感应器，为肿瘤和组织损伤治疗提供了有重要意义的药物靶点方向。

PUMA；Bcl-2 家族；细胞凋亡；肿瘤

1 PUMA的发现和结构特点

1.1 PUMA的发现

20世纪初Nakano等[1]利用基因表达系技术分析p53转录靶基因时发现了PUMA。而且在人和大鼠中PUMA有高度的保真性。PUMA可迅速被内、外源性p53诱导激活，激活后两者联合具备十分强大的促凋亡活性。人类体细胞PUMA基因定位于19q13.3～13.4，基因全长中中含有4个外显子(1a或1b，2，3和4)，通过转录和翻译编码全长含193个氨基酸残基具有一定空间结构的蛋白，PUMA基因转录后形成2种主要种含BH-3结构域的剪接体，即PUMA-α和PUMA-β，目前研究者主要关注PUMA-α。

1.2 PUMA蛋白结构

一系列研究表明PUMA属于Bcl-2家族中仅只含有一个BH3结构域蛋白成员，BH3结构域经典一级结构包含9个氨基酸残基(LRRMADDLN)形成一定空间结构的结合位点结构域，位于PUMA基因序列的141-149位。PUMA与Bcl-2家族中其他促凋亡蛋白（Bik、Bad、Bid、Bim、Hrk/DP5及线虫Eg-1等）的共同点是：它们都只存在1个BH3(Bcl-2 homology3)结构域，统称为BH3仅有蛋白。PUMA中的BH3结构域必需与Bcl-2家族其他蛋白（如Bcl-2和Bcl-XL）相结合后相互作用才能完成它的功能，是PUMA发挥促凋亡作用的不可缺少的结构域[2]。

2 PUMA在细胞凋亡中发挥的作用

2.1 在基因毒性应激中通过p53基因依赖性途径诱导细胞凋亡

p53是目前公认的抑癌基因，其可通过抑制细胞周期进展、激活凋亡而抑制着肿瘤细胞的生长，而这些作用主要通过其下游靶基因的转录激活体现出来。PUMA作为p53的下游调节基因，在被各种基因毒性应激过程中诱导上调将严格依赖p53进行，也是p53诱导细胞凋亡途径中的最关键参与成员。各种基因毒性应激如：DNA染色体较大损失、癌基因的上调、缺氧等应激反应都有上调p53基因转录的效应，再通过激活且增强PUMA的表达发挥诱导细胞凋亡的效应[3]。Yu等[4]研究小组表明，大肠癌细胞通过基因敲除手段将PUMA基因敲除后可完全避免DNA损伤反应或诱导p53高表达药物（如阿霉素、顺铂等）引起的凋亡作用。因此我们可以推断，P53诱导细胞凋亡途径中PUMA在调节下游中发挥着不可缺少且为关键的调节作用。

2.2 其他应激p53非依赖性途径诱导的细胞凋亡

p53促凋亡机制下游靶基因众多，一般是依赖P53在其下游进行调节发挥作用，但PUMA作为p53下游靶基因与其他靶基因不同的特点，是PUMA不仅在基因损伤应激中通过依赖P53的途径诱导细胞凋亡，还可以对其他非基因损伤应激通过p53非依赖性途径诱导上调从而诱导细胞凋亡，如①致癌性应激[5-7]；②生长因子/细胞因子的缺乏和激酶的抑制[8-10]；③内质网应激[11-13]；④氧化还原当量变化应激[14,15]；⑤缺血再灌注损伤[16]；⑥免疫调节[17-19]；⑦感染[20]；⑧其他应激如：DNA毒性药物、蛋白酶抑制剂、γ射线和紫外线、癌基因激活、多倍体产生、糖皮质激素、及内稳态改变等都能在相关转录水平和分子机制基础上能诱导PUMA依赖性细胞凋亡。多种应激可激发非依赖p53的PUMA诱导细胞凋亡。

2.3 PUMA诱导凋亡的机制

哺乳动物细胞发生凋亡主要是通过死亡受体途径(亦称外在途径)及Bcl-2途径(线粒体途径或内在途径)介导[21]。激活后的PUMA要发挥其促凋亡的作用，不仅需要与Bcl-2家族其他蛋白成员作用相联系，还与其在线粒体的定位有关。研究提示，PUMA通过激活多区域促凋亡蛋白Bax和（或）Bak并引起它们的改变而引发细胞凋亡。这种改变同时伴随有线粒体功能障碍和Caspase的激活。

2.3.1 PUMA与Bcl-2家族成员相互作用

与其他BH3仅有蛋白诱导的细胞凋亡相似[22]，PUMA诱导细胞凋亡同样需要Bax和（或）Bak的存在，YU等[4]研究显示，PUMA蛋白表达增加的同时可促进Bax的表达增加、构象改变和多聚化，进而促进细胞凋亡。PUMA作用于Bcl-2/Bcl-XL或直接作用于Bax/Bak后，Bax/Bak蛋白转位到线粒体外膜，从而线粒体膜通透性增加就释放出细胞色素C(Cyt-C)，细胞色素C在ATP的存在下可与凋亡蛋白酶活化因子1（Apaf-1）结合形成凋亡复合体然后进一步聚集上调caspase导致细胞凋亡[4]。

2.3.2 PUMA诱导线粒体功能障碍

经线粒体途径的细胞凋亡是目前细胞凋亡研究的热点，对其发生机制的研究目前仍存在争论：很多研究者认为凋亡的级联反应中线粒体通透性改变之后下一步才会发生Caspase反应。当细胞受到各种凋亡刺激时，Bax/Bak在胞质中定位到线粒体膜后从新聚体空间结构从新排列形成有孔的蛋白通道改变线粒体膜的通透性，线粒体通透性改变并且释放Cty-C和Smac/DIABLO，细胞色素C通过接头蛋白Apaf-1(apoptosis activating factor 1)活化启动Caspase，然后活化效应Caspase，活化的Caspase发生级联反应破坏细胞内调节生长的主要蛋白和酶类从而使细胞发生凋亡，而Smac/DIABLO通过解除IAP对Caspase级联反应的抑制而促进凋亡。

3 PUMA与肿瘤的关系

3.1 PUMA与肿瘤的发生

由上述我们可以得知PUMA与细胞凋亡有密切的关系，无论是对应激反应促发的细胞凋亡还是依赖和非依赖p53途径引起细胞凋亡。正常细胞有其促进自身凋亡的机制，对各种应激刺激有正常的反应或导致细胞凋亡，防止肿瘤性转变或发生。当PUMA基因缺失或突变而导致细胞凋亡受到抑制时，我们会本能的想到细胞会发生凋亡异常而发生恶性转化，当然机体对体内小部分细胞发生恶变会有相应的免疫反应来杀死这些肿瘤细胞，但到PUMA的抑制牵连到机体不同的组织包括免疫反应细胞，即使发生在正常细胞内，也会增加机体发生肿瘤的概率。

细胞凋亡在抗肿瘤形成中的作用显著，细胞凋亡受抑制后能促成肿瘤的形成及恶化并减小抗癌治疗的反应。目前有大量研究表明PUMA的功能在肿瘤细胞中明显受到抑制。①超过50%的人类肿瘤细胞存在p53的变异[23]，而突变的p53能消除由化疗和放疗诱导的PUMA的上调；②在肿瘤细胞中多种抗凋亡因子均能抵制由PUMA诱导的肿瘤细胞凋亡；③在人类恶性肿瘤黑色素瘤中发现有PUMA蛋白表达的显著下降，且PUMA的下调可作为肿瘤患者预后不佳的独立预测因子[7]。

3.2 PUMA与肿瘤的治疗

在针对以PUMA为研究方向的临床药物治疗肿瘤患者的证据逐渐兴起，而化疗是肿瘤治疗的重要手段，但目前临床上及研究的许多化疗药物发挥抗肿瘤作用是通过上调P53作用诱导肿瘤细胞凋亡来实现的，PUMA作为P53下游靶基因在化疗药物介导肿瘤细胞的凋亡的过程中同样有关键的作用，如在化疗6小时后的乳腺癌患者活体组织病检分析发现PUMA mRNA转录上调[24]。在无患病生存率和整体独立预后指标研究中发现大肠癌患者接受5-氟尿嘧啶第二第三期治疗后PUMA和Bim的高表达说明患者预后较好[25]。地塞米松可诱导那些对治疗敏感的白血病细胞中PUMA的表达，但对治疗抵抗的白血病细胞中不能被诱导出来。在大量的癌细胞培养和移植研究中发现无论是放疗和化疗单独或联合应用导致PUMA的高表达都会对癌细胞产生很大的杀伤力，这些研究包括有肺癌、黑色素瘤、胃腺癌、乳腺癌和前列腺癌等[26]。还有研究发现将分别带有PUMA基因的腺病毒和p53基因的腺病毒转入癌细胞，带有PUMA基因的腺病毒比后者更明显的增加了癌细胞对化疗的敏感性，这说明以PUMA为基础的目的基因治疗对那些因肿瘤固有蛋白或病毒蛋白将p53基因失活后将其激活治疗更有效。

目前临床上放疗和化疗能对机体生长旺盛的细胞组织（如骨髓、毛囊和胃肠上皮细胞）产生严重的副作用，而这些副作用限制了肿瘤药物剂量的应用，减少治疗带来的副作用对肿瘤病人至关重要。在γ射线诱导造血干细胞及消化系统损伤中，PUMA起重要调节作用，而抑制PUMA在这些正常组织中的表达可能会减轻化疗和放疗的副作用，相对促进放化疗对肿瘤的治疗效果[27]。

由于PUMA在诱导细胞凋亡方面和肿瘤发生中作用逐步得到证实，使我们相信随着研究PUMA蛋白的进一步加深，在恶性肿瘤的治疗方面会有新的进展。而目前最重要的挑战是在肿瘤治疗方面明确正常组织和肿瘤组织不同的信号途径，控制PUMA介导的凋亡机制选择性的杀死肿瘤细胞，为肿瘤的诊断和治疗等提供新的作用靶点。

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：1671-8194（2013）03-0050-03

*通讯作者：E-mail：xyyf0401@qq.com