核纤层蛋白及相关疾病研究进展

马玉清，杨柳

(广西师范大学生命科学学院，广西桂林 541004)

核纤层蛋白及相关疾病研究进展

马玉清，杨柳

(广西师范大学生命科学学院，广西桂林 541004)

核纤层蛋白(lamin)是核纤层的主要成分，其在维持高等真核生物细胞核核膜结构与功能完整性等方面具有重要作用。lamin的功能对人类健康至关重要，lamin A的编码基因LMNA发生突变会引起很多种人类疾病，这些疾病被统称为核纤层蛋白病。

核纤层蛋白；LMNA基因；核纤层蛋白病

真核生物的细胞核通常包含核孔复合体、核基质和核纤层三个主要成分。核纤层是由核纤层蛋白(lamin)组成的网状结构，位于内核膜的核基质表面。lamin为中间纤维蛋白家族的组成成员之一，是惟一一类存在于细胞核的中间纤维，其为核膜提供一个具有装配功能和维持结构稳定的框架。lamin可单独或通过与其结合的蛋白质和染色质结合，从而决定染色质在细胞核中的定位。lamin还可直接或间接地调节基因表达、分化、DNA修复和凋亡等细胞进程。近年来的研究表明，LMNA基因突变与许多种人类疾病相关，lamin对人类健康的重要性已经变得越来越明显。现就lamin的组成和结构、功能及与lamin相关疾病的研究进展进行综述。

1 lamin的组成与结构

动物细胞有A型和B型两种类型的lamin，A型lamin在大多数终端分化细胞中表达，B型lamin几乎在所有体细胞中都表达。A型的lamin A、AΔ10和lamin C/C2由LMNA基因编码并且由选择性剪切产生，B型的lamin B1和B2/B3分别由LMNB1和LMNB2编码，其中lamin C2/B3仅存在于生殖细胞[1]。所有的lamin都具有N末端头部、C末端尾部以及一个杆状的α螺旋中心，其中C末端尾部区域呈线性结构，包含核膜定位位点、免疫球蛋白折叠区和法尼基化所必需的CAAX盒[2]。B型lamin是永久法尼基化的，而A型lamin不保留法尼基。法尼基化可以加强B型lamin与核内膜的连接，当lamin A和C缺乏这种修饰时其与核膜的连接会变得比较松散，而且占用核质空间。两个lamin通过中心的杆状域相互作用形成螺旋二聚体，两个螺旋二聚体头尾相连形成极性的原纤维。这些原纤维再侧向半交错连接，以反平行的方式形成非极性的四聚物，最终相互作用形成网状的核纤层[3]。

2 lamin的功能

2.1 lamin在维持细胞核结构与功能中的作用 核纤层通过细胞核骨架-细胞质骨架连接复合物与细胞骨架相连，在机械转导中起重要作用。lamin形成大分子量结构，高分辨率显微镜数据显示A型和B型lamin相互作用形成一个独特且相互依赖的纤维网状结构。这些结构可能在核纤层的组织和细胞核形状的维持中起作用。然而又发现，lamin A/C在调节核的刚度和弹性方面起着显著的作用，在细胞核应对机械外力时，lamin A/C的减少会增加细胞核的可变性[4]。研究表明，lamin A/C在不同细胞类型中的差异表达导致lamin A/C与lamin B比率的变化。lamin A/C表达量高的组织细胞经常发生机械扭转，例如肌肉组织和心脏。癌细胞的转移也可能是由于lamin A/ C表达量的变化影响了癌细胞的细胞核稳定性[5]。最近的一项研究发现lamin A/C的构象有依赖于机械力的变化，这表明lamin在细胞核受到外界压力时具有调整细胞核形态的作用[6]。与lamin A/C突变相关的Emery-Dreifuss肌营养不良症(EDMD)和扩张型心肌病(DCM)的研究则更加证实了lamin A/C在维持细胞核结构中的作用。在具有组织特异性的EDMD动物模型中，肌细胞的结构与功能可以通过负责蛋白质异戊烯化的酶的基因失活而恢复正常[7]。需要指明的一点是，不是所有的LMNA基因突变都与EDMD或DMC相关，也不是与家族性部分脂肪代谢障碍相关的突变都会导致核结构异常，不同的LMNA突变对细胞核的结构与功能产生不同的影响。

2.2 lamin在染色质结构和染色体组空间定位中的作用 A型和B型lamin均具有DNA结合位点，在细胞核内与染色质相互作用，它们的数量和结构的改变会影响染色体组的完整性。用体内DNA标记法分析染色质与lamin的相互作用，证明了lamin与染色质较大的区域有动态的接触，这些接触区域被称为核纤层相关结构域。这些结构域富含抑制性组蛋白标记，表明核纤层相关结构域是一个不利于染色质聚集定位的区域，但lamin对核纤层相关结构域的形成所起的具体作用仍不清楚[8]。甲基化酶鉴定法的研究表明lamin A/C相关的染色体结构域与lamin B相关的染色体结构域之间具有非常高的一致性。研究者利用染色质免疫共沉淀方法确定了lamin A/C的一个亚群，该亚群与染色质的活性区域相互作用，这点与lamin的互作因子LAP 2α相一致。这种相互作用可能发生在细胞核质内而不是在核纤层，因为LAP 2α与lamin A/C共定位于细胞核内部。lamin A突变蛋白progerin会导致LAP 2α和lamin A/C的表达显著减少[9]，这些变化能够影响细胞增殖过程的关键步骤。lamin A/C和LAP 2α之间必须保持平衡才能维持正常的细胞功能，但目前仍不清楚这一平衡是如何实现的。lamin与核纤层的其他组分一起组成核包膜跨膜蛋白，并通过固定外周异染色质到核纤层和细胞分化过程中核内基因的重新定位来影响基因表达[10]。lamin A和突变progerin对染色质的结构稳定和空间定位影响显著，在表达progerin的细胞中，外周异染色质逐渐减少，而且异染色质的几个组蛋白标记也全都消失[11]。

2.3 lamin在细胞衰老与细胞分化中的作用 许多研究已经表明，lamin B1表达水平的变化是细胞衰老的标志。细胞衰老是由许多应激诱导的永久的细胞周期停滞状态，包括持续DNA损伤、氧化应激和原癌基因激活。lamin B1表达的上调或下调会伴随细胞衰老，lamin B1的沉默虽然导致细胞周期阻滞，但是它本身不会引起细胞衰老。lamin B1沉默时存在部分A型lamin的沉默，复制性衰老也伴随着lamin A尾部的氧化，导致其功能失活[12]。此外，lamin B1与lamin A/C表达的比率也是很重要的，可能成为细胞老化的关键原因。lamin B在复制性衰老细胞中表达的降低可能使核膜上lamin B-LBR-染色质复合物不稳定，导致LBR在复制性衰老细胞中的扩散性分布。lamin B-LBR-染色质复合物在细胞核功能中有重要的作用，复合物的不稳定将会损害细胞核功能，可能引起细胞衰老的发生。核膜蛋白的进一步分析将为细胞衰老提供新的观点[13]。在细胞衰老时，LBR和lamin B1的下调是与核纤层结合的异染色质的释放所必需的，可以导致染色质结构和基因表达的改变。lamin也参与细胞分化的过程，随着祖细胞分化，根据细胞类型和它们被驱动的谱系，在细胞内发生一系列物理变化。这些生物物理变化延伸到细胞核，例如胚胎干细胞分化伴随着染色质凝聚的增加，进而导致核硬度的增加[14]。lamin在细胞分化过程中也发生变化，小鼠ES细胞在细胞分化期间开始高水平的表达A型lamin，说明其在分化状态的维持中起作用[15]。

3 lamin相关疾病

3.1 DCM EDMD是一种伴随着关节挛缩、肌肉持续性衰退和骨骼肌无力等症状的遗传性疾病。许多EDMD患者亦患有DCM，经常表现出电传导异常。LMNA突变可引起EDMD的常染色体显性遗传和低频率的隐性遗传。LMNA突变约占家族性DCM的25%左右[16]。家系调查显示LMNA突变也导致不伴随骨骼肌疾病的DCM。在对患有常染色体显性遗传的DCM并伴随传导系统障碍的11个家族进行评估后确定了新的LMNA突变，这些突变都会引起可遗传的传导系统疾病(房性心律失常、房室传导阻滞或窦性心动过缓)和DCM。受影响的家庭成员常表现出心力衰竭或猝死。然而，没有家族成员表现出EDMD的临床特征，如关节挛缩或骨骼肌病变等。

LMNA-/-小鼠是创建的第一个LMNA突变动物模型，通过移除C末端区域自外显子8到外显子11的前半部分来建立。LMNA+/-杂交的后代中，LMNA-/-与杂合子和野生型均呈现正常的胚胎发育。然而，LMNA-/-在出生2～3周后生长明显变慢，最终在大约8周龄死亡，主要诱因是肌肉萎缩和心脏损伤，LMNA+/-小鼠在4～6周龄时显示出中度严重性的心功能障碍和心肌细胞损伤。有趣的是，有研究显示LMNA+/-小鼠在12个月龄时有严重的心脏异常，这类似于由LMNA引起的人的DCM[17]。LMNA心肌病小鼠模型可能为这种疾病的病理生理学提供一个重要的分子视角。

3.2 Hutchinson-Gilford早衰综合征(HGPS) 早衰综合征是一种罕见的儿童过早衰老性疾病，大多数HGPS病例的遗传基础是在LMNA的第11个外显子中G608G发生了突变(GGC>GGT)[18]，这导致一个新的隐蔽剪切位点的激活。该LMNA突变导致pre-lamin A羧基末端50个氨基酸的缺失，产生截断的蛋白质progerin。progerin在HGPS核中的积累对细胞核形态、染色体组织、端粒长度、DNA修复、核质运输等诸多功能产生影响[19]。研究[20,21]表明，法尼基转移酶抑制剂、雷帕霉素、西罗莫司脂化物等可以在HGPS患者治疗中起到一定的效果，但是均会产生不同程度的不良反应，所以这些药物均不能从根本上对HGPS起到治疗作用。对于HGPS，需要研究出更加有效的治疗药物或治疗方法。研究人员利用CRISPR基因编辑技术成功对DNA进行定点改造，这为通过改造缺陷基因来治疗遗传疾病提供了可能性[22]，也为核纤层蛋白病的治疗提供了积极的指导作用。

3.3 癌症 lamin表达的变化在多种癌症中被报道，在癌组织中的异常定位或错误表达可能使lamin成为癌症的生物诊断标志物之一。有研究[23]者发现，A型lamin的表达与Ⅱ、Ⅲ期结肠癌患者的复发具有一定的相关性，低水平的lamin A/C表达与疾病的高复发率有很大的关联，并指出这些患者可能从化疗中获益。此外，在结直肠癌组织中钙结合蛋白S100A6及其相互作用蛋白β-连环蛋白(Wnt通路效应物)的作用研究中发现，转移性与非转移性人类结直肠癌细胞系都存在S100A6的高表达。S100A6蛋白也被确定为lamin A/C的一种新的互作蛋白，因此lamin A/C与结直肠癌的发生具有一定的潜在联系[24]。这些研究结果都清楚地表明，lamin的异常调节会导致各种类型的胃肠道癌症。lamin的多样功能和广泛的相互作用使其可能成为癌症生物标志物，预示肿瘤进展。lamin在大多数癌症中过表达，有维持癌细胞稳态的能力。在肿瘤中维持细胞的分化、增殖和迁移，这对侵袭性肿瘤至关重要。与癌症确切的预后指标相比，lamin可作为癌症的潜在生物诊断标记[25]。

在过去近十年里，关于lamin的研究与日俱增，在理解lamin的生物学性质和与LMNA基因突变相关的疾病方面取得了巨大进步，但仍然有很多未知的地方等待进一步探索研究。例如在分化和发育期间，不同细胞类型中lamin A/C对基因组动态空间组织的相对作用；在组织转录和DNA损伤修复中具有哪些潜在作用；另外，对不影响pre-lamin A进程的LMNA错义突变引起的组织特异性疾病的分子机制也知之甚少。在成肌分化过程中与肌营养不良相关的LMNA错义突变破坏核纤层相关结构域并改变异染色质组织，这些发现加强了lamin A/C在细胞分化期间在染色质的空间和结构重塑中起作用这一观点。迄今为止，已经发现数百个LMNA基因突变与组织特异性疾病相关。因此，可以推测这些突变中至少有一些突变通过影响细胞因子的定位和亚细胞分布引起组织特异性损伤，这些细胞因子在调节细胞类型特异性调控基因或细胞通路、协调细胞核的空间组织和功能中具有重要作用。此外，我们还要更深入地研究lamin B1和B2的功能，有证据表明B型lamin是DNA复制所必需的，现已确定在DNA复制的延伸阶段中lamin B1起特定作用。lamin B1和B2涉及到神经元的迁移和存活，在lamin B1缺陷的皮层神经元中可观察到核孔复合物分布的改变[26]。预计在未来几年内，对于B型lamin领域的研究将会进一步拓展深入。

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直线相关与回归分析的区别和联系

区别：①资料要求不同：直线相关分析要求两个变量都是正态分布；回归分析要求因变量Y服从正态分布，而自变量X是能精确测量和严格控制的变量。② 统计意义不同：直线相关分析反映两变量间的伴随关系，这种关系是相互的、对等的，不一定有因果关系；回归则分析反映两变量间的依存关系，一般将“因”或较易测定、变异较小者定为自变量，这种依存关系可能是因果关系或从属关系。③分析目不同：直线相关分析的目的是把两变量间直线关系的密切程度及方向用一统计指标表示出来；回归分析的目的则是把自变量与应变量间的关系用函数公式定量表达出来，回归分析不仅可以揭示X对Y的影响大小，还可以由回归方程进行数量上的预测和控制。④变量的意义不同：在回归分析中，因变量Y处在被解释的特殊地位；在直线相关分析中，X与Y处于平等的地位。在直线相关分析中，X与Y都是随机变量；在回归分析中，Y是随机变量，X可以是随机变量，也可以是非随机的，通常在回归模型中，总是假定X是非随机的。

联系：①变量间关系的方向一致。②假设检验等价对同一样本。③r与b值可相互换算。④用回归解释相关系数的平方r2称为决定系数，是回归平方和与总的离均差平方和之比，故回归平方和是引入相关变量后总平方和减少的部分,其大小取决于r2。回归平方和越接近总平方和，则r2越接近1，说明引入相关的效果越好，反之，则说明引入相关的效果不好或意义不大。

研究在专业上有一定联系的两个变量之间是否存在直线关系以及如何求得直线回归方程等问题，需进行直线相关和回归分析。从研究的目的来说，若仅仅为了了解两变量之间呈直线关系的密切程度和方向，宜选用线性相关分析；若仅仅为了建立由自变量推算因变量的直线回归方程，宜选用直线回归分析。从资料所具备的条件来说，作相关分析时要求两变量都是随机变量；作回归分析时要求因变量是随机变量，自变量可以是随机的，也可以是一般变量。当两变量都是随机变量时，常需同时给出相关与回归分析的结果。

国家自然科学基金资助项目(31560319)；广西自然科学基金资助项目(2015GXNSFCA139022)；广西师范大学大学生创新训练项目(201510602004)。

杨柳(E-mail： yangl@mailbox.gxnu.edu.cn)

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.22.040

R735.2

A

1002-266X(2017)22-0109-04

2017-03-30)