转录调节因子NUPR1在相关疾病发生发展中的作用及其机制研究进展

李丁

(天津医科大学肿瘤医院/国家肿瘤临床医学研究中心/天津市“肿瘤防治”重点实验室/天津市恶性肿瘤临床医学研究中心，天津300060)

核蛋白1(nuclear protein-1，NUPR1)又名p8、Com1，是一种细胞胁迫相关蛋白，在多种器官包括唾液腺、胃肠、肝脏、胰腺、肾脏及肺部均有低水平的组成型表达，压力条件包括养分缺乏、高糖、活性氧物质增多、代谢废物聚集、遗传物质不稳定等均会促进其表达，并入核发挥转录因子的调节功能，参与调控大量基因的转录表达，触发不同的细胞信号通路[1]。近年的研究发现，NUPR1基因的不正常表达与多种细胞病理过程相关，参与了大量疾病的发生发展。现将NUPR1基因及蛋白的结构和生化特点、在不同疾病发生发展中的作用，及其如何通过调控细胞生物学功能影响疾病发生发展的研究进展情况综述如下。

1 NUPR1基因及其蛋白的结构和生化特性

人类NUPR1基因定位于16号染色体p11.2，其C端所编码蛋白具有转录调节因子典型的螺旋-环-螺旋结构，并有核定位序列，决定其能够入核发挥作用；其N端编码PEST(Pro/Glu/Ser/Thr)序列，在细胞内受泛素降解系统调节。细胞内mRNA的剪切机制能够使NUPR1基因产生两种同源异构体，其中同源异构体a比b多出18个氨基酸，几乎在所有的组织中都有同源异构体a的表达，但其功能尚不清楚。迄今，有关NUPR1的研究几乎都集中在同源异构体b上，该同源异构体一共有82个氨基酸，分子量为8 872.7 Da，生化及蛋白结构分析结果显示其等电点为9.6～10.4，具有14%的酸性氨基酸、20%～24%的碱性氨基酸、14%～17%能够被磷酸化的氨基酸(丝氨酸、苏氨酸及酪氨酸)、6%～9%的脯氨酸和5%～6%的甘氨酸，N端有负电荷定位，而C端所具有的核定位序列内含有两个保守的乙酰化位点，其乙酰化的状态是调节NUPR1蛋白在细胞中定位的关键[2]。

NUPR1蛋白非常保守，从线虫到人类均有较高的同源性，但与其他已知功能的蛋白没有明显的同源性，虽然与高迁移性非组蛋白家族(high mobility group，HMG)，尤其是HMG-I/Y亚家族蛋白存在相似的生化特性，比如相似的分子量、等电点、热稳定性及电荷分布等，但二者之间仅有35%的同源性。

2 NUPR1在相关疾病发生发展中的作用

作为转录调节因子的NUPR1能够调节大量基因的转录表达，从而直接或间接参与多种细胞内信号通路，产生不同的生理病理效应，这一特点使其成为维持细胞稳态的重要因子，但同时NUPR1的不恰当表达，或结构、功能发生改变也会导致各种细胞功能的紊乱，参与影响多种疾病的发生发展，包括肿瘤及非肿瘤性疾病。

2.1 NUPR1在肿瘤性疾病发生发展中的作用 在肿瘤性疾病中，NUPR1在不同的肿瘤微环境中可以产生不同的效应，既可以促进也可以抑制肿瘤的进程，如同一柄“双刃剑”。在胰腺癌中，肿瘤细胞存在NUPR1的高表达(而胰腺纤维囊肿和正常胰腺细胞中并未发现其高表达)，NUPR1通过促进DNA甲基转移酶1的表达改变DNA甲基化水平，抑制了Kirsten大鼠肉瘤病毒原癌基因诱导的细胞衰亡，促进了胰腺上皮内瘤样病变[3]。在乳腺癌中，NUPR1的高表达是早期乳腺癌患者不良预后的重要因素，并且NUPR1能够促进人类乳腺癌细胞在所接种器官里的生长，与其转移性有一定关系[4]。NUPR1在正常人类肺组织中有中等程度表达，下调其表达不仅能够降低非小细胞肺癌的增殖、体外克隆形成及其在裸鼠体内的成瘤性，也能使细胞周期阻滞在G0/G1期，此外还能通过调节自噬潮促使细胞衰亡[5]。在髓性甲状腺肿瘤中，NUPR1的表达水平与淋巴结转移直接相关，并且NUPR1表达较高的患者中24.8%出现了复发[6]。在前列腺癌细胞中，过表达NUPR1能够增加细胞对环格列酮的敏感性，可能起到肿瘤抑制因子的作用[7]。

2.2 NUPR1在非肿瘤性疾病发生发展中的作用 NUPR1使内皮素诱导肾脏系膜增生，从而诱发糖尿病肾病[8]。在心肌疾病中，NUPR1是诱导心肌纤维母细胞产生基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMP) 所必须的，其高表达能导致心衰及心肌肥厚，下调NUPR1的表达能够阻断内皮素及肾上腺素类似物诱导的心肌肥厚[9]。在急性胰腺炎中，NUPR1能够通过诱导胰腺炎相关蛋白Ⅰ的表达，减轻急性炎症对胰腺的损伤，同时也能通过调节凋亡维持免疫反应的稳态而保护胰腺组织[10]。NUPR1通过维持细胞色素P450 2E1的活性减轻四氯化碳对肝脏的毒性作用[11]。NUPR1在不同疾病的发生发展中发挥作用，体现了其功能的多样性。

3 NUPR1在相关疾病发生发展中的作用机制

NUPR1对不同疾病发生发展的作用是通过对各种细胞功能的调控完成的，包括上皮细胞间质转化(epithelial-mesenchymal transition, EMT)、细胞周期调控、染色质重塑、细胞凋亡及自噬等。

3.1 NUPR1参与调控EMT EMT是在胚胎发生过程中上皮细胞向间充质细胞转化的过程，在这个过程中，上皮细胞获得间充质细胞的特性，失去极性，细胞骨架发生改变，细胞形态由多边形或立方形转变为纺锤形，表现为细胞与细胞间、细胞与基质间的连接性和黏附力下降，细胞迁移能力增强，该过程不仅与组织器官重建及伤口愈合有着密切的关系，同时也被认为是肿瘤细胞能够抵抗外界压力，向其他器官转移的重要因素。在小鼠实验[12]中发现，缺失NUPR1的小鼠在压力应激下MMP9表达下降，MMP是一类在一级结构上差异很大，但其活性中心较为保守、依靠活性中心的金属离子催化肽键水解的蛋白水解酶，能够降解细胞外基质包括各种胶原酶及弹性蛋白酶等，不仅能参与细胞的转移也能诱导细胞发生EMT；NUPR1通过诱导转化生长因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)表达，与相应受体结合，形成活化的配体-受体复合物，进而磷酸化SMAD家族蛋白中SMAD2和SMAD3，使其与SMAD4形成复合体，该复合体与DNA结合后能够诱导MMP9的表达，从而促进细胞EMT的发生，SMAD结合元件依赖的启动子在NUPR1基因缺失的小鼠成纤维细胞中的活性相比对照细胞明显下降。此外，NUPR1及TGF-β能够参与细胞周期的抑制，这被认为提供了足够的时间使上皮细胞向间充质细胞转化，从而间接参与了EMT的调节[13]。

3.2 NUPR1参与调控细胞周期 不同的外界压力会触发细胞产生不一的胞内信号传导通路，调节基因表达，使细胞周期短暂停止后重新启动，或者使细胞不再进入新的周期而直接发生凋亡。NUPR1作为压力应激蛋白，被发现在细胞压力应激情况下参与调节细胞周期。NUPR1缺失的纤维母细胞相比对照细胞生长速度更快，并且相比NUPR1缺失的纤维母细胞，正常表达NUPR1的纤维母细胞经血清饥饿处理后细胞周期的停止更加明显，NUPR1能够介导 C-Jun结合蛋白将细胞周期依赖激酶抑制剂p27由胞核重新定位于胞质并降解，阻滞细胞通过S期的进程[14]。Clark等[15]也证实，乳腺癌中NUPR1能够与p53及组蛋白乙酰化转移酶p300形成复合体，从而上调细胞周期依赖蛋白激酶抑制剂p21的表达，阻滞细胞通过G1～S期各个阶段的进程。与上述研究相反，在促性腺细胞系(LbetaT2)、人胶质瘤细胞系(U251)、人星型胶质母细胞瘤细胞系(U87)及非小细胞肺癌细胞中，下调NUPR1蛋白会使细胞阻滞在G0/G1期，认为NUPR1具有促进细胞周期进程的作用[16]。可见，NURP1对细胞周期的调节具有双面性，这取决于细胞种类及其所处的内外环境，同时也从另一方面反应出NUPR1功能的多样性。

3.3 NUPR1参与调控染色质重塑 染色质的重塑是指染色质的结构和位置发生了变化，主要涉及核小体与DNA相对位置的变化，染色质结构尤其是局部染色质结构的改变是控制基因表达的重要组成部分。研究[17]表明，染色质的结构和基因转录之间存在着密切而连续的关系，只有处于“活化”状态的染色质才能够发生基因转录，组蛋白的乙酰化状态是决定染色质结构的关键因素；NUPR1能与染色质蛋白MSL1结合，改变组蛋白乙酰化酶活性，影响组蛋白乙酰化状态，如阻止组蛋白H4第16位赖氨酸的乙酰化，从而参与染色质结构的调节；此外，NUPR1还可以与p300相互作用，通过调节基因组乙酰化及转录后乙酰化修饰，改变基因的表达水平[18]。近期研究[19]发现，NUPR1能够与S-核糖核酸酶结合蛋白家族1B(S-ribonuclease binding protein family protein, RING 1B)相互结合，RING1是Polycomb复合体中的一种蛋白，该复合体功能涉及染色质重塑及基因转录级联反应等，研究认为NUPR1通过与RING 1B的结合参与了染色质结构调节及肿瘤的发生。

3.4 NUPR1参与调控细胞凋亡 细胞凋亡是清除受损细胞、维持机体正常内环境的重要过程，NUPR1被证明参与细胞凋亡的调节。酵母双杂交实验[20]发现，NUPR1与酸性蛋白α胸腺素原相互作用形成稳定的异二聚体复合物，通过抑制Caspase-9的活性，使其不能对Caspase-3及其他半胱天冬蛋白酶进行酶切，进而抑制凋亡发生；乳腺癌及胰腺癌细胞NUPR1的表达水平与其凋亡呈负相关，NUPR1通过转录因子RelB 及早期应答基因抑制凋亡而帮助细胞抵御压力，从而促进肿瘤的发生[21]。在缺氧和葡萄糖缺乏状态下，NUPR1可以通过上调紫外线抵抗相关蛋白帮助胰导管腺癌细胞抵御代谢压力引起的凋亡，促进肿瘤发生[22]。在胶质瘤细胞中，通过下调NUPR1，可以增加细胞外调节蛋白激酶1/2、p38、丝裂原活化蛋白激酶及Caspase-3的表达，进而导致细胞凋亡加速。此外，NURP1还参与了自噬及线粒体介导的凋亡，在骨肉瘤及心肌细胞中，NUPR1能够将FOXC3蛋白由细胞核转运到细胞质，抑制其诱导自噬相关基因bnip3的转录，进而抑制自噬介导的细胞凋亡[23,24]；在甲基苯丙胺引起的上皮细胞线粒体凋亡过程中，Nupr1-Chop/p53-PUMA/Beclin1途经是必须的，有研究[25]认为这条途经的发现对于研究如何抵御甲基苯丙胺造成的心脏毒性提供了很大帮助。

3.5 NUPR1参与调控细胞自噬 自噬作为细胞自我消化过程，是细胞内物质降解再循环的重要途经[26]。NUPR1能够通过不同的途经调节细胞自噬，影响疾病的发生发展。通过对小鼠皮下接种的人星形胶质瘤细胞及小鼠胚胎成纤维细胞的研究发现，NUPR1的表达能够促进活化的转录因子ATF4及C/EBP同源蛋白的转录及表达，ATF4与CHOP形成的复合体通过增加pseudo-kinase TRB3的表达，抑制mTORC1进而上调细胞自噬水平，ATF4对NUPR1还存在正反馈作用，更促进了自噬的发生[27]。在心肌细胞中，NURP1可以影响FOXO3表达及核定位，沉默NUPR1能够促进FOXO3与bnip3启动子结合，导致自噬相关蛋白bnip3转录表达增多，促进细胞自噬。NUPR1还通过上调lncRNA(TGFB2-OT1)的表达，促进3种microRNA(miR3960、miR4488、miR4459)相应靶蛋白(CERS1、NAT8L及LARP1)的表达，而这些蛋白正是自噬过程中的关键因子[28]。在非小细胞肺癌细胞中，NUPR1通过突触相关蛋白25与溶酶体SNAPE相关蛋白VAMP8形成复合物,进而促进自噬小体与溶酶体融合并降解，下调NUPR1的表达会干扰自噬潮，影响自噬溶酶体的清除，造成细胞衰亡，这一发现提示NUPR1对自噬的调节不仅仅是单纯的促进或抑制，更是维持自噬稳态、保障细胞内环境稳定的关键所在[5]。

综上所述，转录调节因子NUPR1作为压力胁迫蛋白，在不同的细胞内外环境下，能够影响众多基因的转录及表达，参与多种疾病的发生发展。但相关研究并不能完全阐明该蛋白在不同疾病中所参与的过程，随着研究的不断深入，新的机制将被发现，这对疾病的预防、诊断及寻找新的治疗靶点都有着重要的意义。