S100A11，一种多生物学功能的Ca2+结合蛋白

赵本正，陈俊宇，徐 萍，陈莹莹，邱 俊，郑晶莹，吴 珊，夏 阳*，赵丽晶*

(1.吉林大学第二医院，吉林 长春130041； 2.吉林大学护理学院，吉林 长春130021；3.空军航空大学门诊部，吉林 长春130021)

S100蛋白在饱和硫酸铵溶液中可100%溶解，该家族包括25个成员，为EF手型Ca2+结合蛋白，分子量约10-12 kD，仅存在于脊椎动物中，以二聚体或多聚体的形式存在。S100家族成员的序列同源性在16%-98%之间，大部分编码基因位于染色体1q21，但S100B、S100G、S100P和S100Z的基因编码区分别位于21、X、4和5号染色体[1]。S100蛋白的结构差异不大，但表达位置、水平及生物学作用却大不相同。

S100A11于1989年被首次发现，并在猪心肌和鸡肫平滑肌中提纯获得。在皮肤和胎盘组织表达最高，在心、肾、脾、肝和肺中表达中等，在骨骼肌、结肠、胸腺和大脑边缘叶中表达较低[2]。S100A11已被证实参与胞吞与胞吐、调控酶活性、调控细胞生长与凋亡、参与炎症反应、细胞膜修复及DNA修复等生物学功能。

1 S100A11蛋白的结构及亚细胞定位

1.1S100A11蛋白的结构

S100A11的三维结构包括Ca2+结合位点、二聚体主体和Ca2+结合构象改变区域。S100A11主体包括两个称为“EF手型结构”的螺旋-环-螺旋结构。N末端的EF手型结构是非传统的Ca2+结合结构域，由螺旋I、伪Ca2+结合位点和螺旋Ⅱ构成；C末端的EF手型结构是经典的Ca2+结合结构域，由螺旋Ⅲ、Ca2+结合位点和螺旋IV构成，对Ca2+的亲和力强于N末端。

无Ca2+结合时，S100A11的螺旋Ⅲ和Ⅳ反向平行关闭而呈球状结构(图1A)。当C末端手型结构与Ca2+结合时，螺旋Ⅲ与螺旋Ⅳ接近垂直，使蛋白疏水口袋开放，成为蛋白-蛋白作用位点(图1B)。Ca2+结合后S100A11的构象改变由远离结合位点的K32-D57盐桥触发[3]。

图1 S100A11的结构[3]

1.2S100A11蛋白的亚细胞定位

在正常人成纤维细胞中，S100A11主要存在于细胞质中；当成纤维细胞发生接触抑制时，S100A11则主要存在于细胞核中[4]。在正常人角质形成细胞(NHK)中，S100A11可移入细胞核与核仁蛋白结合并影响细胞生长[2]。然而，其在肿瘤细胞中定位于细胞质[5]。研究发现，S100A11单体存在于胞质中，而S100A11多聚体则存在于细胞骨架并与β-微管蛋白结合[6]。以Ca2+处理休眠的NHK后，S100A11可转移到细胞边缘，参与形成角质化包膜前体。近期研究发现，在间皮瘤细胞中S100A11可通过与过氧化物酶体膜蛋白PEX14结合，从而经过氧化物酶体途径分泌到细胞外[7]。

2 S100A11蛋白的生物学功能

2.1S100A11参与细胞生长调控

2.1.1S100A11抑制NHK细胞生长 当培养基内Ca2+低于0.1 mM时，NHK细胞持续增殖。当Ca2+升高到1.2-2.0 mM时，细胞生长停止并诱导分化。在表皮细胞，基底层到角化层中Ca2+含量梯度升高， Ca2+介导的NHK细胞生长停滞和分化可能反映了皮肤组织的生理学进程[8]。当NHK细胞暴露于高浓度Ca2+时，S100A11 N末端的Thr10和C末端的Ser94残基发生磷酸化[2]，促使转录因子Sp1/3从细胞核中释放，后者解除KLF16对p21/WAF1基因的抑制作用，增加p21/WAF1的表达，进而抑制NHK细胞生长。

表皮生长因子(EGF)与其受体结合可激活多条信号通路，其中胞质磷脂酶A2(cPLA2)激活是其主要通路，膜联蛋白A1(ANXA1)可结合并抑制cPLA2，从而发挥生长抑制作用。S100A11以钙离子依赖方式通过其N末端与ANXA1结合[9]，增强ANXA1对cPLA2的抑制。裂解的ANXA1不能结合S100A11，高Ca2+环境中S100A11与ANXA1快速结合，阻止ANXA1的磷酸化及裂解。

2.1.2S100A11促进NHK细胞生长 晚期糖基化终产物受体(RAGE)是一种多配体受体，与炎症反应、肾衰竭、神经退行性病变及糖尿病等有关，可与多种配体包括淀粉样蛋白β、HMGB1及S100蛋白家族成员结合[10]。在NHK细胞中，S100A11通过与RAGE结合而激活Akt，后者使cAMP反应元件结合蛋白(CREB)磷酸化，进而激活AP-1，活化EGF，并最终促进NHK细胞生长[11]。

2.1.3S100A11对NHK细胞生长的双重调控作用 S100A11对NHK细胞具有抑制及促进生长的双重调控作用，但两种调控方式的转化及机制尚不明晰。有必要继续深入研究S100A11的生长调控机制，明确其促进生长与抑制生长的转换模式。

2.2S100A11参与双链DNA修复

DNA双链断裂(DSBs)严重影响基因组的稳定，导致细胞周期停滞或DNA重组，从而引起细胞功能障碍、细胞死亡或肿瘤发生。DNA复制叉坍塌导致的DNA复制停滞是引起DSBs的主要原因，同源重组是DSBs修复的主要方式。Rad54B可通过恢复DNA复制叉，从而参与同源重组介导的DNA损伤修复[12]。在DNA损伤的HaCaT细胞核中，S100A11可与Rad54B结合并定位于双链DNA损伤修复的位点；无S100A11存在时，Rad54B无DNA损伤修复功能，提示S100A11参与了DNA的损伤修复[13]。近期研究发现，断裂的双链DNA可形成3’-单链DNA(ssDNA)，ssDNA与Rad51结合形成核蛋白丝，从而启动DSBs同源重组修复。有Ca2+存在时，S100A11与Rad51相互作用，从而调整ATP水解速率，使Rad51/ATP/ssDNA核蛋白丝稳定参与DSBs的同源重组修复[14]。

2.3S100A11参与细胞膜修复

即使在稳定的细胞外环境中，细胞膜也会因各种机制而发生损伤。细胞膜修复(PMR)时，Ca2+内流并聚集到膜损伤位点，促进细胞骨架重构及细胞膜融合。皮层细胞骨架与细胞膜张力紧密相关，皮层细胞骨架重组对细胞膜修复至关重要[15]。膜联蛋白(ANX)是一种Ca2+结合蛋白，其成员ANXA1、ANXA6和ANXA5可通过促进细胞膜融合或形成蛋白质晶格，从而参与细胞膜修复[16]。ANXA2可参与细胞膜修复及细胞内囊泡融合[17]。恶性肿瘤细胞发生PMR时，Ca2+进入细胞内膜损伤位点，使细胞内ANXA1与皮层细胞骨架F-肌动蛋白结合，从而减弱受损细胞膜的张力，并促进S100A11与ANXA2结合。S100A11-ANXA2复合体可使解聚的F-肌动蛋白重构，切除细胞膜损伤区域，促进正常细胞膜融合而发挥细胞膜修复作用[18]。S100A11-ANXA2复合体也参与正常血管内皮的细胞膜修复[19]。

2.4S100A11参与癌症发生发展

S100A11在子宫平滑肌瘤、大细胞淋巴瘤、胰腺癌、直肠癌、乳腺癌、高级别浆液性卵巢癌、肾透明细胞癌、甲状腺癌、肝内胆管细胞癌、胃癌、肺癌及恶性胸膜间皮瘤中高表达，而且其高表达与乳腺癌、高级别浆液性卵巢癌、肾透明细胞癌及胰腺癌患者的不良预后有关[20]。S100A11在食管鳞癌和膀胱癌中低表达，并且膀胱癌中S100A11缺失与不良预后有关[21]。在卵巢癌HO8910细胞中，敲除S100A11基因可有效抑制卵巢癌细胞的生长和侵袭[22]。此外，在一些肿瘤中，S100A11可发挥肿瘤促进因子的作用，如维持鳞癌细胞系的增殖[11]。

虽然S100A11在肿瘤中的具体作用及机制尚未明确，但是其特异性表达模式或将为某些肿瘤的早期诊断提供帮助。

2.5S100A11的其他生物学功能

2.5.1S100A11参与骨关节炎进程 研究发现，S100A11可作为RAGE配体调控软骨细胞肥大[23]。这一骨关节炎发生发展的关键病理变化，伴随X型胶原及基质金属蛋白酶13(MMP13)过表达。软骨细胞肥大诱导因子CXCL8和ATRA及骨关节炎发生调控因子TNF-α可促进S100A11分泌至人关节软骨细胞培养基介质。CXCL8通过CXCR1 和CXCR2差异性激活，从而实现其信号转导及生物学功能[24]。已经证实，CXCR1 和CXCR2可诱导关节软骨细胞肥大。谷氨酰胺转酰胺酶2通过对S100A11 Lys3和Gln102残基的转酰胺基作用，将S100A11转变为共价结合的同源二聚体，后者能与RAGE更快结合，且这一过程可发生在细胞外围[25]。因此，S100A11通过与RAGE结合，激活p38 MAPK激酶，促进X型胶原表达，从而使软骨细胞肥大。

2.5.2S100A11参与细胞形态学改变 S100家族的许多成员参与调控细胞骨架动力学。S100A11与S100B可使微管解聚，并调控肌动蛋白微丝及中间丝的动力学[26]。S100A2可组织细胞骨架运动[27]，S100A4可调控肌球蛋白动力学[28]，S100A8/S100A9复合体可介导Ca2+依赖的中间丝与细胞膜相互作用[29]，S100A11可与肌动蛋白、β-微管蛋白及中间丝相互作用。以S100A11干预低密度人成纤维细胞后，成纤维细胞发生剧烈的形态学改变而形成细胞凸起，并且这些细胞伪足中肌动蛋白微丝聚集[4]，提示S100A11可促进肌动蛋白聚集，并对细胞形态学改变具有重要作用。

3 结论

作为S100蛋白家族成员，S100A11通过C末端的Ca2+结合结构域与Ca2+结合后，蛋白疏水口袋开放，蛋白结合位点暴露，与各种靶蛋白结合。从而发挥对细胞生长的双重调控作用，对细胞膜损伤及DNA损伤的修复作用，对肿瘤发生发展、慢性骨关节炎进程的促进作用，以及调控细胞形态学改变等生物学过程。S100A11参与多种细胞活性及功能调控，有必要深入探索其功能并阐明其作用机制，为相关疾病或功能障碍的预防、诊断及治疗提供新的靶点和思路。