基质相互作用分子1的结构和功能及其在疾病中的作用研究进展

张 俊，宋必卫，章方珺

（1.浙江中医药大学附属第二医院，浙江杭州310005；2.浙江工业大学药学院，浙江 杭州310014；3.杭州市临安区人民医院，浙江 杭州311300）

基质相互作用分子（stromal interaction molecule，STIM）是一种由600～700个氨基酸残基组成的广泛分布于人体细胞中的单次跨膜蛋白［1］。最早在研究与前体结合的基质细胞产物中被发现，因其能介导基质与造血细胞之间的相互作用，而被命名为STIM［2］。人源STIM 家族蛋白主要包括STIM1和STIM2 两种亚型，目前研究发现，两者虽在主体序列部分同源性较高（具有61%序列一致），但在功能上却大相径庭［3］。STIM1 在人体的大部分组织中的表达和功能均较STIM2 强，提示STIM1 在人体生理功能中起主要作用，因此，现阶段大部分的研究主要集中于STIM1。

STIM1 最早由Roos 等［1］于2005 年发现。该研究团队利用核醣核酸干扰（RNA interference，RNAi）技术来寻找基因与钙池调控钙离子通道（store-operated calcium channel）的相关性。在经过实验筛选了170 种基因后，最终发现了STIM，并且在随后的研究中进一步确定了STIM1 是钙池操纵钙内流（store-operated calcium entry，SOCE）这一过程的重要参与者。SOCE 为非兴奋性细胞钙离子内流的主要方式，而STIM1作为SOCE的钙离子感受器，参与机体多种生理和病理过程，具有广泛的生物学功能和极其重要的病理学意义。因近些年来不断有研究发现STIM1 与多种疾病的发生发展关系密切，与其相关研究的热度不断攀升。

1 STIM1的结构特点

STIM1 是一个由685 个氨基酸组成的Ⅰ型跨膜蛋白，其编码基因位于人的第11 号染色体短臂第1 区第5 带第5 亚带上（11p15.5），碱基长度为4380 bp［4-5］。STIM1相对分子量为75 ku，由1个约22 ku位于内质网或肌浆网内的N端、1个单跨膜片段和1 个约51 ku 游离于胞浆中的C 端所构成［3，6］。其中N 端又可进一步细分为EF-hand 结构域和无菌α 基序（sterile alpha motif，SAM）结构域，位于STIM1 蛋白的65-96 氨基酸位点的EF-hand 结构域是1个带负电荷残基lelix环螺旋（lelix-loop-helix）的基序，中间是12 个氨基酸围成的环状结构，为Ca2+的结合位点；C 端可分为2 个卷曲螺旋结构域即埃兹蛋白/根蛋白/膜突蛋白区（ezrin/radixin/moesin，ERM）、丝氨酸/脯氨酸富集（serine/prolinerich，S/P）区和Ploy-K 结构域尾巴，主要用于维持静 息 状 态 时STIM1 的 结 构。Yuan 等［7］确 定 了STIM1中能够与Orai1蛋白通道发生相互作用并激活的最小片段，并将这个片段命名为STIM1-Orai1激活区（STIM1-Orai1 activated region，SOAR）。Yang 等［5］利用X 射线晶体学方法对其三维晶体结构进行了解析。人源SOAR 的整个结构类似于大写字母“R”，它共有4个α-螺旋，在N和C端区域具有2 个长的α-螺旋并在中间有2 个短的α-螺旋。SOAR所形成的“V”型二聚体是激活Orai1通道所必需的。进一步研究发现，二聚体的2 个顶端存在着正电荷聚集区，此区域经破坏后会失去激活Orai1通道的能力。

2 STIM1的作用机制与功能

目前研究认为，STIM1的作用机制为［8-11］：细胞静息时，STIM1主要以二聚体形式散在分布于内质网膜上［12］。当细胞受到刺激后，细胞外信号分子与细胞膜上相应的受体结合，激活与受体偶联的磷脂酶C（phospholipase C，PLC），PLC 通过水解磷脂酰肌醇二磷酸（phosphatidylinositol 4，5-bisphosphate，PIP2）产生第二受体三磷酸肌醇（inositol triphosphate，IP3），引起IP3 受体激活，经过级联反应后使内质网钙库中的钙离子释放入细胞胞浆中，内质网钙池出现钙离子损耗或耗竭，钙离子排出后内质网IP3 受体构象改变，IP3 受体通过蛋白质相互作用传送至质膜钙离子通道并与SOCE 发生结构性交互作用，钙离子感受蛋白STIM被激活，其EF-SAM 区域构象改变导致其低聚化，并重新移位到质膜与内质网连接处，形成泪孔，进而与质膜中相对应的Orai1 相互作用，进而激活钙池操控钙离子通道，引起细胞外钙离子内流。

STIM1分布广泛，表达STIM1的细胞类型亦多种多样，包括兴奋性细胞（如神经细胞、骨骼肌细胞和心肌细胞等）和非兴奋性细胞（上皮细胞、内皮细胞和免疫细胞等）。研究表明，STIM1 是调控非兴奋性细胞钙离子流入细胞内的关键蛋白，是细胞内钙库的钙离子浓度感受器，它与位于细胞膜上的Orai1共同构成了SOCE，通过调节SOCE通道的开放与关闭，影响第二信使钙离子的浓度变化进而调控细胞的分泌、增殖、基因转录、分化、凋亡、迁移和黏附等一系列细胞生理功能。Jeon等［13］研究发现，P21-激活激酶1可能通过与STIM1相互作用影响细胞黏附。郭瑞威等［14］在通过基因敲除技术敲除血管平滑肌细胞的STIM1基因后发现，细胞内钙离子浓度明显下降，细胞增殖被显著抑制。Chen等［15］报道，STIM1 可激活在矿化组织中的成骨细胞和成牙本质细胞的分化。He等［16］发现，抑制STIM1可以降低H9C2 细胞内的钙离子水平，并抑制缺氧后复氧导致的细胞凋亡。

3 STIM1与疾病

3.1 STIM1和肿瘤

STIM1 的发现最早源于对于恶性肿瘤的研究［17］。随着对STIM1 的研究逐步深入，发现其在胶质瘤、肝癌、乳腺癌、宫颈癌和肺癌等多种肿瘤细胞中均存在着异常表达的情况。这提示其与肿瘤细胞的增殖、凋亡、侵袭和转移等恶性行为存在着关联。Ho 等［18］发现，与人星形胶质细胞相比，胶质瘤细胞中的STIM1表达水平更高，并认为其增强了胶质瘤细胞的侵袭性。进一步研究发现，黄腐酚能够减少肿瘤侵袭性是由于上调了miR-4725-3p 水平，miR-4725-3p通过直接靶向结合STIM1基因的3′-非翻译区抑制STIM1蛋白的表达。Yang等［19］在结肠癌细胞系HCT116 和SW1116 中使用慢病毒介导的短发夹RNAi技术特异性地敲低STIM1的表达，随后通过MTT 实验和集落形成实验发现，结肠癌细胞的增殖能力被显著抑制。李艳东等［20］对80 例结肠腺癌和50 例正常结肠黏膜中Orai1 和STIM1 的表达进行检测后发现，结肠腺癌组织中STIM1 表达水平均显著高于正常结肠黏膜，且与结肠腺癌患者预后相关，STIM1高表达组较低表达组预后更差。另有国内学者邓程伟等［21］研究了STIM1对乳腺癌细胞存活与增殖的影响，发现在下调其表达后能够通过抑制增殖细胞核抗原表达从而抑制细胞活力；下调Bcl-2、上调Bax 和胱天蛋白酶3 表达，诱导乳腺癌细胞凋亡；降低炎症因子白细胞介素6（interleukin-6，IL-6）和肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）表达，提高免疫及下调信号转导及转录激活因子3信号。冶娟等［22］在人喉癌细胞Hep-2 中也发现了同样的现象。此外，在对于胰腺癌SW1990 细胞的研究中发现，沉默STIM1可阻滞细胞于G2/M 期［23］。林丹苗等［24］发现，人肺腺癌A549细胞在经姜黄素处理后，Orai1和STIM1 mRNA 的表达水平下降引起细胞凋亡。

综上可以预见，随着研究的不断深入，STIM1与肿瘤细胞之间的相互作用及机制将越来越清晰，这预示着其可能为肿瘤治疗提供新的检测标志物或治疗靶点。

3.2 STIM1和免疫系统疾病

STIM1 作为免疫细胞中重要的内质网钙离子感受器，对机体免疫系统的激活起着重要作用。在机体对抗病原体过程中，STIM1能够感受到细胞内的钙离子变化，促使SOCE 通道的开放，钙离子能持续地流入免疫细胞，从而激活细胞内的基因表达，促使免疫细胞大量增殖，启动机体免疫细胞的开关［8］。STIM1 与T 细胞的成熟和功能密切相关，缺少STIM1基因的T细胞表现出IL-23受体表达的减少，而这是Th17细胞稳态所需的，同时趋化因子依赖的T细胞迁移受损［25-26］。在免疫缺陷病及免疫失调的研究中，Fuchs 等［27］发现，在STIM1 基因发生纯合Arg-429-Cys 点位突变的患者中，由于STIM1 表达缺陷，虽然机体能够产生T 细胞，但患者对慢性巨细胞病毒和爱泼斯坦巴尔病毒病毒感染表现出抗病毒免疫能力的不足。进一步研究证实，STIM1缺陷造成的自身免疫疾病可能由于调节性T 细胞细胞数量的减少，自然杀伤细胞功能的受损以及T 细胞的数量缺失。Zhang 等［28］研究表明，中性粒细胞介导的炎症和宿主防御中STIM1 是激活吞噬细胞氧化酶所必需的。随后Clemens 等［29］亦研究表明，STIM1和STIM2共同参与调控小鼠中性粒细胞因子的产生。

3.3 STIM1和心脑血管疾病

在多种心脑血管疾病的病程进展过程中，STIM1 扮演着极其重要的角色。STIM1 在心血管细胞中表达的增加或STIM1 的缺失都会引发各种心血管疾病，如在内皮细胞中STIM1的缺失会导致血管内皮功能障碍［30］。

血管平滑肌细胞（vascular smooth muscle cell，VSMC）是构成血管壁的主要细胞类型之一。Kassan 等［31］研究发现，在VSMC 中敲除STIM1 基因不会影响血管内皮的功能但会引起对苯肾上腺素引发的血管收缩性反应的降低。Mali 等［32］研究发现，STIM1SMC-/-小鼠能够通过减少内质网应激、氧化应激和细胞凋亡和炎症反应，从而减小心肌梗死灶面积。朱金行等［33］研究发现，衰老可导致大鼠颈总动脉VSMC 中Orai1和STIM1蛋白表达降低，从而引起血管收缩功能下降。

高血压是心脑血管病最主要的危险因素，与导致动脉粥样硬化、卒中和缺血性心脏病等疾病密切相关。姜婉等［34］通过建立高盐诱导大鼠高血压模型发现，高盐能够引起高血压大鼠基底动脉平滑肌的收缩显著增强，认为与多囊蛋白和STIM1表达增加有关。日本学者Nishimoto 等［35］发现，STIM1 基因敲除小鼠的血压水平显著升高（尤其是在夜间）。进一步研究发现，STIM1能够通过调控一氧化氮的产生影响血管功能，从而发挥血压调节作用。

3.4 STIM1和肝损伤

Li 等［36］通过实验揭示了在肝缺血再灌注损伤模型中，STIM1不管是在基因还是蛋白水平的表达都要比正常小鼠肝组织中高，并且在细胞实验中也得到了相同结果。随后又用STIM1-/-小鼠与野生型（WT）小鼠验证STIM1 在肝损伤中的作用发现，与WT 小鼠相比，STIM1-/-小鼠的肝损伤程度明显减轻，血清中谷丙转氨酶和谷草转氨酶活性降低，肝组织中的超氧化物歧化酶活性升高，丙二醛含量和活性氧簇水平降低，促炎细胞因子TNF-α，IL-6 和IL-1β 显著减少，且NFAT1、Orai1 和活化的胱天蛋白酶3 等蛋白的表达水平也都下调。这些结果表明，敲除STIM1 能够抑制炎症反应、氧化应激和细胞凋亡，从而减轻肝损伤。

Cui 等［37］研究表明，STIM1 在乙醇性肝损伤中扮演了重要的角色。抑制STIM1表达，能够减轻肝损伤的机制和其抑制细胞内钙超载，降低活性氧簇和脂质过氧化物水平，减少炎症相关蛋白NF-κB和TNF-α的表达相关。

肝作为人体最大的解毒器官，极易受到损伤，进一步探讨STIM1 与肝损伤的关系对于重要脏器的保护具有重要意义。

3.5 STIM1和其他疾病

STIM1 还和其他多种疾病密切相关。印第安纳大学医学院的研究者发现［38］，2 型糖尿病（type 2 diabetes，T2D）患者、链脲佐菌素诱导的糖尿病模型小鼠的胰岛和用促炎性细胞因子及棕榈酸酯处理的大鼠胰岛素瘤细胞系1 中STIM1 的mRNA 和蛋白水平表达都呈现特异性的降低；通过增强STIM1蛋白的功能能够在促炎条件下提高胰岛β细胞的生存率，并改善T2D 患者胰岛素分泌功能。Bojarski 等［39］发现，家族性阿尔茨海默病存在着STIM1 的表达异常和SOCE 的功能失调。卢敏等［40］则通过研究认为，STIM1在脑皮质组织中的过表达与癫痫的发生有关。STIM1 能够激活SOCE通道介导钙离子快速内流，引起一系列去极化过程，导致兴奋性神经递质的过度释放，兴奋性系统处于优势，诱发癫痫。

4 结语

随着对STIM1研究的不断深入，其研究领域已经涉及肿瘤、免疫系统疾病和心血管疾病等多个方面。但目前的研究仍然十分局限，有关STIM1在上述疾病中的确切机制仍不清楚，尚存在许多亟待解决的问题。在今后的研究中，应充分利用现代生物信息学、细胞生物学以及分子生物学等技术手段深入研究STIM1在疾病发病机制中的作用，明确相关分子相互作用关系，揭示相关生物信号传导途径。相信随着对STIM1 新功能的不断发现和机制的阐明，以其为靶点的相关药物研发必将进入高潮。