NEK7的生物学功能及其在疾病中的研究进展

康 双，李树珍综述，李 萌审校

0 引 言

NIMA相关激酶7(NIMA-related kinase7, NEK7)属于丝氨酸/苏氨酸激酶家族，在多种器官中表达，例如心脏、大脑、肝、肺和脾等[1]。NEK7是一种多功能激酶，可影响中心体复制，线粒体调控，细胞内蛋白质转运，DNA修复和纺锤体的组装[2]。近年有研究发现，NEK7也是Nod样受体蛋白(Nod-like receptor protein 3, NLRP3)炎症小体活化的重要组成成分[3]。但在正常生长条件下，NEK7处于低活性状态，且含量有限，因此NEK7不能同时参与NLRP3炎症小体的活化和细胞周期的调控，而是可能起到双向开关的作用[4]。一旦体内平衡被破坏，NEK7就会过表达诱导异常细胞的产生或者炎症反应，从而引发各种疾病。本文将就NEK7的生物学特征及其在各种疾病中的潜在功能进行综述。

1 NEK7的生物学特征

1.1 NEK蛋白激酶家族的发现NIMA相关激酶(NIMA-related kinases,NEKs)是代表有丝分裂激酶的第三家族。该家族的创始成员无丝分裂乳曲霉A(Never-in mitosis,NIMA)是由Oakley等[5]在丝状真菌构巢曲霉分裂周期突变体中发现的。NEK蛋白家族的特征是N末端催化域包含所有丝氨酸/苏氨酸激酶的典型基序，并且与曲霉NIMA的序列高度相似[6]。NEK是一大类具有相似结构和功能的同源激酶，它们参与多种生理调控过程，例如有丝分裂调控，纤毛形成和DNA损伤反应等[7]。目前，在大多数真核生物中均存在NEKs，其中人类基因组中存在11个编码NEKs的基因，包括NEK1到NEK11。NEK2是第1个被鉴定的人类有丝分裂NEK激酶，位于中心体附近，在S期和G2期表达和活性最高，可调控有丝分裂的中心体分离[8]。NEK5也具有相似的功能，它能调节间期中心体的组装[9]。此外，NEK2、NEK6、NEK7和NEK9有助于建立基于微管的有丝分裂纺锤体，而NEK1、NEK10和NEK11则与DNA损伤反应密切相关[6]。NEK家族在整个进化过程中，广泛参与检查点和纤毛生物学的调节，且NEK家族成员的突变是纤毛病和癌症发展的驱动力[10]。

1.2 NEK7的结构及功能定位NEK7位于中心体，是NEK激酶家族中最小的成员之一，2000年，NEK7由Kandli等[11]从小鼠基因组中分离并克隆，可在多种组织中广泛表达，例如脑、心脏、肺、肝和脾等。NEK7主要集中在纺锤体的两极，调节微管的功能，与有丝分裂纺锤体的形成和细胞质的分离密切相关，在细胞周期的调控中发挥重要作用[12]。NEK7基因位于1号染色体上，可编码相对分子质量为34 500的氨基酸多肽。在NEK家族中， NEK6和NEK7 在其 C 端结构域中具有约86%的同一性，而在其无序的N端延伸中仅具有约20%的同一性。研究表明，这两种蛋白质由于时空组织分布和酶调控的差异而显示出不同的作用和生物学功能，这对介导其与蛋白质之间的相互作用至关重要[13]。重要的是，NEK7连同NEK6和 NEK9构成一个有丝分裂信号模块，其中NEK6和NEK7被NEK9磷酸化和激活，共同促进有丝分裂进程[14]。很长一段时间，NEK7被认为与细胞分裂和生长以及哺乳动物细胞的生存紧密相关[1]。直到近年，NEK7 被证实也是参与NLRP3炎症小体活化必不可少的组成成分[15]。因此，越来越多的证据表明NEK7不仅参与有丝分裂调控，而且在NLRP3炎症小体活化过程中也发挥重要作用。

2 NEK7的生物学功能

2.1 NEK7在有丝分裂调控中的作用在有丝分裂的过程中，NEK6、NEK7和NEK9这3种蛋白质在纺锤体的形成上协同作用，其中NEK9是NEK6和NEK7的上游激活剂[16]，NEK6和NEK7与NEK9的非催化区域直接相互作用，NEK9可以通过破坏这些激酶的自抑制构象来激活NEK6和NEK7，从而促进纺锤体的形成[17]。研究证实，NEK6、NEK7 或 NEK9 的缺失会导致前期中心体分离失败并抑制有丝分裂纺锤体的形成[18]。此外，有研究表明，在NEK7耗尽的细胞中，中心粒周围物质(pericentriolar material, PCM)显着减少。因此，NEK7的缺失会减少G2/M期中心粒周围物质聚集在中心体周围，使细胞停滞在中期并引起凋亡[19]。Salem等[14]通过NEK7缺陷小鼠的研究发现，NEK7的缺失会导致小鼠胚胎晚期或出生后早期阶段严重的发育迟缓，甚至死亡，这同样也证实了NEK7可能是细胞分裂的重要调节剂。此外，已有研究证实，在DNA氧化性损伤发生后，NEK7被募集到端粒中，以ATM激活依赖性方式稳定端粒体复制结合因子1(telomeric repeat binding factor 1, TRF1)的表达，从而保护端粒的DNA氧化性损伤[20]。以上研究进一步证实了NEK7可能是哺乳动物有丝分裂的重要调控因子，其在机体生长发育过程中发挥着不可替代的作用，见图1。

图1 NEK7在有丝分裂调控中的作用Figure 1 The role of NEK7 in the regulation of mitosis

2.2 NEK7在NLRP3炎症小体活化中的作用NLRP3炎症小体是一种细胞内蛋白复合物，可通过组装NLRP3，凋亡相关斑点样蛋白(apoptosis-associated speck-like protein,ASC)和蛋白酶Caspase-1来引发细胞炎症反应，以响应外源性微生物感染和内源性损伤[21]。近期有研究表明，NEK7与NLRP3的富含亮氨酸重复序列(leucine-rich repeats，LRR)有关，NEK7以非依赖激酶方式与NLRP3的富含亮氨酸重复系列结合，促进NLRP3-ASC复合物的形成，ASC寡聚化及caspase-1的活化，从而激活NLRP3炎症小体[4]。此外，有报道显示NF-κB可上调NLRP3的表达[22]。而NF-κB的亚基 RELA也可以转录上调 NEK7的表达[23]，若二者同时发生则有可能加强NEK7和NLRP3的相互作用，可从侧面印证NEK7是NLRP3活化的重要促进因素。进一步研究证实，K+外流是NLRP3炎症小体激活的重要驱动因素[24]，而NEK7是一种特定的K+传感器，当体内平衡被破坏，细胞内钾离子流出增加时，NEK7和NLRP3的相互作用增强从而激活NLRP3炎症小体[25]，见图2。

图2 NEK7在NLRP3炎症小体活化中的作用Figure 2 The role of NEK7 in the activation of NLRP3 inflammasomes

3 NEK7在相关疾病中的作用

NEK7被认为是高度保守的丝氨酸/苏氨酸激酶，影响中心体复制、线粒体调节、细胞内蛋白质转运、DNA修复和有丝分裂纺锤体的组装。NEK7的异常表达或翻译后修饰会导致纺锤体紊乱，细胞质分裂障碍，微核形成，有丝分裂阻滞，甚至细胞死亡[26]。此外，NEK7也是NLRP3炎症小体的必要组成成分，其与NLRP3炎症小体的激活密切相关，故任何稳态失衡都有可能导致NEK7的表达异常，从而引起炎症反应，细胞增殖，甚至癌症的发生[27]。

3.1 NEK7与炎症相关疾病已知NEK7与NLRP3炎性小体的激活密切相关，而NLRP3炎症小体在先天免疫中起重要作用，参与多种病理生理过程[28]。近期研究表明，NEK7可以通过多种途径参与NLRP3炎症小体的活化[1]。Chen等[23]通过敲低NEK7构建体内外模型发现，LPS可以诱导TLR4/NF-κB信号的激活，促进NF-κB的亚基RELA与NEK7的结合，增加NEK7的表达。同时NEK7与NLRP3的相互作用促进NLRP3炎症小体激活，在体外消除了LPS诱导的细胞焦亡，并在体内改善了DSS诱导的慢性结肠炎。此外，炎症反应是创伤性脑损伤后神经炎的重要致病因素，NLRP3炎症小体的过度活化加剧了神经炎症反应[29]。NEK7被认为是创伤性脑损伤后神经炎症和神经损伤的潜在治疗靶标，研究发现NEK7作为调节剂，通过调节NEK7-NLRP3组装，pro-Caspase-1募集，Caspase-1激活和神经损伤后的焦磷酸化来调控NLRP3炎症小体激活和下游神经炎症[30]。值得注意的是，在系统性红斑狼疮中，NEK7-NLRP3复合体与免疫和炎症反应密切相关，NEK7和NLRP3与系统性红斑狼疮的疾病活动指数呈负相关，在经过连续激素治疗后NEK7和NLRP3的表达量明显增加，因此NEK7-NLRP3复合体可能在系统性红斑狼疮的发病过程中起保护作用[31]。最近有研究表明，在脊髓损伤的小鼠模型中，NEK7和NLRP3的表达增加，抑制NEK7表达能减少NLRP3炎症小体的活化，从而减轻脊髓损伤后局部的炎症反应，为脊髓损伤提供可能的治疗方法[32]。由此可见，NEK7广泛参与NLRP3相关的炎症性疾病的发生发展，并且发挥了重要作用。

3.2 NEK7与肿瘤相关疾病已知NEK7是一种中心体激酶，其与中心体的调节密切相关。中心体在间期细胞中调节微管的数量、稳定性、极性和空间分布。在有丝分裂中，中心体建立两极纺锤体，确保细胞分裂过程的对称性和双极性，而这一功能对染色体的精确分离是必需的，中心体在细胞周期进程中起主导作用，但是在有丝分裂的G1/S和G2/M期，中心体会受到中心体激酶的破坏，进而导致纺锤体的形成受阻，难以准确定位，并可能产生异倍体，进而导致肿瘤的发生[33]。

3.2.1 视网膜母细胞瘤视网膜母细胞瘤(retinoblastoma,RB)是最常见的眼内恶性肿瘤，是RB1基因种系的遗传性突变引起，通常发生于儿童期[34]。近年研究认为视网膜母细胞瘤的发生发展是一个复杂的过程，存在多种致癌基因和抑癌基因的突变。Kooi等[35]的最新研究已将NEK7鉴定为一种高表达的新型视网膜胚芽候选驱动基因，与正常视网膜色素上皮相比，NEK7在视网膜母细胞瘤中的表达普遍上调。此外，通过慢性病毒介导的RNA干扰方法抑制NEK7的表达，可减低细胞周期蛋白依赖性激酶2(cyclin-dependent kinase 2, CDK2)和细胞周期蛋白E(Cyclin E)复合物的表达，从而影响有丝分裂G1/S期的进程，进而引起细胞周期停滞，最终抑制视网膜母细胞瘤的细胞增殖[36]。

3.2.2 肝细胞癌肝细胞癌(hepatocellular carcinoma,HCC)是全球第五大最常见的恶性肿瘤，也是第二大最常见的癌症死亡原因。肝癌的发生是一个复杂的生物学过程，其发病机制尚未完全阐明，早期诊断仍存在一定的局限性，迫切需要其他新型分子进一步完善肝癌的诊断和治疗[37]。研究表明，NEK7在肝癌患者的肝细胞中表达明显增高，NEK7高表达与肿瘤数目，肿瘤直径，临近器官浸润，肿瘤等级和TINM分期显著相关。这项研究首次证实了NEK7在肝细胞癌细胞系和组织中显着过表达，通过慢性病毒介导的RNA干扰方法抑制NEK7的表达，NEK7的下调抑制了肝细胞癌中细胞周期蛋白B1(Cyclin B1)的表达。由于细胞周期蛋白B1可以通过调节蛋白依赖性激酶1(cyclin-dependent kinase 1,CDK1)在G2期到有丝分裂过程中发挥重要作用，因此敲低NEK7表达可能通过调节细胞周期蛋白B1抑制肝细胞癌的增殖[27, 38]。

3.2.3 胰腺导管腺癌胰腺导管腺癌(pancreatic ductal adenocarcinoma, PDAC)是癌症死亡的第四大原因，由于其早期转移且手术切除和化疗等传统治疗方法的益处有限，因此有必要进一步了解基因组改变的机制，为PDAC提供有效的治疗策略[39]。细胞黏附是癌症进展和转移性传播的关键介质之一，细胞黏附分子的改变将会改变肿瘤细胞与其他细胞和细胞外基质蛋白之间相互作用的能力[40]。越来越多的证据表明可以通过阻断细胞之间的相互作用来治疗肿瘤转移。Yan等[41]通过生物信息分析等生物学实验已经证实NEK7作为细胞黏附相关基因，在体外癌细胞与NEK7的结合会增加迁移和侵袭能力，在体内NEK7促进胰腺癌的细胞侵袭、黏附、增殖和转移能力。使用癌症类器官脾注射模型的体内实验表明，下调NEK7可以抑制癌细胞的肝脏转移。因此，NEK7在胰腺癌转移和进展中起重要作用，NEK7的靶向治疗可能对PDAC患者预后有重要意义。

3.2.4 头颈部鳞状细胞癌头颈部鳞状细胞癌(head and neck squamous cell carcinoma,HNSCC)是头颈部恶性肿瘤的主要病理类型，约占所有头颈部肿瘤的90%[42]。在过去的十年中，表观遗传调控因子被认为是癌症发生发展中的关键因素。表观遗传调控的三个基本系统是基因调控区的DNA甲基化，组蛋白修饰，以及非编码RNA调控。表观遗传失调被认为与致癌作用有关的基因启动子甲基化发育异常有关，可能是头颈部鳞状细胞癌的潜在的发生机制[43]。此前，有研究表明组蛋白甲基转移酶(histone methyltransferases,HMT)已被公认为是癌症治疗的潜在靶标。在对HMT的Wolf-Hirschhorn综合征候选相关基因1(Wolf-Hirschhorn syndrome candidate 1, WHSC1)在头颈部鳞状细胞癌的作用研究中发现，HNSCC组织中WHSC1的表达显著高于正常组织，敲低WHSC1的表达可显著抑制HNSCC细胞增殖，延缓细胞周期进程，且该研究证实NEK7是WHSC1的直接下游靶基因。因此，WHSC1-NEK7途径可能在头颈部鳞状细胞癌的发生中起关键作用[44]。针对NEK7在HNSCC的具体发病机制中的探索，将会为后续HNSCC的治疗提供重要的干预靶点。

3.2.5 乳腺癌乳腺癌(breast cancer, BA)是目前女性患者中最为高发的恶性肿瘤，全世界每年患乳腺癌的女性患者超100万，严重威胁患者的生命与健康[45]。乳腺癌是一种转移性癌症，大多数患者的死亡与恶性肿瘤细胞扩散有关，肿瘤细胞的转移会导致次级器官中新的肿瘤，而转移瘤的生长严重影响其预后[46]。近期有研究证实UNC-45肌球蛋白伴侣(UNC-45 myosin chaperone A, UNC-45A)是新发现的中心体蛋白质，其对癌细胞的增殖及肿瘤生长是必不可少的，并且UNC-45A可通过多种方式调节中心体结构与功能，促进有丝分裂中NEK7的转录[47]。实验表明，UNC-45A缺陷型癌细胞表现出广泛的中心体周围物质紊乱，中心体分离和有丝分裂染色体排列的缺陷。这些细胞在中期和胞质分裂中停滞，最终影响有丝分裂进程。由此可见，UNC-45A对癌细胞中细胞周期的调控是由NEK7信号通路介导的[48]。因此，探讨NEK7在乳腺癌细胞增殖和迁移中的潜在分子机制，将会为恶性乳腺癌的早期诊断提供新的理论依据。

4 结语与展望

已知NEK7的经典功能与有丝分裂纺锤体的形成和中心体的分离、细胞质分裂期间的脱落以及间期中心体的调节有关，故以往研究表明NEK7多与癌症的发生密切相关。因此，干预有丝分裂进程有可能干扰癌细胞的增殖和迁移。近期研究表明，NEK7是NLRP3炎症小体的重要组成部分。NEK7与NLRP3的LRR结构域相互作用从而直接与NLRP3相结合，进而启动NLRP3炎症小体的激活[4]。但由于受表达量的限制，NEK7可能不能同时参与有丝分裂的调节和NLRP3炎症小体的激活，NEK7被认为是调控以上两种生物学进程的开关。鉴于此，NEK7的异常表达和修饰均有可能导致肿瘤或者炎症反应的发生。因此，NEK7有可能成为癌症患者预后的生物标志物，而且针对NEK7开发特异性的抑制剂来治疗NLRP3介导的自身炎症性疾病，有可能成为未来防治肿瘤及炎症性疾病的新途径。