组成型光形态发生蛋白1作为新型治疗靶点在人类疾病中的应用潜力研究*

孙婷婷，王圆圆，王颖楠，秦静茹，常久翔，陈杨彬，刘长青，郭 俣

(1.蚌埠医学院生命科学学院，安徽 蚌埠 233030；2.蚌埠医学院检验医学院；3.蚌埠医学院临床医学院)

泛素—蛋白酶体系统(Ubiquitin-proteasome system,UPS)调节蛋白质的稳定性，在细胞内稳态中起着重要作用[1]。UPS参与许多生理过程，如细胞分化、凋亡、自噬、血管生成以及DNA修复和抗原提呈过程等[2-3]。

泛素通过与不同的酶形成共轭级联复合物，进而与靶蛋白连接并启动特异性降解。泛素—蛋白酶体系统包括E1泛素激活酶、E2泛素活化酶和E3泛素连接酶[4]。其中，E3泛素连接酶决定靶蛋白的特异性识别，在泛素化降解途径中具有重要意义。

组成型光形态发生蛋白1(Constitutively Photomorphogenesis protein 1，COP1)，又称环指和色氨酸-天冬氨酸重复序列结构域(Ring Finger and Tryptophan-Aspartic Acid，RFWD2)，是一类E3泛素连接酶，广泛表达于植物及哺乳动物细胞中，主要参与植物生长发育、光信号转导调控以及动物细胞的生物学行为调节[5-7]。

近年来，研究人员发现COP1的异常表达与人类神经系统疾病、肿瘤以及代谢性疾病等存在密切关系。本文从COP1的发现、结构、作用机制以及生理功能等方面进行综述，为COP1的深入研究提供参考。

1 COP1的发现及其结构

COP1最先于植物中被发现，靶向其底物是一些关键的调节因子，作为植物发育的光调控的重要分子开关，参与植物整个生命周期的多种发育过程[8-12]。同时，COP1在植物干旱胁迫耐受性中也发挥着重要作用[13]；在黄化拟南芥幼苗中，茉莉酸盐抑制COP1活性以稳定COP1靶点，从而抑制下胚轴伸长和刺激子叶展开[12]。研究发现，隐花色素(Cryptochromes，CRY)对COP1具有保守拮抗作用，表明CRY-COP1轴具有古老的起源，并进化重新利用以调控植物的光形态发生及调控哺乳动物的昼夜节律[14]。

COP1属于COP-DET-FUS家族成员之一[15]，是一个分子质量为76 kD的高度保守核蛋白。COP1由3个特殊的结构域组成，N端为环形锌指结构域(ring zinc-finger domain)，具有泛素连接酶的催化活性，可直接或间接招募下游分子，使靶蛋白泛素化，并经由蛋白酶体途径降解，环形锌指结构域也可作为多聚泛素化的底物，中间为卷曲螺旋结构域(coil-coil domain)，包含亮氨酸的细胞质定位信号及环形锌指结构域连接的带正电荷氨基酸组成的核定位信号，介导COP1的核质运输及信号传递；C端含有7个色氨酸-天冬氨酸(tryptophan-aspartic acid，WD40)重复序列[16]，介导蛋白之间的相互作用。见图1。

图1 COP1基因结构分布及作用模式

2 COP1的作用机制

COP1在哺乳动物中作为一种负调控因子，其表达升高或降低都会影响下游蛋白表达，从而导致疾病发生,见表1。COP1在哺乳动物细胞中作为一种关键负调节因子，其表达降低使ETS转录因子(ETV4和ETV5)表达上调从而导致小鼠肺分支缺损[17]；而小鼠前列腺中COP1的缺失，使ETV1表达上调导致前列腺上皮细胞增殖[18]。

表1 COP1表达差异对下游蛋白的影响与疾病发生

3 COP1在疾病中的作用

3.1神经系统疾病 泛素-蛋白酶体系统是神经发育以及维持脑结构和功能的主要调节剂，它通过确定支架蛋白、突触前蛋白和突触后蛋白的定位，相互作用和转换来影响神经发生、突触形成和神经传递[29]。

在神经系统中，FoxO1参与调节神经元形态、突触形成和成年海马神经发生，而COP1过表达可抑制FoxO1活性[30]，这是导致抑郁症病因的机制之一[25]；在小鼠胚胎脑发育过程中，神经干细胞COP1缺失型小鼠的大脑和脊髓中ETS家族和c-JUN表达异常增加。其中，ETS家族ETV1、ETV4和ETV5能够在脑中表达，尤其在海马中具有高水平的ETV4和ETV5的表达[31]。研究表明，ETS可在神经元分化，运动神经元连接，树突棘形成，轴突向外生长和突触成熟中具有重要功能[32]，其上游信号传导是包括FGF，NGF，BDNF或GDNF在内的神经营养因子和其他生长因子[33]。c-JUN广泛表达于发育中的大脑，其靶基因包括与胶质细胞再生相关的GFAP、c-JUN在上游激酶磷酸化作用下调控下游神经元凋亡[34]；在神经干细胞中，敲除FBW7会提高c-JUN并降低细胞存活率[35]。这二者共同表达能促进原本将形成大脑皮层的神经细胞向神经胶质细胞发生[28]。

COP1基因会受到自闭症患者富含基因拷贝数变异(CNVs)的影响，CNV是DNA片段的缺失或重复，代表了遗传变异的重要来源[36]。有研究显示12个复发性CNVs与自闭症相关[37]，还有8个与精神分裂症相关[38]，表明COP1与ASD的发生密切相关[39]。在精神疾病发生中DNA甲基化也起着关键作用，COP1被鉴定为10个高甲基化精神分裂症差异基因之一，还有研究表明COP1也与重度抑郁症有关[40]。这表明COP1的功能失活可显著影响自闭症、精神分裂症与抑郁症的发生。

3.2肿瘤 COP1表达异常还与肿瘤的发生发展有关，见表2。研究发现，COP1是抑癌基因p27的E3连接酶，COP1过表达促进p27蛋白的降解，导致细胞增殖、转化、肿瘤发生[7]。COP1过表达可刺激抑癌基因p53失活，导致p53诱导G0/G1细胞周期阻滞失效，介导细胞凋亡失效，从而调节人乳腺癌细胞的增殖[19]。在慢性淋巴细胞白血病中，COP1水平与慢性淋巴细胞白血病患者的临床分期及ZAP-70的表达呈正相关，COP1的过表达促进了细胞集落的形成和增殖，通过抑制FoxO1和p21的活性，进一步促进了细胞周期从G0/G1期向S期的转变。研究还发现，COP1的过度表达可加速肿瘤的发生，促进异种移植的生长[21]。原发性胃癌中也检测到高表达的COP1水平[20]。

表2 COP1对肿瘤发生的双重作用

当COP1部分丢失或异常低表达时，也会导致肿瘤的发生。COP1亚型小鼠在出生后1年内自发地发生高频率的恶性肿瘤，并且对辐射诱发的淋巴损伤高度敏感，提示COP1在体内将致癌因子c-Jun维持在低水平，COP1缺乏以c-Jun上调的方式刺激肿瘤细胞增殖[26]；在小鼠前列腺中，COP1缺乏会升高ETV1，并导致细胞增殖、增生和早期前列腺上皮内瘤变[26]；原癌基因Pea3亚家族的ETS转录因子(ETV1、ETV4和ETV5)，其蛋白水平能够被COP1下调[18]。

3.3代谢性疾病 在代谢系统中，COP1异常升高或降低都会影响正常生理代谢功能。COP1通过靶向降解ATGL影响肝脂肪代谢，腺病毒介导的COP1缺失可改善高脂饮食诱导的小鼠肝脏脂肪变性并改善肝功能[24]；COP1与Shp2的协同作用，调节脂肪酸合酶(FASN)泛素化和降解，其表达升高与肥胖、2型糖尿病和胰岛素抵抗相关[22]；成年小鼠β细胞COP1的缺失导致Pea3转录因子的积累，从而激活抑制胰岛素分泌的基因，引起β细胞胰岛素分泌缺陷和高血糖[27]；肝细胞中游离脂肪酸过多产生脂质毒性时，COP1与TRB3在基因和蛋白水平上调，共同作用靶向降解SIRT1诱导胰岛素抵抗[23]。

综上所述，在植物细胞内作为发育过程中光信号转导中心开关的COP1，在哺乳动物代谢功能、神经系统及肿瘤细胞中也参与多种生命进程。COP1介导特定蛋白的泛素依赖性蛋白酶体降解，其靶向底物包括p53、p21和c-JUN、ETS转录因子(ETV1、ETV4和ETV5)的Pea3亚家族、FOXO1、SIRT1等作为各种底物的关键负调节因子，在多种疾病中表达异常，通过促进下游底物的降解，在疾病的发生和发展中起着双重作用，但其确切的生理作用机制并不清晰，即COP1在某些细胞中过度表达时，作为致病因子和促癌因子，抑制COP1可能是一种有用的治疗策略；然而，当COP1在特定类型的细胞中低表达，表现出抑癌作用时，调节COP1上游调节因子以增加COP1的表达水平可能有助于疾病的治疗。虽然COP1的表达及其在不同类型细胞中的作用存在争议，但靶向COP1有可能成为一种新的、应用于人类疾病的治疗方法。目前COP1参与疾病发生的机制尚未完全明确，因此需要更有效的技术来发现更多与疾病发生相关的COP1底物。