多物种中非肌肉肌球蛋白IIA 相关功能的研究进展

黎国安钟望涛张晶晶

(广东医科大学附属医院,广东 湛江 524001)

肌球蛋白超家族是三大主要动力蛋白超家族之一,其分类超过30 种,主要与肌动蛋白结合,并以镁离子依赖的方式水解ATP 获得能量从而发挥动力作用[1-3]。 肌球蛋白II 是其中的一种,包括肌肉肌球蛋白II 和非肌肉肌球蛋白II。 非肌肉肌球蛋白II 几乎在所有细胞都有表达,参与细胞的多种生理活动,如细胞迁移、极化和粘附、细胞形状维持和信号转导等[2]。 在脊椎动物中,非肌肉肌球蛋白II 有3 个亚型:非肌肉肌球蛋白IIA(NM IIA)、非肌肉肌球蛋白IIB(NM IIB)和非肌肉肌球蛋白IIC(NM IIC), 分别由MYH9、MYH10 和MYH14 基因编码[4-5]。 本文将对人、小鼠和斑马鱼中NM IIA 相关功能的研究进展进行综述。

1 人类发育与疾病中NM IIA 相关功能的研究

人NM IIA 的结构包括氨基端的头部结构域和羧基末端的尾部结构域。 头部结构域由动力蛋白(由MYH9 的1 到19 号外显子编码)和颈部区域(由MYH9 的20 号外显子编码)组成。 尾部结构域包含长卷曲螺旋结构(由MYH9 的21 到40 号外显子编码)和短非卷曲螺旋区域(由MYH9 的41 号外显子编码)[2]。MYH9 基因突变引起的MYH9-RD,是一种常染色体显性遗传性疾病,主要表现为巨大血小板减少、粒细胞NM IIA 分布异常,且可能同时并发肾疾病、耳聋和白内障[6]。

1.1 人类多系统器官组织中NM IIA 功能的研究

NM IIA 在人类中的研究主要涉及血液系统、肾和听觉系统等。 报道指出,MYH9-RD 在血液系统的异常表现主要是巨大血小板减少、中性粒粒细胞NM IIA 分布异常和粒细胞有包涵体等[6-7]。 除此之外,NM IIA 动力蛋白结构域的突变将导致患者出现异常形态的红细胞,主要表现为细胞形态细长[8]。 研究表明这可能与NM IIA 动力蛋白无法产生维持红细胞形状的膜表面张力有关[9]。 在肾方面,Arrondel 等[10]通过原位杂交和免疫荧光技术发现MYH9 的mRNA 和蛋白在胚胎期和成人肾的小动脉、肾小球和肾小管周围的毛细血管内皮细胞中表达,同时在近端小管的刷状缘和足细胞中也有表达。 有研究表明欧裔美国人、尼日利亚人和西班牙人的NM IIA 遗传变异可导致非糖尿病肾病的发病率上升[11-13],而汉族人的NM IIA 遗传变异则导致糖尿病肾病发病率的升高[14]。 进一步研究发现,糖尿病肾病患者的肾小球和足细胞的NM IIA 表达减少,足细胞内肌动蛋白应力纤维缩短且数量减少,细胞间紧密连接蛋白ZO-1 表达下调。 这些病理生理改变导致肾小球白蛋白滤过率上升,肾功能受损。 而实验证实过表达NM IIA 可使血管紧张素II诱导的肾功能损害得到恢复[15]。 这提示NM IIA 可能与肾发育与肾功能维持有关。 而在听觉系统中,NM IIA 突变还与听力障碍有关,有研究发现MYH9的p.D1424N 突变将导致成年发病和进行性恶化的听力损伤[16],而p. R705H 位点的突变除导致患者肝功能异常和血细胞缺陷外,还导致神经性耳聋[7,17]。 Verver 等[18]指出,不同的位点突变可导致不同程度的神经性耳聋,而同一位点的不同突变类型也会有不同的影响,如p.R702C 位点的突变导致的耳聋比p. R702H 严重,p. R1165L 突变导致耳聋的程度比p.R1165C 严重。 对于有MYH9 突变家族史的幼儿,可在早期进行此基因突变位点的筛查,以便在发病初期实施治疗,以改善患者生活质量。

1.2 人类肿瘤中NM IIA 功能的研究

NM IIA 与多个瘤种的发生发展有关,在不同瘤种中分别扮演促癌或抑癌的角色。 Coaxum 等[19]研究发现抑制NM IIA 的表达可增加P53 野生型头颈部鳞状细胞癌的侵袭能力,提示了其在头颈鳞状细胞癌中起到抑癌作用。 而更多的研究表明NM IIA在肿瘤中起到促癌作用。 在一项关于胃癌的研究中发现,肿瘤组织高表达NM IIA,且与患者病情进展和不良预后相关[20]。 体外实验研究表明抑制NM IIA 的表达导致c-Jun 氨基末端激酶(JNK)水平的降低从而抑制胃癌细胞的迁移和侵袭[21]。 此外,有研究表明结直肠癌组织高表达NM IIA,且与患者的低生存率相关,这可能与它激活AMPK/mTOR 信号通路有关[22]。 Zhou 等[23]发现NM IIA 在胰腺癌中高表达,其主要通过激活Wnt/β-catenin 信号而促进胰腺癌细胞的增殖、迁移和侵袭。 在肺癌的研究中表明,通过DT-13(一种从麦冬中分离得到的具有生物活性的皂苷单体)下调NM IIA 的表达可激活Raf-ERK1/2 信号通路进而有效抑制肺癌细胞的迁移[24]。 Gao 等[25]研究表明,通过DT-13 靶向抑制NM IIA 的表达可显著抑制乳腺癌细胞的迁移。 综上所述,NM IIA 通过作用于不同的分子机制在不同的瘤种中发挥促癌或抑癌作用。 除了上述的瘤种外,其是否参与其他肿瘤的发生发展尚不明确,有待进一步研究。 阐明NM IIA 在不同瘤种中的作用机制可为其在未来的临床应用提供理论支撑。

2 小鼠中NM IIA 相关功能的研究

小鼠NM IIA 主要在肝、肾、肺和脾表达,在心脏和大脑中有低表达,而在骨骼肌中不表达,与人类NM IIA 同源度达98%[26]。 近年来有研究表明NM IIA 参与脑卒中病理生理过程的调节,与肾疾病的发生发展密切相关。 其突变除了导致肾和血管的发育异常外,还影响血细胞的成熟和形态。

2.1 小鼠脑卒中中NM IIA 功能的研究

NM IIA 与脑卒中的发病机制有关。 体内外研究表明,脑卒中导致脑血管内皮细胞紧密连接蛋白occludin、claudin-5、ZO-1 表达下调,引起血脑屏障通透性增加,而特异性敲降或者使用NM II 的抑制剂Blebbistatin 抑制脑血管内皮细胞的NM IIA 的表达可恢复紧密连接蛋白的表达水平,降低血脑屏障通透性,减轻脑损伤[27-28]。 此外,NM IIA 还通过其他机制调节脑卒中的发生发展。 Wang 等[29-30]发现,抑制NM IIA 的表达可通过抑制神经元凋亡和促进神经元自噬发生而改善缺血性脑损伤。 综上说明,NM IIA 可以通过多个途径参与调节脑卒中病理生理过程,而靶向抑制NM IIA 的表达有望成为卒中治疗的新策略。

2.2 小鼠肾发育与疾病中NM IIA 功能的研究

NM IIA 与肾的发育和疾病相关。 研究表明小鼠NM IIA 的R702C、D1424N和E1841K位点突变会导致肾小球硬化和肾功能进行性下降,表现为足细胞消失和蛋白尿逐渐加重[31]。 除了点突变外,NM IIA 的缺失突变也会导致肾的发育异常。Recuenco 等[32]研究发现条件性敲除肾间质细胞NM IIA 不影响小鼠存活至成年但可导致小鼠肾功能衰竭,并出现肾小囊和肾小管扩张、肾囊肿等病理改变;而同时敲除肾间质细胞的NM IIA 和NM IIB 则会导致小鼠出生不久后死亡,表现为双肾体积减小,皮质的肾单位缺失和凋亡等病理变化。 除了调控肾发育外,NM IIA 还与足细胞分离和缺失相关的肾疾病有关。 Fan 等[33]指出神经导向因子-2(SLIT2)及其受体(ROBO2)的激活可以抑制肾足细胞NM IIA 的活性,从而引起足细胞间黏着斑形成的减少、细胞间黏附力减弱,导致蛋白尿等肾功能下降的表现。 NM IIA 的突变导致肾异常发育的机制尚不明确,有待进一步研究。 而NM IIA 活性的抑制导致足细胞分离和缺失相关的肾疾病的发生,提示我们靶向激活NM IIA 有利于提高足细胞的存活,从而恢复肾小球滤过屏障功能,最终实现对这类肾疾病的有效治疗。

2.3 小鼠血细胞成熟和凝血机制中NM IIA 功能的研究

NM IIA 参与调控血小板形成、止血与凝血、红细胞成熟与形态维持等生理过程。 研究发现NM IIA 在巨核细胞和血小板表达[34],且与小鼠巨核细胞中血小板形成和释放过程有关[35-36],其缺失会导致小鼠的血小板减少症[37]。 另外,NM IIA 缺失通过影响巨核细胞肌动蛋白的结构,而影响细胞器分布,进而导致成熟的血小板细胞器含量的异常[38]。NM IIA 在止血和血栓形成过程中具有重要作用,Li等[39]发现条件性敲除血管内皮细胞NM IIA 导致分泌性细胞器WPB(Weibel-Palade body)释放障碍,即影响vWF(von Willebrand factor)的释放,导致凝血时间延长。 NM IIA 除了与血小板形成和促凝血机制有关,还与网织红细胞的成熟和红细胞双凹圆盘状形态的维持有关[40-41]。 而Kanematsu 等[42]发现NM IIA 突变导致小鼠血红蛋白减少,促红细胞生成素升高和巨脾症。 但因其突变并不影响红细胞的分化过程,故作者认为这可能与NM IIA 突变导致造血微环境异常有关,具体机制有待进一步研究。

2.4 小鼠血管发生中NM IIA 功能的研究

NM IIA 在小鼠血管发育方面具有不可替代的作用。 Ma 等[43]发现条件性敲除血管内皮细胞NM IIA 将导致胚胎小鼠背部皮肤的血管密度减少、血管异常聚集成团等,而同时敲除NM IIA 和NM IIB则会加重血管异常的程度。 新近的研究认为,血管发生由内皮细胞上的丝状伪足来源的指状突起介导,指状突起与胞外无血管基质联系紧密,从而引导血管发生,丝状伪足与指状突起的数量平衡在调节血管发生中起重要作用。 体外实验表明,NM IIA在尖细胞中的表达水平明显高于茎细胞,且通过调节指状突起和丝状伪足之间的数量平衡从而调控血管出芽,引导血管发生[44]。 综上表明NM IIA 是维持血管正常发育中的重要因子,其缺失是导致血管发生缺陷的重要原因,但其中的调控机制尚未完全明确,有待进一步研究。

3 斑马鱼中NM IIA 相关功能的研究

斑马鱼是新兴的模式生物。 斑马鱼的myh9 有两个亚型,myh9a和myh9b,与人类MYH9 基因同源度分别为77%和79%,其中myh9a位于6 号染色体的反义链,而myh9b位于3 号染色体的反义链[45]。myh9a和myh9b在斑马鱼幼鱼表皮层表达,此外,myh9b还在脑组织表达[46-47]。 研究表明NM IIA 对斑马鱼脑、肾、颅面发育至关重要。

3.1 斑马鱼脑发育中NM IIA 功能的研究

在斑马鱼脑形态发生过程中,NM IIA 具有重要作用。 Gutzman 等[46]利用斑马鱼来研究调节脊椎动物高度保守的中脑-后脑边界(midbrain-hindbrain boundary,MHB)首次折叠的分子机制,发现NM IIA可通过调节细胞缩短从而促进MHB 收缩,形成正常的脑形态。 利用myh9b特异性吗啉代寡核苷酸(morpholino oligonucleotide,MO)抑制NM IIA 的表达导致斑马鱼MHB 收缩区域上的细胞明显变长,引起MHB 收缩减弱、MHB 交角变大,脑形态异常。综上表明NM IIA 对细胞形状的维持和脑形态的发育至关重要。

3.2 斑马鱼肾发育中NM IIA 功能的研究

在斑马鱼前肾的研究中,利用myh9 特异性MO抑制NM IIA 的表达除了可观察到幼鱼肾小球形态发育异常、肾小球的毛细血管数量减少和畸形、肾小囊囊腔增大和系膜细胞数量减少等现象外,还可观察到肾小球基膜不均匀增厚、内皮窗孔减少等超微结构改变。 通过肾功能评价实验表明,抑制NM IIA 的表达将导致肾小球滤过率下降[48]。 因此,NM IIA 对维持斑马鱼肾的正常发育及功能至关重要,但其在肾发育中的分子机制尚不明确,有待进一步研究。

3.3 斑马鱼其他组织中NM IIA 功能的研究

除了调控斑马鱼脑和肾发育外,NM IIA 还参与其他组织器官发育。 研究表明,NM IIA 通过与Trio(Rho-GEF 家族成员之一)相互作用来调控神经嵴细胞迁移和分化从而维持颅面结构的正常发育[49]。Casalou 等[50]证实,NM IIA 在Arl13b(一种Arf 样蛋白)的介导下参与斑马鱼圆形背部皱褶形成。 在血液系统中,抑制NM IIA 的表达后并未发现血小板聚集和血栓形成[48],但抑制NM IIA 是否影响血小板形态尚不明确。 此外NM IIA 是否参与其他血液细胞的形态和功能调控也有待进一步研究。

4 结语

NM IIA 在物种间是保守的,几乎在所有细胞中表达,参与调控细胞黏附、细胞迁移、极化和粘附、细胞形状维持和信号转导等细胞生理过程。 NM IIA 对器官发育至关重要,其突变可导致脑、肾和血管的发育异常。 近年来有研究报导NM IIA 通过多个途径参与调控脑卒中的病理生理过程,抑制NM IIA 表达通过上调紧密连接蛋白从而减少脑卒中的血脑屏障渗漏,同时,抑制NM IIA 的表达可减少神经元凋亡和促进神经元自噬发生进而减轻脑损伤,但其是否还通过其他途径参与脑卒中的发生发展的调控尚不明确,有待进一步研究。 此外,有研究表明,NM IIA 在肿瘤的发生发展中表现出双面性,例如在头颈鳞癌中表现出抑癌作用,而在胃癌和胰腺癌中表现出促癌作用。 但目前仍有多个瘤种未见其报道,明确其在其他瘤种中的具体作用机制,可为NM IIA 在肿瘤诊断和治疗方面的应用提供理论支撑。