何 歡(綜述),彭維杰(審校)

(南昌大學(xué)a.撫州醫(yī)學(xué)分院藥理教研室,江西 撫州 344000;b.藥學(xué)系藥理教研室,南昌 330006)

β-鏈蛋白(β-catenin)最早作為一種黏附因子被發(fā)現(xiàn),后來人們發(fā)現(xiàn)β-catenin還是一種多功能的蛋白質(zhì)。β-catenin主要位于細胞膜,而在胞漿中游離量較少。β-catenin的功能主要為介導(dǎo)細胞間黏附和參與基因的表達。β-catenin作為一種多功能的蛋白質(zhì),廣泛存在于各種類型的細胞,如內(nèi)皮細胞、成纖維細胞、成骨細胞中,在參與這些細胞的增殖、分化和凋亡等方面發(fā)揮了重要的調(diào)節(jié)作用。近年來,人們對β-catenin的認識不斷加深,本文將其在神經(jīng)系統(tǒng)、骨組織、腫瘤等方面的研究現(xiàn)狀綜述如下。

1 β-catenin

1.1 β-catenin的來源及其結(jié)構(gòu)

1980年,β-catenin作為一種黏附分子被德國細胞生物學(xué)家Walt Birchmeier首先發(fā)現(xiàn)。1991年,McCrea P.D.等[1]從非洲瓜蟾的上皮細胞系中,又發(fā)現(xiàn)β-catenin是果蠅Armadillo(arm)蛋白的同源物。catenin作為Armadillo蛋白家族成員,分為α、β、γ3個亞型。其中β-catenin是由 CTNNB1基因產(chǎn)生,大小為88k D的一種多功能蛋白質(zhì),其在人類定位于染色體的 3p22-p21.3上[2]。β-catenin由781個氨基酸組成,含有12個Armadillo(arm)重復(fù)區(qū)及獨特的N末端和C末端結(jié)構(gòu)。β-catenin的12個Armadillo(arm)重復(fù)區(qū)形成的 36個α-螺旋在空間結(jié)構(gòu)中圍成一個棒狀的超螺旋結(jié)構(gòu),這種超螺旋結(jié)構(gòu)在與其它蛋白如鈣黏蛋白(cadherin)、APC、Axin、T CF/LEF等的結(jié)合過程中有重要作用。βcatenin的N端由130個氨基酸組成,富含有Ser/Thr殘基,控制著β-catenin的穩(wěn)定性;C端由100個氨基酸組成,調(diào)節(jié)下游靶基因的轉(zhuǎn)錄[3]。

1.2 β-catenin的生物學(xué)功能

在細胞內(nèi),β-catenin具有兩個定位池:一個是位于細胞膜,另一個則在細胞漿[4]。β-catenin在靜息狀態(tài)下定位于細胞膜,少量游離的β-catenin可被胞漿內(nèi)的蛋白酶系統(tǒng)所降解[5]。β-catenin在細胞中具有雙重作用:一是通過與細胞膜上鈣黏蛋白cadherin相互作用,參與細胞間黏附。有研究表明,由β-catenin與cadherin形成的蛋白復(fù)合物在細胞-細胞以及細胞-基質(zhì)的相互關(guān)系中具有關(guān)鍵作用[6]。當β-catenin表達上調(diào)時,增強細胞間的黏附作用,使細胞不容易發(fā)生侵襲和轉(zhuǎn)移;相反,當β-catenin表達下調(diào)時,細胞間的黏附作用被破壞,細胞更容易發(fā)生侵襲和轉(zhuǎn)移。另一作用是作為經(jīng)典Wnt信號通路中最重要的信息分子,調(diào)控細胞生長、分化和凋亡等[7]。Ody C.等[8]將持續(xù)表達的、缺少N端89個氨基酸的β-catenin導(dǎo)入小鼠乳腺,發(fā)現(xiàn)能夠誘導(dǎo)腺泡的發(fā)育和分化。

2 β-catenin基因表達的調(diào)控

2.1 經(jīng)典Wnt信號通路的分子機制

Wnt是一類分泌型糖蛋白,通過自分泌或旁分泌發(fā)揮作用。Wnt作為調(diào)控細胞生長、分化和凋亡等各方面的分泌蛋白家族,亦是調(diào)節(jié)如胚胎發(fā)生,形態(tài)形成等必需的生物學(xué)過程的生長因子大家族。根據(jù)Wnt蛋白信號轉(zhuǎn)導(dǎo)方式的不同,Wnt信號通路分為三種:Wnt/β-catenin信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、Wnt/Ca2+信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路及 Wnt/PCP信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,其中以Wnt/β-catenin信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路最為經(jīng)典,因此也稱為經(jīng)典Wnt信號通路。Wnt在脊椎動物中目前已知的主要有19種,其中,參與Wnt經(jīng)典信號通路的Wnt蛋白主要有(Wntl,3a,8)等;參與非經(jīng)典Wnt信號通路的Wnt蛋白主要有(Wnt4,5a,11)等。

當沒有Wnt信號傳入時,在支架蛋白(Axin)的作用下,細胞質(zhì)內(nèi)的結(jié)腸癌抑制因子(APC)、糖原合酶激酶 3β(GSK-3β)、CK1(酪蛋白激酶)與β-catenin形成巨大的復(fù)合物后被磷酸化,再結(jié)合到β-T RCP蛋白上,受到泛素的共價修飾而被蛋白酶體降解。當Wnt配體與卷曲蛋白(Frizzled,Frz受體)和低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白(LDL-receptor-related protein,LRP受體)結(jié)合之后,再作用與胞質(zhì)內(nèi)的蓬亂蛋白(Dishevelled,Dsh或DV1),而DV1能在 Axin的協(xié)助下,抑制由APC/GSK-3β/CK1/βcatenin形成的巨大復(fù)合物的GSK-3β的活性,從而進一步抑制β-catenin被磷酸后的泛肽化降解,使得致β-catenin在細胞質(zhì)中積累,并進入細胞核,與T細胞因子(T cell factor/lymphoid enhancer factor,TCF/LEF)相互作用,調(diào)節(jié)靶基因的表達[9-10]。

2.2 β-catenin穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)

β-catenin在細胞內(nèi)的水平受兩組蛋白質(zhì)的功能競爭來調(diào)節(jié):一組為β-catenin降解復(fù)合體,由Axin、APC和GSK-3β組成。復(fù)合體在胞漿內(nèi)可以使β-catenin被磷酸后的泛肽化降解,保持低水平,從而關(guān)閉Wnt途徑。在此過程中APC和GSK-3β直接參與β-catenin水平的調(diào)節(jié),而Axin則是通過調(diào)節(jié)GSK-3β等間接參與其調(diào)節(jié)。另一組為拮抗降解復(fù)合體的蛋白類,包括CK1、Dishevelled(Dsh)等。Dsh能在Axin的協(xié)助下抑制GSK-3β的活性,從而阻止了后者對β-catenin的磷酸化,使β-catenin在細胞質(zhì)中積累,開啟Wnt途徑。

3 β-catenin與各領(lǐng)域的相互作用

Wnt/β-catenin信號傳導(dǎo)通路控制了從果蠅到人類胚胎發(fā)育、細胞命運、組織器官形成以及腫瘤發(fā)生的諸多重大事件。

3.1 β-catenin與神經(jīng)系統(tǒng)

神經(jīng)嵴細胞起源于胚胎神經(jīng)管背側(cè),在其遷移過程中它會分化為多種細胞,包括周圍神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元、膠質(zhì)細胞,以及形成交感、副交感神經(jīng)系統(tǒng)和顱骨的細胞。Hari L.等[11]使用Cre/loxP系統(tǒng)特異性阻斷神經(jīng)嵴干細胞中β-catenin的表達,多數(shù)神經(jīng)嵴衍生物正常發(fā)育,但部分神經(jīng)嵴衍生物發(fā)生突變,并表現(xiàn)有色素細胞與背根神經(jīng)節(jié)的缺失,這提示W(wǎng)nt/β-catenin信號參與了神經(jīng)嵴的正常正常發(fā)育過程。Willert K.等[12]在體外培養(yǎng)的骨髓干細胞中導(dǎo)入利用純化獲得的Wnt-3a蛋白使其大量增殖,發(fā)現(xiàn)增殖細胞中β-catenin蛋白顯著表達,當 Wnt途徑被阻斷時,骨髓干細胞的增殖受阻。此外,Chenn A.等[13]還通過轉(zhuǎn)基因的方法,使胚胎發(fā)育時期小鼠的神經(jīng)干細胞中穩(wěn)定表達β-catenin,結(jié)果發(fā)現(xiàn)大腦皮層的面積較對照組明顯增大,腦的表面出現(xiàn)類似高級哺乳動物的腦回和腦溝,而且側(cè)腦室周圍區(qū)域有部分神經(jīng)干細胞的聚集。這些都表明Wnt/β-catenin信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在哺乳動物的神經(jīng)發(fā)育過程中,參與調(diào)整大腦皮層的面積和神經(jīng)干細胞的數(shù)量。

因此,β-catenin作為經(jīng)典Wnt信號途徑中的重要信息分子,在高等動物胚胎發(fā)育過程中,其表達失調(diào)可導(dǎo)致包括無腦、腦膨出、腦膜膨出和脊柱裂等嚴重腦部發(fā)育缺陷。

3.2 β-catenin與 caveolin-1

Caveolae(小凹)為一種細胞膜表面特異性的凹陷結(jié)構(gòu),主要功能蛋白caveolin-1(小凹蛋白)通過其骨架結(jié)構(gòu)域(CSD)可與Caveolae內(nèi)許多與細胞增殖分化相關(guān)的信號分子結(jié)合,使其保持非活化狀態(tài),從而抑制多種信號途徑的下游激活和轉(zhuǎn)導(dǎo)。Galb-i ati F.等[14]在MDCK細胞中使用激光共聚焦顯微鏡觀察到β-catenin和E-cadherin均濃縮在Caveolae中,與 caveolin-1形成穩(wěn)定聚合物。且在NIH3T 3[15]細胞中證實被WNT-1或被β-catenin自身過表達所激活的Wnt/β-catenin信號通路均能被caveolin-1的表達所抑制。這提示W(wǎng)nt通路的核心分子β-catenin在靜息狀態(tài)下結(jié)合于Caveolae,并能與caveolin-1形成緊密結(jié)合。并且可以通過caveolin-1 調(diào)整 β-catenin 的定位,進而調(diào)控 Wnt/β-catenin/lef-1信號的傳導(dǎo),抑制靶基因cyclin D1、p21的轉(zhuǎn)錄,使細胞周期停滯在G0/G1期[16]。當caveolin-1表達上調(diào)時,caveolin-1可將β-catenin募集到Caveolae上,使其從由 APC、GSK-3β、CK1 和 βcatenin形成的巨大復(fù)合物中分離出來,抑制Wnt/β-catenin/LEF-1信號的傳導(dǎo),增強細胞間的黏附作用;相反,當Caveolin-1表達下調(diào)時,增強了 Wnt/βcatenin/LEF-1的轉(zhuǎn)錄活性,細胞間的黏附作用被破壞。

3.3 β-catenin與骨組織

人體骨組織通過不斷進行骨重建來實現(xiàn)骨骼的不斷更新。骨重建包括成骨細胞促進鈣沉積的骨形成過程和破骨細胞促進鈣釋放的骨吸收過程。當這一平衡被打破,骨吸收大于骨形成過程時,將導(dǎo)致骨質(zhì)疏松。因此,在整個骨組織的重建過程中成骨細胞發(fā)揮了重要的作用。

小劑量的Wnt可以誘導(dǎo)間充質(zhì)干細胞的分化,而大劑量的Wnt則抑制間充質(zhì)干細胞的分化。這表明Wnt有促進成骨形成起始的作用[17]。Bain G.等[18]利用骨形成蛋白BMP-2干預(yù)C3Hl0T 1/2細胞(一種多潛能干細胞系)使其分化為成骨細胞,發(fā)現(xiàn)除了可以增強骨細胞分化早期標志物堿性磷酸酶(ALP)的活性外,其他的與成骨細胞分化相關(guān)的標志物如OCN等卻基本不受Wnt的影響。另外,還發(fā)現(xiàn)BMP-2可以上調(diào)β-catenin的蛋白表達,這表明β-catenin可以直接影響成骨前體細胞及成骨細胞增殖分化過程。Mbalaviele G.等[19]認為,β-catenin作為一種分子誘導(dǎo)信號,它是通過增強間充質(zhì)干細胞對于BMP-2的應(yīng)答間接誘導(dǎo)其向成骨細胞分化。但也有研究表明Wnt抑制成骨細胞的分化,de Boer J.等[20]研究發(fā)現(xiàn) Wnt3a顯著抑制了人MSCs向成骨細胞分化過程中堿性磷酸酶(ALP)的表達,其他與成骨細胞相關(guān)基因的表達也明顯的減少,并且完全阻斷了成骨細胞鈣化結(jié)節(jié)的形成。

有研究發(fā)現(xiàn)在骨形成-吸收偶聯(lián)中,成骨細胞在破骨細胞激活和破骨細胞性骨吸收的調(diào)控方面居重要地位,OPG、RANKLI、L-1β、T NF-α和 IFN-γ等因子影響破骨細胞性骨吸收作用的主要靶細胞就是成骨細胞,對破骨細胞的誘導(dǎo)效應(yīng)也多需要通過成骨細胞介導(dǎo)或放大[21]。Glass D.A.等[22]研究發(fā)現(xiàn),Wnt/β-Catenin 信號通路通過 β-catenin刺激成骨細胞內(nèi)OPG基因啟動子的啟動,OPG為破骨細胞分化抑制因子,這說明Wnt/β-Catenin通路在促進成骨細胞分化的同時,也抑制了破骨細胞分化。成骨細胞還可以表達EBF家族中的早期B細胞因子-2(EBF-2),Kieslinger M.等[23]研究發(fā)現(xiàn)缺乏EBF-2的小鼠,其OPG表達明顯減少,破骨細胞刺激因子RANKL表達顯著增加,并且伴隨有成骨細胞骨量的急劇減少,EBF-2與OPG基因啟動子結(jié)合后,可以通過 Wnt/β-Catenin-TCF/LEF途徑激活OPG轉(zhuǎn)錄子,這說明Wnt/β-Catenin通路可以通過介導(dǎo)成骨細胞EBF-2釋放OPG而抑制RANK/RANKL信號,從而減少破骨細胞的生成。

3.4 β-catenin與腫瘤

Wnt/β-catenin作為Caveolae的一條重要信號途徑,當信號傳導(dǎo)過程發(fā)生異常或障礙,會導(dǎo)致細胞生長、分化、代謝及生物學(xué)異常,從而引起各種疾病甚至腫瘤。Sotgia F.等[24]研究發(fā)現(xiàn)在Caveolin-1敲除小鼠模型中,小鼠輸乳管上皮細胞數(shù)目增加且分布異常,小鼠乳房干細胞數(shù)目急劇增加,β-catenin表達急劇增加。T orres V.A.等[25]研究發(fā)現(xiàn)在正常的人結(jié)腸癌細胞系HT-29(ATCC)中,Caveolin-1和β-catenin進行免疫共沉淀后,Caveolin-1的表達使生存素的蛋白水平和mRNA顯著降低,這提示Caveolin-1可能通過參與 Wnt/β-catenin-TCF/LEF信號途徑負性調(diào)節(jié)生存素的表達。但是,在轉(zhuǎn)移的人結(jié)腸癌細胞系HT-29(US)內(nèi)卻沒有這種負性調(diào)節(jié)作用。E-cadherin在HT-29(US)細胞內(nèi)微量表達,在細胞表面不聚集。Caveolin-1是與E-cadherin共同作用,參與 Wnt/β-catenin-TCF/LEF通路的轉(zhuǎn)錄抑制生存素的表達。在HT-29(US)中由于E-cadherin的缺乏導(dǎo)致caveolin-1無法下調(diào)生存素的表達。因此,Caveolin-1與腫瘤轉(zhuǎn)移負相關(guān)因子E-cadherin的表達呈正相關(guān),這個過程是通過Wnt/βcatenin-T CF/LEF通路實現(xiàn)的[26]。

Bilic J.等[27]研究發(fā)現(xiàn),低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白LRP 6通過Caveolin介導(dǎo)的內(nèi)吞途徑發(fā)生內(nèi)吞作用,細胞膜上聚集的LRP 6受體為磷酸化后LRP 6受體,使得β-catenin被磷酸后降解在胞漿之中,致使β-catenin在細胞質(zhì)中大量聚集,并進入細胞核,調(diào)節(jié)靶基因的表達,對經(jīng)典Wnt信號途徑的傳導(dǎo)起到了關(guān)鍵作用。

4 展望

近年來,β-catenin作為Wnt信號途徑的核心分子越來越受到人們的關(guān)注。弄清β-catenin的生物學(xué)特性有利于許多疾病的防治研究。因此,對Wnt信號及其以β-catenin為中心的信號轉(zhuǎn)到網(wǎng)絡(luò)分子機制進一步的研究,可以為我們更好的解釋生命現(xiàn)象,并有助于提供對防治疾病的新的治療思路。

[1] McCrea P D,Tu rck C W,Gumb iner B.A homolog of the arm adillo protein in Drosophila(plak oglobin)associated w ith E-cadherin[J].S cien ce,1991,254(5036):1359-1361.

[2] Morin P J,Weeraratna A T.Wnt signalin g in human can cer[J].Can cer T reat Res,2003,115:169-187.

[3] Willert K,Nusse R.Beta-catenin:a key mediator of Wnt signaling[J].Cu rr Opin Genet Dev,1998,8(1):95-102.

[4] Henderson B R,Fagotto F.T he ins and outs of APC and betacatenin nuclear tran sport[J].EMBO Rep,2002,3(9):834-839.

[5] Barth A I,Nathke I S,Nelson W J.Cadherins,caten ins and APC protein:in terplay betw een cytosk eletal complexes and signaling pathw ays[J].Cu rr Opin Cell Biol,1997,9(5):683-690.

[6] Huber O,Bierkam p C,Kemler R.Cadherins and caten ins in developm ent[J].Cu rr Opin Cell Biol,1996,8(5):685-691.

[7] Veeman M T,Axelrod J D,Moon R T.A second canon.Function s and m echan isms of b eta-catenin-ind ependent Wnt signaling[J].Dev Cell,2003,5(3):367-377.

[8] Ody C,Corbel C,Dunon D,et al.MHC class II beta-chain and alphaIIbbeta3 integrin are expressed on T-cell progenitors in embryonic bone marrow[J].Mol Immunol,2001,38(1):45-53.

[9] Fodde R.T he APC gene in colorectal can cer[J].Eur JCancer,2002,38(7):867-871.

[10] Fram e S,Cohen P.GSK3 takes centre stage more th an 20 years after its discovery[J].Bioch em J,2001,359(Pt 1):1-16.

[11] Hari L,Brault V,Kleber M,et al.Lin eage-specific requirements of beta-catenin in neural crest development[J].J Cell Biol,2002,159(5):867-880.

[12] Willert K,Brow n J D,Danenberg E,et al.Wnt proteins are lipid-m odified and can act as stem cell grow th factors[J].Nature,2003,423(6938):448-452.

[13] C henn A,Walsh C A.Regulation of cerebral cortical size by control of cell cycle ex it in neu ral p recu rsors[J].Science,2002,297(5580):365-369.

[14] Galbiati F,Volonte D,Brow n A M,et al.Caveolin-1 expression inhibits Wnt/beta-catenin/Lef-1 signaling by recruiting b eta-catenin to caveolae memb ran e dom ain s[J].J Biol Chem,2000,275(30):23368-23377.

[15] Nikolova T,Wu M,Brumbarov K,et al.WNT-con dition ed media differentially affect th e proliferation and differen tiation of cord blood-derived CD133+ cells in vitro[J].Differentiation,2007,75(2):100-111.

[16] Lu Z,Ghosh S,Wan g Z,et al.Dow nregulation of caveolin-1 function b y E GF leads to the loss of E-cadh erin,increased transcriptional activity of b eta-catenin,and en hanced tumor cell in vasion[J].Cancer Cell,2003,4(6):499-515.

[17] Attisan o L,Labb e E.T GFbeta and Wnt pathw ay cross-talk[J].Cancer M etastasis Rev,2004,23(1-2):53-61.

[18] Bain G,Muller T,Wang X,et al.Activated beta-catenin induces osteoblast differentiation of C3H 10T1/2 cells and participates in BMP2 m ediated sign al transduction[J].Biochem Biophys Res Commun,2003,301(1):84-91.

[19] Mbalaviele G,Sheikh S,S tains J P,et al.Beta-catenin and BM P-2 syn ergize to promote osteoblast differentiation and new bone formation[J].J Cell Bioch em,2005,94(2):403-418.

[20] de Boer J,Siddappa R,Gaspar C,et al.Wnt sign alin g inhibits osteogenic differentiation of hum an mesenchym al stem cells[J].Bone,2004,34(5):818-826.

[21] Jimi E,Nak amu ra I,Amano H,et al.Osteoclast fun ction is activated by osteoblastic cells through a mechanism involving cel-l to-cell contact[J].E ndocrinology,1996,137(5):2187-2190.

[22] Glass D A,Bialek P,Ahn J D,et al.Canonical wn t signaling in differen tiated osteoblasts controls osteoclast differentiation[J].Dev Cell,2005,8(5):751-764.

[23] Kieslinger M,Folberth S,Dob reva G,et al.EBF2 regulates osteoblast-dependen t differentiation of osteoclasts[J].Dev Cell,2005,9(6):757-767.

[24] S otgia F,Williams T M,Cohen A W,et al.Caveolin-1-def-i cient m ice have an in creased mamm ary stem cell popu lation w ith upregulation of Wnt/beta-caten in signaling[J].Cell Cycle,2005,4(12):1808-1816.

[25] T orres V A,T apia J C,Rod riguez D A,et al.E-cadherin is required for caveolin-1-mediated d ow n-regulation of the inhib-i tor of apoptosis protein survivin via reduced beta-catenin-T cf/Lef-dependen t transcription[J].Mol Cell Biol,2007,27(21):7703-7717.

[26] Lu Z,Hunter T.Wn t-independent b eta-catenin transactivation in tu mor development[J].Cell Cycle,2004,3(5):571-573.

[27] Bilic J,Huang Y L,Davidson G,et al.Wnt indu ces LRP6 signalosomes and promotes dishevelled-dependent LRP6 phosphorylation[J].Science,2007,316(5831):1619-1622.