Profilin1 的生物学作用研究进展

訾晶晶，杨旭，来裕婷，李新，丁向彬，张林林

（天津农学院 动物科学与动物医学学院 天津市农业动物繁育与健康养殖重点实验室，天津 300392）

Profilin（PFN）又称抑制蛋白，是一种actin单体结合蛋白，广泛存在于真核细胞中，目前在哺乳动物基因组中共鉴定到4 种 PFN 基因（PFN1-4）。PFN1 在整个胚胎阶段都有表达，存在于成年小鼠除骨骼肌以外所有类型细胞和组织中[1]，PFN2 仅在发育中的神经元和分化神经元中表达，PFN3 和PFN4 仅在睾丸中表达[2]。本文主要讨论 PFN1，PFN1 通过与 actin 结合形成PFN1-actin 复合体调控actin 细胞骨架的聚合，已经证实在细胞迁移、细胞分裂、神经元分化和突触可塑性等多种细胞活动中发挥关键作用。敲除PFN1 的小鼠胚胎在二细胞期就无法存活[3]，说明PFN1 对生命活动发挥了至关重要的作用。在哺乳动物的肿瘤细胞中，PFN1 表达的部分丧失与随后致瘤表型相关。野生型和突变型PFN1 在这些肿瘤细胞中表达的互补性表明调控细胞表型转化所需的主要是肌动蛋白结合特性[4]。PFN1 突变或者缺失也会导致一些人类疾病，已成为研究的一个热点。本文就PFN1 蛋白的结构、相关生物学功能以及PFN1 在癌症和人类疾病中的研究进展做简要综述。

1 PFN1 蛋白的结构

PFN1 是重要的肌动蛋白结合蛋白之一，其分子量约15 kDa，PFN1 的三级结构主要由4 个α 螺旋和7 个β 折叠构成[5]。PFN1 有3 个功能性结构域，分别是肌动蛋白结构域、磷脂酰肌醇（Phosphatidylinositol，PI）结构域以及多聚-L-脯氨酸（Poly-L-proline，PLP）结构域。通过这3个结构域，PFN1 能够与多种蛋白质相互作用，这同样也是PFN1 行使生物学功能的结构基础。例如PFN1 可以通过肌动蛋白结构域与肌动蛋白结合，进而调控细胞骨架聚合；PFN1 通过PI 结构域与磷脂酰肌醇（4，5）-二磷酸（Phosphatidylinositol（4，5）-bisphosphate，PIP2）结合使PFN1-actin 复合体释放actin；并通过PLP 结构域与富含脯氨酸的蛋白结合发挥生物学作用。1995 年REINHARD 等发现第一个富含脯氨酸的血管舒张刺激磷蛋白（Vasodilator-stimulated phosphosphoprotein，VASP）与PFN1 通过PLP 结合域结合[6]。VASP 能够促进actin 在微丝生长端聚合，并且可以防止帽蛋白的加帽作用，PFN1 与其结合能够增强VASP 对微丝生长端的保护作用[7]。除此，越来越多的研究表明，PFN1 还可作为关键的信号分子作用于网络枢纽，通过结构域与靶蛋白（如核输出蛋白6、转录因子P42pop等）结合从而参与蛋白质的跨膜转运、核内转录以及小GTPase 信号通路的活化等一系列重要的生理过程[8]。

2 PFN1 对actin 细胞骨架聚合的调控作用

细胞骨架是细胞内以蛋白纤维为主要成分的网状结构，包括微管、肌动蛋白微丝和中间纤维。其中微管主要以细胞核为中线呈放射状分布在胞质周围，微丝主要分布在细胞质膜的内侧。中间纤维在整个细胞中都有分布。Actin 是微丝的结构蛋白，在细胞中有两种形式——单体球状肌动蛋白（Globular actin，G-actin）和由G-actin 聚合形成的丝状肌动蛋白（Fibrosis actin，F-actin）[9]。目前对于PFN1 对actin 细胞骨架聚合的调控作用有两种截然不同的看法，一种是PFN1 可以促进actin 细胞骨架聚合，另一种是PFN1 可以抑制actin细胞骨架聚合，下面分别对这两种结论进行描述。

2.1 PFN1 促进actin 细胞骨架聚合

在细胞中，G-actin 和F-actin 处于一种动态转化的状态。PFN1 使G-actin 上ADP-ATP 交换加速1 000 倍，从而补充细胞中的ATP-actin 库，同时保护微丝不受解聚蛋白及加帽蛋白的影响，促进G-actin 在微丝末端聚合形成F-actin 而延长微丝，使聚合速度加快[10]。PFN1 还可以降低肌动蛋白的临界浓度（发生聚合所需的量），从而使聚合更早开始，持续时间更长[10]。Formins 蛋白是一类结构蛋白，它与组成微丝的actin 有着密切的关系。已知Formins 蛋白结合到肌动蛋白微丝末端，可以提高聚合速度，而PFN1 的加入进一步提高了聚合速度[11]。在其他肌动蛋白结合蛋白存在的情况下，PFN1 会竞争性与G-actin 结合，并将结合的G-actin 转移到微丝带刺末端，从而提高了聚合速度[12]。这三种方式都说明了PFN1 可以促进actin 细胞骨架的聚合。

2.2 PFN1 抑制actin 细胞骨架聚合

PFN1 最初被鉴定时被当作是一个actin 隔离蛋白，能够与G-actin 形成1∶1 的复合物，从而阻止G-actin 发生聚合[3]。随后，有些研究者认为PFN1 对G-actin 聚合的调控是一种浓度依赖的作用，即高浓度的PFN1 抑制聚合而低浓度的PFN1促进聚合[10]。另外在提取细胞裂解上清液体外研究中发现，当G-actin 浓度太低（＜0.1 μmol/L）时，PFN1-actin 能够与肌动蛋白相关蛋白2/3 复合体（Actinrelated protein 2/3（Arp2/3）complex）直接结合起始F-actin 成核反应，而actin 浓度高时不依赖PFN1 即可体外成核[13]。更多细胞水平和组织水平的试验证实PFN1 对actin 成核反应有抑制作用，但由于PFN1 的三种配体都参与actin 成核反应，所以现有的研究从多角度验证了PFN1抑制actin 成核的分子机制。（1）PFN1 与actin 结合抑制成核反应。研究发现，在细胞中过表达PFN1 会抑制ARP2/3 复合体介导的actin 成核反应，而用不能结合actin 的R88E-PFN1 突变体则不会起到抑制作用[14-15]，这是由于ARP2/3 介导的成核反应是游离的G-actin 聚合的结果，PFN1 与ARP2/3 竞争结合G-actin，导致G-actin 在细胞内浓度下降从而抑制actin 成核。（2）PFN1 与含有PLP 结构域的蛋白结合抑制成核反应。WASP 家族成员均含有能与PFN1 结合的PLP 结构域，而WASP 家族蛋白是激活ARP2/3-actin 成核反应的关键调控蛋白，因而研究者对PFN1 与WASP 的结合是否会影响actin 的成核反应也进行了细胞水平的相关验证。神经元分化成神经突很大程度上依赖actin 细胞骨架的重排[16]，表达PLP 结合缺陷的W3A-PFN1 突变体比表达正常的PFN1 的PC12神经元细胞能够更快更多地分化出神经突[17]，说明PFN1 结合WASP 导致活化的WASP 下降，从而抑制了actin 的成核反应。

3 PFN1 与人类疾病

3.1 PFN1 与癌症

PFN 构成一组进化保守的小肌动蛋白结合蛋白，在许多细胞活动（包括增殖和运动）中起调节作用[18]。PFN1 是该家族的创始成员，已与多种类型的人类癌症相关。例如，在胰腺癌中，PFN1在临床肿瘤组织中被下调，而PFN1 的过表达损害了肿瘤细胞的恶性表型[19]。此外，PFN1 的过表达增加了乳腺癌细胞对喜树碱诱导的细胞凋亡的敏感性[20]。在肝癌组织和细胞系中PFN1 的表达水平显著降低，全反式维A 酸诱导的细胞增殖与迁移的抑制是通过PFN1 表达水平改变来实现的[21]。SHEN 发现使肝细胞癌（Hepatocellar carcinoma，HCC）中异常减少的PFN1 得到恢复能够抑制HCC运动与转移[22]。研究发现，PFN1 的过表达显著抑制HCC 细胞增殖、迁移和入侵[23]。这些研究说明PFN1 在肝细胞癌中起着抑癌作用，并可能作为肝细胞癌患者的诊断和治疗靶点。JANKE 等发现与对照组细胞相比，致瘤乳腺癌细胞PFN1 表达水平是降低的[27]。等ZOU 发现PFN1 也参与调控乳腺癌细胞迁移[25]。基因沉默研究发现PFN1 参与调控内皮细胞迁移与增殖[26]。这些研究进展都说明，PFN1 在癌症中扮演着重要的角色，并且可以作为一些癌症的诊断和治疗靶点。

癌症具有细胞分化和增殖异常、生长失去控制、浸润性和转移等生物学特征，其发生是一个多因子、多步骤的复杂过程。PFN1 过表达抑制细胞增殖和迁移，RNA 干扰PFN1 可逆转这一抑制作用。乳腺癌细胞系野生型和突变型PFN1 过表达的试验研究发现PFN1 肌动蛋白结合位点的存在是其抑制细胞运动的必要条件，actin 和PLP 结合位点都是PFN1 诱导增强细胞迁移能力的必要条件[26]。PFN1 发生磷酸化增加了PFN1 对G-actin的亲和力，从而改变actin 聚合动力，从而以不同的方式影响细胞。例如，PFN1 的磷酸化通过参与常氧条件下缺氧因子的积累来促进胶质母细胞瘤的进展[27]。ZOU 等[20,28]发现PFN1 可以抑制乳腺癌细胞增殖，其机制为PFN1 的表达可以上调PTEN基因，从而抑制AKT 通路，引起p27 蛋白增加，p27 和Cdk2 复合体结合使细胞周期停滞在G1期，最终抑制细胞增殖。PFN1 与雌激素受体α（Estrogen receptor alpha，Erα）相互作用，已知ERα 除了促进转移外，还介导某些细胞系的凋亡。在这些细胞中，已有研究证明他莫昔芬（Tamoxifen，Tam）可以上调PFN1，PFN1 随后与ERα 共存于细胞核。在17α-雌二醇（17α-estradiol，E2）和Tam 存在的情况下，观察到PFN1 显著降低ERα 介导的雌激素反应元件（Estrogen response element，ERE）启动子的反式激活，但在没有其他两个分子的情况下不起作用。这些发现表明这三种蛋白（Profilin1-Tam-E2）都形成了ERα 的一系列辅阻遏物。因此，一组profilin1-Tam-E2 可以抑制ERα介导的转移。此外，PFN1 对ERα 活性的抑制导致caspase9 和caspase3 的表达增加，这两种酶与真核细胞凋亡密切相关，并参与细胞的生长、分化与凋亡调节。因此，PFN1 的上调为抑制癌细胞增殖提供了一条潜在的途径[29]。但是在乳腺癌细胞中过表达PFN1 可以诱导上皮间质转化，其机制是PFN1 和actin 之间相互作用诱导G-actin 和F-actin 之间失衡，进而影响肌动蛋白聚合；同时PFN1 的过表达也增加了R-钙黏蛋白表达，R-钙黏蛋白也能够促进上皮间质转化，增进肿瘤细胞迁移和侵袭[30]。不同类型的癌症中PFN1 的表达水平存在不同的改变，并不会保持一致，这可能是由于不同类型的癌症发生机制不同，PFN1 在不同环境中发挥不同的功能。

3.2 PFN1 与高血压

高血压是常见的一种慢性疾病，目前已经证实血管重塑是高血压的重要发病机制。WANG 等[31]发现在自发性高血压大鼠模型中过表达PFN1 可以促进升高导致的血管重塑。转基因PFN1 的过表达通过治疗血管重塑导致血压升高[32]。PFN1 在通过p38iNOS-过氧亚硝酸盐途径引起的高血压诱导的动脉重塑中也起着至关重要的作用[31]。HASSONA 等[33]在研究中发现，肠系膜动脉中PFN1过表达与高血压发病加速、应力纤维形成增加以及Rho/ROCK 和肥大信号通路激活有关。另有研究发现，PFN1 是通过激活JAK2-STAT3、JNK 和P38-MAPK 通路使细胞骨架的动力学发生改变，从而促进血管壁增厚和血管腔直径减少，最终导致高血压发生[32]。这表明，PFN1 在调节氧化应激和血管重塑中起关键作用，由此可以看出PFN1可能作为一种新的预测因子来预测高血压。

3.3 PFN1 与动脉粥样硬化和糖尿病

动脉粥样硬化是一种严重危害人类健康的慢性炎症疾病，糖尿病是动脉粥样硬化的等危症，糖尿病患者常有血脂异常、高凝状态、肥胖等症状[34]，这些也是动脉粥样硬化的危险因素。动脉粥样硬化和糖尿病的发病机制具有共同的基础，而这些共同基础的可能性原因是慢性炎症反应和胰岛素抵抗。内皮功能障碍是糖尿病导致发病的最关键的危险因素之一，其特征是胰岛素缺乏或胰岛素信号传导受损[35-36]。越来越多的证据表明，氧化应激与包括糖尿病在内的许多疾病的发病机制有关[37-39]。已发现糖尿病患者的内皮细胞和动脉粥样硬化病变的巨噬细胞中的PFN1 升高，并且氧化低密度脂蛋白（Oxidized Low Density Lipoprotetin，oxLDL）能够触发PFN1 的升高[40]。进一步的研究表明，在培养的主动脉内皮细胞中，抑制PFN1表达可防止oxLDL 触发内皮功能障碍[41]。在过表达PFN1 的小鼠肠系膜动脉中，观察到应力纤维数量增加，导致α-1 和β-1 整合素增加，这与动脉僵硬有关[33]。PFN1 和动脉僵硬之间的确切关系尚不清楚，但过高的PFN1 水平可能会导致血管系统的广泛重构和应力纤维的出现，触发信号级联释放更多的整合素，进而导致动脉僵硬。敲除小鼠体内PFN1基因，小鼠主动脉中内皮型一氧化氮合酶活性和一氧化氮依赖性增加，而血管细胞的炎症因子表达降低[41]。PFN1的缺失，使oxLDL 诱导的炎症介质水平降低，从而改善内皮功能，对动脉粥样硬化的发生和发展起到一定的保护作用[41]。据报道PFN1 与晚期糖基化终末产物（Advanced glycation end products，AGEs）诱导的内皮损伤有关[42]。因此通过一定方法干扰PFN1 表达或许可成为治疗动脉粥样硬化的一种新途径。

3.4 PFN1 与肌萎缩侧索硬化

肌萎缩侧索硬化（Amyotrophic lateral sclerosis，ALS）是一种运动神经元病，又称为渐冻症。发病的个体会逐渐出现肌肉无力和萎缩，最终因呼吸衰竭而死亡[43]。ALS 病例可以分为两种——散发性肌萎缩侧索硬化（Sporadic amyotrophic lateral sclerosis，sALS）和家族性肌萎缩侧索硬化（Familial amyotrophic lateral sclerosis，fALS）[44]。广泛的基础研究和临床研究为ALS 的发病机制提供了初步的认识，fALS 病例占ALS 患者的20%，研究表明fALS 与越来越多的基因突变有关[45-47]，而PFN1 突变是导致fALS 的一种罕见原因。到目前为止，在fALS 患者中发现了8 种不同的PFN1基因突变（A20T，C71G，G118V，M114T，E117G，T109M，R136W，Q139L）[48-50]。一开始发现PFN1在肌动蛋白结构域存在突变位点从而导致fALS，所以研究人员假设是因为PFN1 基因发生突变，不能与actin 结合，最终导致fALS[51]。但后来又发现在PLP 结构域也有导致fALS 的突变位点（例如T109M，Q139L）[49,52-53]，这说明PFN1 突变而导致与actin 结合障碍的假说并不是fALS 发病的唯一机制。PFN1 突变通过不同的作用机制导致ALS[52-54]。WU 等[50]研究发现野生型PFN1 分散在细胞质中，突变型PFN1（C71G，G118V 和M114T）在细胞质泛素化的聚集体中，ALS 的标志之一就是聚集体形成，并证实突变型PFN1 在神经元中形成聚集体，这进一步说明了PFN1 突变与ALS的关系，PFN1突变诱导蛋白质聚集从而导致ALS。解析PFN1 突变导致ALS 的发病机制一直这个领域的研究热点，这些具体机制的阐明也将为寻找ALS 新的治疗靶点提供科学依据和治疗策略。

4 展望

PFN1 作为一个肌动蛋白结合蛋白，从被发现至今，越来越多的生物学作用被发现，能否作为一种新的治疗手段抑制癌症和疾病，还有待验证PFN1 对癌症和一些人类疾病的影响和具体的作用机制。以及，PFN1 是如何精确调控肌动蛋白细胞骨架聚合，而肌动蛋白细胞骨架的重建是成肌细胞分化成肌管的必要过程，PFN1 是否对成肌分化的调控有重要作用，这些问题都有待进一步研究。