赖氨酰氧化酶(LOX)和赖...内转录调控中的作用研究综述_熊伟.pdf
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1、收稿日期:2022 03 21基金项目:国家自然科学基金项目(31760331,32160167,82160516);云南省应用基础研究专项面上项目(202101AT070006);云南省教育厅科学研究基金项目(2022J0688,2022J0716,2022Y808);大理市科技计划项目(2021KBG032)作者简介:熊伟(1982),男,湖南省株洲市人,理学博士,大理大学基础医学院教授,主要从事基因转录调控与肿瘤微环境研究通信作者:周静华(1971),女,云南省大理市人,医学硕士,大理大学基础医学院教授,主要从事临床分子生物学检验研究赖氨酰氧化酶(LOX)和赖氨酰氧化酶样蛋白 2(LOX
2、L2)在细胞核内转录调控中的作用研究综述熊伟1,2,李彬1,2,梅雯3,赵一3,王播勇1,2,自加吉1,2,周静华1,2(1 大理大学 基础医学院,云南 大理 671000;2 云南省高校临床生物化学重点实验室,云南 大理 671000;3 大理大学第四附属医院 病理科,云南 楚雄 651000)摘要:赖氨酰氧化酶(lysyl oxidase,LOX)蛋白家族由 LOX 和4 种 LOX 样蛋白(lysyl oxidase like 1 4,LOXL 1 4)组成,其作用主要是氧化位于赖氨酸 位的氨基以生成醛基 通常来说,它们被认为是以细胞外蛋白质,尤其是弹性蛋白和胶原蛋白为主要底物 然而,最
3、近研究结果表明 LOX 和 LOXL2 也可以在细胞核内基因转录调控中发挥关键的作用 值得一提的是,这两种蛋白质的细胞核定位和它们的底物可以是核内组蛋白的事实已被阐明,提示它们在组蛋白修饰等表观遗传学领域发挥作用 重点综述和探讨 LOX 蛋白和 LOXL2 蛋白这 2个 LOX 家族成员在细胞核内的基因转录调控作用关键词:赖氨酰氧化酶(LOX);赖氨酰氧化酶样蛋白 2(LOXL2);转录调控;表观遗传学;组蛋白中图分类号:Q753文献标识码:A文章编号:1673 1670(2023)02 0125 040引言赖氨酰氧化酶(lysyl oxidase,LOX)蛋白家族包括 LOX 和 4 种赖氨
4、酰氧化酶样蛋白(lysyl oxi-dase like 1 4,LOXL 1 4)这些蛋白质依赖于铜和醌的胺氧化酶,可氧化位于赖氨酸 位的氨基,从而生成醛基1 LOX 蛋白的功能最初被描述为负责细胞外基质(extracellular matrix,ECM)中胶原蛋白和弹性蛋白的共价交联2,由于 LOX催化活性形成的醛基可以与其他醛或赖氨酸残基的-氨基自发缩合,以形成分子内和分子间交联3 除了在 ECM 中的作用外,近年来研究发现,这些胺氧化酶还具有新的独特作用,包括参与恶性肿瘤抑制、趋化性和缺氧诱导的转移4 8此外,越来越多的证据表明,LOX 蛋白家族也可以在细胞内发挥作用 在这篇综述中,将主
5、要探讨 LOX 蛋白和 LOXL2 蛋白在细胞内的功能,尤其是它们作为核内转录调节因子的作用1LOX 家族蛋白质的结构LOX 家族的 5 个蛋白质成员都含有一个相同的 C 端区域,在该区域中存在一个铜离子结合基序、赖氨酸酪氨醌辅因子形成的残基(lysine ty-rosylquinone,LTQ)和细胞因子受体样(cytokine re-ceptor-like,CL)结构域9 C 端区域包含酶活性所需的所有元件,并且高度保守10 13 然而,LOX家族成员的 N 端序列并不相同 其中,LOXL2、LOXL3 和 LOXL4 包含 4 个富含半胱氨酸的清道夫受体(scavenger recept
6、or cysteine-rich,SC)结构域;这些 SC 结构域的特定功能尚未阐明,但它们可能在蛋白质-蛋白质相互作用中发挥作用,如其他分泌蛋白和受体蛋白14 LOX 和 LOXL1 以前蛋白 proLOX 和 proLOXL1 形式分泌并被 ECM中的金属蛋白酶切割,比如骨形态发生蛋白 1(bone morphogenetic protein 1,BMP-1),后者释放LOX 蛋白的 N 端并诱导酶的催化活化15 16 在功能上,已有研究表明 LOXL2 中的第 4 个 SC 是其完整酶活性所必需的17 18 此外,还有研究预测了所有 LOX 家族成员的不同糖基化位点19 人LOX 在 N
7、 端区域具有 3 个预测的糖基化位点(Asn81、Asn97 和 Asn144),它们不是蛋白质水解切割或蛋白质分泌所必需的,但对其 LOX 蛋白的活性非常重要 然而,还不清楚这 3 个位点中的哪一个位点在体内被进行 N-糖基化修饰19 关于LOXL2 蛋白,也已经预测了 3 个糖基化位点 Asn644、Asn455 和 Asn288,其中 Asn644 和 Asn455已通过蛋白质质谱分析证实 LOXL2 中 3 个糖基化位点的突变会导致蛋白质的分泌被抑制 3 个糖第 38 卷第 2 期2023 年 4 月平顶山学院学报Journal of Pingdingshan UniversityVo
8、l 38 No 2Apr 2023基化位点之一的 Asn644 位于蛋白质 C 端催化域内18 19 LOXL3 和 LOXL4 在其催化域中包含一个与 LOXL2 蛋白 Asn644 位点相似的预测 N-糖基化位点,并且在其 SC 域中包含另外2 个 在LOXL2 中不保守的 N-糖基化位点 但是,这些 N-糖基化修饰的实际生物学功能尚未得到确定2LOX 蛋白的核定位及其相关功能2 1LOX 蛋白的核定位Li 等在体外培养的小鼠成纤维细胞 NIH3T3和新生大鼠主动脉平滑肌细胞的细胞核中发现LOX 蛋白的表达20 值得注意的是,一旦细胞外的LOX 蛋白被剪切加工,它就能够反向进入到细胞内并定
9、位在细胞核中 这种核内定位与蛋白质的催化活性之间并无明显关联,因为 LOX 蛋白非特异性的 抑 制 剂-氨 基 丙 腈(-aminopropionitrile,BAPN)并不能阻断蛋白质的核定位20 21 在BMP-1 进行细胞外加工后,成熟形式的分泌型LOX 蛋白转运到细胞核中的具体机制尚未完全明确 LOXL1 蛋白同样可以在细胞外被 BMP-1 加工,产生序列和大小与成熟 LOX 蛋白相似的产物,它也可以以相似的途径转运进入细胞核15 此外,使用特异性抗体的免疫组织化学分析表明,LOX 蛋白存在于主动脉、肺、肝脏、心脏、皮肤和软骨的相同区域 已有的研究结果表明,LOX 蛋白能够存在于不同类
10、型细胞的细胞核中22 2 2LOX 蛋白在细胞核内的功能采用 LOX 基因反义表达载体转染小鼠成纤维细胞 NIH3T3 会诱导染色质压实状态的变化,导致更致密的形态23 Mello 等的研究表明,LOX 蛋白在基因转录和染色质结构中调节发挥了新的重要作用 事实上,已有研究表明 LOX 过表达会导致染色质去凝聚 24 SV40 转化的非洲绿猴肾细胞(COS-7细胞)分裂间期的图像分析显示,LOX 基因的不同表达量与染色质解聚程度之间存在显著的相关性而且,LOX 基因过表达与细胞死亡增加、有丝分裂异常和微核出现相关,与检测到的染色质改变相同24 同样,在用受糖皮质激素调节的小鼠乳腺肿瘤病毒(mou
11、se mammary tumour virus,MMTV)启动子稳定转染的乳腺癌 MCF-7 细胞中,无论是否存在糖皮质激素,重组人 LOX 的过表达都能够增强 MMTV 启动子活性 此外,来自这些表达重组LOX 的细胞的组蛋白 H1 包含特定的赖氨酰氧化酶依赖性赖氨酸修饰 锁链素和异锁链素,这是由于分子内和分子间交联而形成两种氨基酸 在转染 LOX 或未转染 LOX 基因的细胞中,分别使用这两种修饰氨基酸的抗体用于富集 H1 组蛋白的提取物,结果只有转染 LOX 的细胞含有锁链素和异锁链素,表明分子内和分子间赖氨酸交联已经形成,可能是由于 LOX 的作用 最后,免疫共沉淀实验表明,在体内,L
12、OX 与 H1 组蛋白相互作用,并且它也在一个 66 kDa 的复合物中,与 H1 组蛋白二聚体相容25 LOX 蛋白作为一种转录激活剂的可能机制如下:作为 LOX 酶促反应的结果,H1 组蛋白中正电荷的整体损失,将有助于 H1 组蛋白从目标 DNA 上脱离,从而改变 MMTV 基因启动子结构并增强转录起始25 体外的实验还揭示了 LOX 与H1 组蛋白和 H2 组蛋白之间的相互作用,并进一步表明 H1 组蛋白可能是 LOX 发挥酶活性的底物 研究显示,H1 组蛋白与经 LOX 酶促修饰的弹性蛋白原区域之间存在高度同源性 此外,蛋白质之间的结合取决于 LOX 蛋白的 C 端区域,表明这种相互作
13、用依赖 LOX 酶活性26 3LOXL2 蛋白的核定位及其相关功能3 1LOXL2 蛋白的核定位研究表明,外源转染的人 LOXL2 蛋白能够定位于核周区域,具有与 SNAIL1 转录因子相互作用的能力,也具有增强 SNAIL1 抑制 E-钙黏蛋白(cadherin,CDH1)基因启动子的能力27 此外,内源性 LOXL2 蛋白也位于细胞核中,并在不同类型肿瘤细胞系的染色质部分中富集 染色质免疫沉淀试验(chromatin immunoprecipitation,ChIP)也显示LOXL2 能够与其靶基因的启动子结合 值得一提的是,LOXL2 的串联亲和纯化表明 LOXL2 蛋白与许多转录共阻遏
14、物发生相互作用,例如多梳蛋白 2(polycomb group of proteins 2,PC2)、染色质组装因子 1(chromatin assembly factor 1,CAF-1)和组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDAC)的成员等28 LOXL2 蛋白在人类上皮鳞状细胞癌和正常食管上皮细胞中也具有比较强烈的细胞核表达模式 此外,LOXL2 蛋白细胞质染色的增加和细胞核染色的减少均与肿瘤患者较短的存活时间相关,进一步证实了 LOXL2 的细胞核内作用机制29 LOXL2 细胞质染色的增加可能表明细胞质中存在其他 LOXL2 蛋白的底物,其氧化修饰能够促进恶性
15、肿瘤的转移和侵袭:例如,细胞质 SNAIL1 的氧化会阻止 GSK3 诱导的 SNAIL1 降解 还有研究认为,LOXL2 表达增加也与乳腺癌细胞和胃癌细胞的侵袭能力密切相关30 31 最近的研究报道,LOXL2 蛋白的核周表达量是侵袭性基底样癌的生物标志物32,并且是喉鳞状细胞癌患者独立的不良预后因素33 3 2LOXL2 蛋白在细胞核内的功能关于 LOXL2 蛋白在细胞核内发挥作用的最初迹象是证实 LOXL2 蛋白能与 SNAIL1 转录因子发生结合27 Peinado 等的研究展示了这种相互作用能够显著增加 SNAIL1 对 CDH1 基因的抑制作用621平顶山学院学报2023 年尽管目
16、前没有确凿的证据证明 SNAIL1 能够被LOXL2 氧化,但清楚地展示了这种相互作用能够有效地稳定 SNAIL1,已有研究数据强烈表明蛋白质的稳定性是通过位于 SNAIL1 的 N 端结构域的两个赖氨酸的氧化脱氨反应发生的 同样,Moon 等最近的研究也证实细胞内 LOXL2 蛋白能够在氧化酶依赖性反应中稳定 SNAIL1 转录因子34 此外,H3 组蛋白已被证明是 LOXL2 蛋白的底物,LOXL2蛋白在体内和体外均能够使 H3 组蛋白上的三甲基化赖氨酸残基发生 4-脱氨基作用,并且这种 H3组蛋白氧化与 CDH1 启动子的抑制作用密切相关28 以上这些结果提示,LOXL2 蛋白对 CDH
17、1基因启动子抑制的影响可能具有双重作用机制:一方面,增加 SNAIL1 转录因子的稳定性;另一方面,这种稳定性的增加有利于 SNAIL1 将 LOXL2 募集到 CDH1 基因启动子,接着 LOXL2 可以进一步氧化 H3 组蛋白 事实上,H3 组蛋白的氧化主要是去除赖氨酸 4(H3K4me3)位的三甲基化氨基的机制 因为,H3K4me3 是与转录活性相关的组蛋白标记35,LOXL2 在功能上充当转录的通用共阻遏物28 在异染色质结构域中也可以检测到被LOXL2 氧化的 H3 组蛋白,并且这是抑制上皮-间质转化(epithelial-to-mesenchymal transition,EMT)
18、过程中主要卫星 DNA 转录所必需的36 LOX 蛋白家族所有成员都有一个共同的 C 端催化域,这提示它们具有相似的酶促反应机制37 然而,有趣的是,当 LOXL2 被甲基化时,LOXL2 能够去除位于 H3 组蛋白中赖氨酸 4 中的-氨基(H3K4me3),这表明化学反应机制发生了变化 后续的研究必须对具有不同底物的 LOX 家族成员进行表达纯化、结构研究和酶学研究,进而阐明它们的反应效率和特异性4结论细胞内蛋白质的氧化通常被视为由自由基和非自由基氧化剂介导的不受控制的非酶促过程 然而,许多酶促氧化反应发生在酶选择的赖氨酸残基上 例如,LOX 蛋白家族专门选择可接近的赖氨酸残基进行修饰以生成
19、醛赖氨酸,这一过程必须由转化酶的相互作用物进行调节 生成这种肽醛会导致底物的阳离子电荷丢失,这会改变局部大分子结构及任何蛋白质-蛋白质或蛋白质-核酸相互作用的性质 这与基因表达调控特别相关,因为氧化组蛋白大分子状态的变化会影响染色质构象 例如,底物正电荷的损失会影响组蛋白-DNA 的相互作用,醛基可以与相邻的未修饰赖氨酸或其他醛基的-氨基缩合 此外,H3K4me3 被 LOXL2 作用去除,为细胞去除甲基化残基提供了额外的方法,这凸显了继续研究具有氧化结构域的酶是否也具有细胞核内功能的必要性38 虽然磷酸化是研究最多的 H1组蛋白修饰,但其他如乙酰化和甲基化也已被确定39;可能是 LOX 氧化
20、甲基化的 H1 组蛋白,就像 LOXL2 氧化 H3 组蛋白一样 此外,其他组蛋白去甲基化酶和甲基转移酶在去除或添加赖氨酸中的甲基方面具有不同的能力,并且具有不同的底物特异性40 很显然,需要对这一类新的组蛋白修饰酶的各个家族开展进一步研究 值得一提的是,LOX 蛋白这种意想不到的功能可能揭示目前尚未发现的新的组蛋白修饰方式参考文献:1 WILLIAMSON P,KAGAN H M eaction pathway of bo-vine aortic lysyl oxidase J J Biol Chem,1986,261(20):9477 9482 2SIEGEL C Biosynthesis
21、 of collagen crosslinks:increasedactivity of purified lysyl oxidase with reconstituted collagen fi-brils J Proc Natl Acad Sci U S A,1974,71(12):4826 4830 3 SMITH-MUNGO L I,KAGAN H M Lysyl oxidase:proper-ties,regulation and multiple functions in biologyJ Ma-trix Biol,1998,16(7):387 398 4 自加吉,李彬,杨娜,等
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