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酪蛋白激酶Ⅰα与细胞信号通路
韩国灿;姜少杰;邹飞雁
【摘 要】酪蛋白激酶Ⅰα(Cain kina 1α,CK1α)广泛分布于各类真核生物中,是CK1家族的7个成员(CK1α、β、γ1、γ2、γ3、δ和ε)之一,序列结构高度保守.在哺乳动物中,CK1α参与多种细胞生理过程,包括膜转运,细胞周期,染色体分离,细胞凋亡和细胞分化等.此外,CK1α还参与Wnt/β-Cat,Hh及NF-κB等信号通路.将CK1α在各类信号通路的具体功能作一综述,为进一步研究其在信号通路中的地位提供参考.
【期刊名称】《生物技术通报》
【年(卷),期】2014(000)003
【总页数】8页(P22-29)
【关键词】宣讲方案故乡的唯美句子酪蛋白激酶Ⅰα;Wnt/β-Cat;信号通路;Hh信号通路;NF-κB信号通路
【作 者】韩国灿;姜少杰;邹飞雁
【作者单位】浙江大学医学院附属邵逸夫医院,杭州310016;暨南大学生命科学技术学院,广州510632;暨南大学生命科学技术学院,广州510632
【正文语种】中 文
CK1α（基因符号：CSNK1A1）发现于20世纪70年代［1] ，是一种非第二信使依赖的激酶，以ATP作为单一磷酸供体，属于丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族［2，3] 。CK1α在细胞中的分布很广泛，从细胞膜、细胞质到细胞核均有分布［4] ，并且在有丝分裂期间，还定位于突触小泡、中心体和纺锤体微管［5] 。因此，CK1α参与多种细胞生理过程，其在信号通路中的作用逐渐成为研究热点。
1 CK1α的结构
人类CK1家族的蛋白分子质量在37 kD（CK1α）和51 kD（CK1γ3）之间，其中286 aa的激酶结构域高度保守，是ATP的结合区；4-40 aa的N端和39-122 aa的C端属可变区域（图1），不同的C端负责催化不同的底物。
目前已在斑马鱼、大鼠、鸡和人中发现CK1α的几种拼接体［6-10] ，这些拼接体是由两个
长度不一的插入片段的整合或缺失，而形成的4个变异体。其中较长的插入片段（28 aa）称为“L”，位于开放阅读框的中间；较短的片段（12 aa）称为“S”，位于开放阅读框的C端。因而4种变异体分别称为CK1α、CK1αS、CK1αL和CK1αLS（图2）。其中L插入片段具有将CK1α转运到细胞核的功能，而S插入片段的功能还有待研究［11] 。此外，L插入片段为脊椎动物所特有，不同的变异体有其特异的功能，例如，CK1αLS介导了H2O2应答的核内信号通路［12] 。
2 CK1α与Wnt信号通路
2.1 Wnt/β-Cat信号通路
Wnt/β-Cat信号通路调节着后生动物发育过程中的细胞命运，控制着一系列发育相关的过程，包括细胞的增殖、分化、迁移和极性等。正常细胞和非增殖细胞中缺乏Wnt信号，因而Wnt/β-Cat信号通路的异常激活与人类的肿瘤发生密切相关［13-15] 。β-连环蛋白（β-Catenin，β-Cat）是Wnt/β-Cat信号通路中的关键分子，最初是作为钙粘连蛋白复合体的一种相关蛋白［16] ，在随后研究中，则更倾向于是一种原癌基因［17] 。
当缺乏Wnt信号时，细胞质中的β-Cat被腺瘤性息肉蛋白（Adenomatous polyposis coli，APC）和轴蛋白（Axin）所形成的破坏复合体（Destruction complex，DC）捕获，有助于CK1α在β-Cat的Ser45磷酸化［18] 。随后，β-Cat又被糖原合成酶激酶-3β（Glycogen syntha kina 3β，GSK-3β）在Thr41、Ser37和Ser33中进一步磷酸化［19] ，最后被β-转运素重复蛋白（β-transducin repeat-containing protein，β-Trcp）结合而泛素化（图3），并进入蛋白酶体降解。由于缺乏β-Cat，T-细胞因子/淋巴增强因子（T-cell factor/lymphoid enhancer factor，Tcf/Lef）与转录抑制因子groucho/TLE结合形成groucho/Tcf复合体，抑制靶基因的转录（图4-a）。但CK1α对β-Cat在Ser45磷酸化受何种机制的调控还有待研究。
青春正能量图3 β-Cat的磷酸化并被β-Trcp识别的模式图［19]
当存在Wnt信号时，Wnt与卷曲蛋白（Frizzled，Fzd）富含半胱氨酸的配体结合区（Cysteine-rich ligand-binding domain，CRD）及低密度脂蛋白受体相关蛋白5/6（Low-density lipoprotein receptor-related protein 5/6，LRP5/6）结合，触发了Fzd和散乱蛋白（Dishevelled，Dvl）的结合，导致Dvl-Fzd复合体的形成，并使得LRP5/6被CK1γ磷酸化，
这有助于Axin向细胞膜迁移并失活，从而导致破坏复合体的解离［20，21] 。β-Cat开始在细胞质中积累并进入细胞核，与Tcf/Lef结合［22] ，并通过招募CREB结合蛋白（CREB binding protein，CBP），B细胞淋巴瘤因子9（B-cell CLL/lymphoma 9，BCL9），尾肢同源蛋白（Pygopus，Pygo）等转录辅助激活因子，使得Tcf/Lef无法与转录抑制因子groucho/TLE结合，最终使Tcf/Lef成为有效的转录因子［23-25] ，导致Wnt靶基因的转录激活，包括c-myc，细胞周期蛋白D1（cyclin D1）等［26，27] （图4-b）。
2.2 以CK1α作为Wnt/β-Cat信号通路相关肿瘤治疗的靶位点
Wnt/β-Cat信号通路的异常激活与人类肿瘤的发生发展及侵袭都有关联，以Wnt/ β-Cat信号通路中靶位点来开发药物是当今肿瘤靶向治疗的热点。其中以Wnt/β-Cat信号通路中的关键分子，如Wnt-1、Wnt-2和Fzd10等蛋白开发单克隆抗体或利用RNA干扰（RNAi）技术直接阻断β-Cat在胞内的表达都不失为有效的策略［28-31] 。
而过去几年的研究，则为Wnt/β-Cat信号通路找到了另一个有效的靶位点——CK1α。CK1α是决定β-Cat稳定性和转录活性的关键因子之一。CK1α在转移性黑色素瘤细胞中失活时，促进瘤细胞生长；当其重表达时，诱导瘤细胞周期阻滞和凋亡［32] 。
Liu等［19] 对人293T细胞中的CK1α进行RNAi发现，β-Cat在胞内显著积累；对果蝇S2细胞中的CK1α进行RNAi发现，Armadillo（Arm）基因（人类β-Cat在果蝇中的直系同源基因）表达的Arm蛋白显著增加。CK1α的缺失显示了与GSK-3β，APC，Axin缺失类似的结果，并且CK1α的RNAi并没有改变其他蛋白的表达水平，这提示CK1α对β-Cat的降解是保守而必要的，因而CK1α是一个候选抑癌基因［19，33] 。Amit等［18] 认为CK1α对β-Cat在Ser45的磷酸化是对其调节的关键事件，β-Cat和Arm在Ser45-Leu46-Ser47的突变相对于正常的野生型β-Cat和Arm而言，可显著逃避来自CK1α的磷酸化，而保持稳定，并且此时再对CK1α实施RNAi亦不能再提高β-Cat和Arm的表达水平或稳定性［34] 。目前，已在一系列甲状腺癌中发现了β-Cat在这些位点的突变［35，36] 。可见，CK1α对β-Cat磷酸化的重要性。Katoh等［37] 总结前人的研究成果，一致认为CK1α是Wnt/β-Cat信号通路的关键抑制因子之一。Pyrvinium作为一种FDA认可的抗癌药物，抑制Wnt/β-Cat信号通路，最近被发现其抑制Wnt/β-Cat信号通路正是通过激活CK1α［38] 。CK1α的无处不在和持续的活性，与β-Cat的降解需求显示出惊人的一致。
个人自我评价
3 CK1α与Hedgehog（Hh）信号通路
3.1 Hh信号通路
与Wnt/β-Cat信号通路一样，Hh信号通路也发现于果蝇，并广泛存在于后生动物中。Hh信号通路的持续异常激活与多种肿瘤发生有关［40] 。
哺乳动物的Hh信号有Sonic Hh（SHh），Dert Hh（DHh）和Indian Hh（IHh）3种［41，42] 。Hh蛋白是一种分泌型信号蛋白，通过剪切后，C末端结构域发生分子内的胆固醇转移反应，并导致C末端的胆固醇甾醇化修饰，并使之与胞膜交联。这有助于N末端的半胱氨酸残基发生棕榈酰化修饰，从而形成Hh的N末端信号结构域（HhN），最终产生有活性的，双重酯修饰的HhN［42-44] 。Hh信号通路的枢纽分子在果蝇中是Ci，在哺乳动物中是Gli，且进化成3个独立的锌指结构分子——Gli 1/2/3。Gli 1/2的主要功能是转录激活子，Gli 3是转录抑制子［45] 。
在哺乳动物中，当缺乏Hh信号时，Patched1（Ptch1，Hh最主要的受体，拥有12个跨膜结构域，本质上属于抑癌基因）定位于初级纤毛（Primary cilium，PC）上，而Smoothened（Smo，G蛋白偶联受体，拥有7个跨膜结构域，本质上属于原癌基因）则主要定位于胞质内含体膜上。Ptch1通过阻止Smo与PC的结合来抑制其功能。此时驱动蛋白Costal2（Cos2）和丝/苏氨酸激酶Fu（Fud，Hh信号通路的正调控因子）的抑制子SuFu（Supp
ressor of Fud）将Gli 1/2/3螯合至原纤毛的微管上［46-48] 。这有助于Gli 1/2/3被Cos2招募来的蛋白激酶A（Protein kina A，PKA）磷酸化，随后又被GSK-3β和CK1α进一步磷酸化，高度磷酸化的Gli 1/2/3被β-Trcp结合并在C末端位置泛素化（图5），随即进入蛋白酶体。在蛋白酶体中，Gli 3主要转变成转录抑制子Gli 3R，而Gli 1/2则几乎全部降解［49，50] ，从而抑制靶基因的转录。
当存在Hh 信号时，Hh与Ptch结合，使得Ptch无法抑制Smo［51] 。此时，Smo激活并迁移至PC，它的G蛋白偶联活性可能抑制了激酶对Gli 1/2/3的磷酸化修饰，使得Gli 1/2/3无法被β-Trcp识别而泛素化。此时，作为转录激活子的Gli 1/2可以自由进入细胞核，并激活靶基因，包括cyclin D，cyclin E，myc和patched等［48，52] （图5）。
3.2 以CK1α为Hh信号通路肿瘤治疗的靶位点
Hh信号通路在成体组织中的恢复激活或通路中的关键分子的突变，会引起包括基底细胞癌和成神经管细胞瘤在内的多种肿瘤［46，53] 。针对该信号通路的靶向治疗研究也是当今肿瘤研究的热点之一。以Gli或Smo作为靶位点的研究已取得初步进展［54， 55] 。
CK1α在Hh信号通路中主要参与Gli 1/2/3的磷酸化修饰，相对Wnt/β-Cat信号通路来说，CK1α参与Hh信号通路的研究报道较少。但显然，CK1α对Gli 1/2进入泛素化是极其重要的，对Gli 3转变成Gli 3R也起到了关键作用。目前对于CK1α如何磷酸化Gli 1/2/3，并且受何种机制调控尚未见报道。但其在Hh信号通路中的功能与Wnt/β-Cat信号通路中的功能一样，都显示出某些抑癌基因的特征。在果蝇Hh信号通路的研究中发现，Cos2的缺乏能引起Ci155的异常积累，这归因于Ci的水解缺乏，但这种异常积累能通过PKA、GSK-3β和CK1α的过表达来恢复［56] 。这暗合了CK1α作为候选抑癌基因的潜质。
4 CK1α与其他信号通路
4.1 CK1α与NF-κB信号通路
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核因子κB（Nuclear Factor-κB，NF-κB）属于Rel家族的转录因子。在哺乳动物细胞内已发现的NF-κB家族有5个成员，分别是p65（Rel A）、Rel B、c-Rel、p50/p105（NF-κB1）和p52/p100（NF-κB2）［57] 。NF-κB信号通路调节的靶基因有细胞因子、趋化因子、生长因子、转录因子、黏附分子和免疫受体等，因而与免疫反应、炎症、应激反应、淋巴器官的发生、细胞凋亡以及肿瘤等多种生理过程和病理过程密切相关［58，59] 。
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