张家静等 : Septin 蛋白的生理功能及其对相关疾病发生发展的影响 1393 [3] 架蛋白 虽然 septin 序列高度保守, 但存在较多种 SEPT14) 和 SEPT7(SEPT7 SEPT13) [3] ( 图 1) 类的亚型, 而且不同亚型的表达具有组织特异性属于 SEPT6 亚群的

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1 DOI: /cjcb 中国细胞生物报 Chinese Journal of Cell Biology 2018, 40(8): 综述 Septin蛋白的生理功能及其对相关 疾病发生发展的影响 张家静 杨洋 刘莹 郭晓汐 郝倩 虞姣姣 张新宇 徐天瑞* 安输* 摘要 报 (昆明理工大生命科与技术院, 云南省高校靶点药物筛选与利用重点实验室, 昆明 ) Septin属于GTP酶超级家族, 是GTP结合蛋白, 其在细胞中广泛表达, 并被认为是第四 种细胞骨架蛋白Septin作为细胞支架蛋白可调控酵母出芽 细胞分裂等生理过程, 并参与宿主 细胞的防御反应Septin的异常表达或突变与肿瘤和神经系统疾病的发生发展密切相关该文就 septin蛋白家族成员的上述生理功能 septin对肿瘤和神经系统疾病发生发展影响及septin在宿主免 关键词 疫应答过程中的作用等方面进行研究进展的总结和展望 Septin; 微管蛋白; 酵母出芽; T细胞增殖分化; 免疫应答 物 The Physiological Function of Septin Protein Family and Its Effects on the Occurrence and Development of Septin-Associated Diseases Zhang Jiajing, Yang Yang, Liu Ying, Guo Xiaoxi, Hao Qian, Yu Jiaojiao, Zhang Xinyu, Xu Tianrui*, An Shu* Septins are GTP-binding proteins and belong to GTPase superfamily. Septins are ubiquitously 胞 Abstract 生 (Faculty of Life Science and Technology, Kunming University of Science and Technology, University Based Provincial Key Laboratory of Screening and Utilization of Targeted Drugs, Kunming , China) expressed in cells and are recognized as the fourth component of the cytoskeleton. As a component of the cytoskeleton, septins are involved in many physiological and pathological processes, such as yeast budding, cell 细 division and host immune response. The abnormal expression and mutation of septin are closely related to the development of cancers and nervous system diseases. In this review, we focus on the research progress of the physiological functions of septins, and discuss its effects on the occurrence and development of cancers and nervous system diseases, and summarizes the recent findings about the role of septins in host immune response. septins; microtubule; yeast budding; T cell proliferation and differentiation; immune response 国 Keywords 同亚型的septin可以形成异源多聚体, 进而形成非极 cerevisiae)中首次被发现, 并且研究证明, septin对酵 性的丝状和环状等更高级的有序结构, 且其主要功 中 1971 年, septin在芽殖酵母 (Saccharomyces [1] 母细胞分裂周期的调控至关重要 后续研究表明, 能为参与细胞分裂和维持细胞形态, 所以septin被认 septin属于gtp酶超级家族, 是GTP结合蛋白除了 为是继微管(microtubule) 微丝(microfilament)和中 植物, septin可在其他真核生物中广泛表达 因不 间纤维(intermediate filament)之后的第四种细胞骨 [2] 收稿日期: 接受日期: 国家自然科基金(批准号: )和云南省自然科基金(批准号: 2017FB045)资助的课题 *通讯作者Tel: , Received: January 24, 2018 Accepted: April 18, 2018 This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No , ) and Yunnan Natural Science Foundation (Grant No.2017FB045) *Corresponding author. Tel: , URL: 网络出版时间: :31:01

2 张家静等 : Septin 蛋白的生理功能及其对相关疾病发生发展的影响 1393 [3] 架蛋白 虽然 septin 序列高度保守, 但存在较多种 SEPT14) 和 SEPT7(SEPT7 SEPT13) [3] ( 图 1) 类的亚型, 而且不同亚型的表达具有组织特异性属于 SEPT6 亚群的 septin 由于缺乏苏氨酸残基 Septin 除了参与细胞分裂和维持细胞形态外, 还与肿 (Thr78), 因此, 不能将 GTP 水解成 GDP 一些 septin 的结瘤和神经系统疾病的发生发展及宿主免疫细胞的防构域的具体功能及不同亚型之间的 N- 端和 C- 端的联御反应密切相关系和区别并不是很清楚, 这些不同可能与 septin 蛋白家 1 Septin 蛋白的结构特点及分类 Septin 属于 GTP 酶超家族成员, 具有结合 GTP 的 能力, 但也并不是所有 septin 都具有水解 GTP 的能力, 关于其在水解 GTP 中所发挥的生物功能目前仍不 清楚 [4-5] 不同亚型的 septin 均具有相同的经典结构 特点 : 位于中心的 GTP 结合域 (GTP-binding domain), 亦称 GTP 酶域 (GTPase domain), 位于该结构域两端 的 N- 端区域和 C- 端区域 ( 图 1) 其中, GTP 结合域在 不同亚型 spetin 中高度保守, 根据氨基酸序列和功能 的不同, 该区域又可分为 G1 G2 G3 G4 等 4 个不 同功能域 G1 功能域又被称为 P-loop, 主要用于结 合 GTP 的磷酸基团, G2 和能够结合 Mg 2+ 的 G3 功能域 是水解 GTP 所必需的, G4 功能域可结合 GTP 中的鸟 嘌呤碱基 GTP 结合域靠近 C- 端的区域是由 53 个高 度保守的氨基酸残基组成的 septin 独特原件 (septin unique element, SUE), SUE 是 septin 有别于其他 GTP 酶的独特结构 [6-7] Septin 的 N- 端含有一个脯氨酸富集区 (prolinerich region), C- 端可形成卷曲螺旋结构 (coiled coil) 不同 septin 在结构上的主要区别在于 N- 端和 C- 端的 氨基酸残基的组成和长度不同在同一个亚类群中, 不同 septin 的 C- 端的氨基酸残基保持 50%~60% 的相 似性 [3] 研究表明, septin 的 N- 端除了有助于 septin 之间相互结合形成纤维丝外, 还可起到与其他细胞 骨架或细胞膜相互作用的功能在 N- 端和 GTP 结合 域之间有一段多碱性氨基酸区域 (polybasic region), septin 可通过该段结构与细胞膜上磷脂酰肌醇 4,5- 二磷酸 (phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate, PIP2) 相互作用进而结合于细胞膜 [8] 不同的 septin 利用 C- 端卷曲螺旋可形成异源二聚体卷曲螺旋结构, 这也 [9] 是 septin 多聚化形成纤维丝或纤维环的基础 人体内编码 septin 蛋白的基因有 13 种 (SEPT1~ SEPT12 和 SEPT14), 基于序列相似性, 人类的 septin 可以分为四个亚类群 (subgroup), 分别是 : SEPT2(SEPT1 SEPT2 SEPT4 SEPT5), SEPT3(SEPT3 SEPT9 SEPT12), SEPT6(SEPT6 SEPT8 SEPT10 SEPT11 族的亚细胞定位 蛋白互作和生物功能有关 [10-11] 来自不同亚群的 septin 可通过 GTP 结合域 ( 称之 为 G 接头 ) 及 N- 端区域和 C- 端区域 ( 称之为 N- 接头和 C- 接头 ) 相互结合形成 N-G 接头和 N-C 接头相连的 丝状或环状高级结构该高级结构的基本单元为 对称的异源六聚体 (SEPT7-SEPT6-SEPT2-SEPT2- SEPT6-SEPT7) 或异源八聚体 (SEPT9-SEPT7- SEPT6-SEPT2-SEPT2-SEPT6-SEPT7-SEPT9) 异源 六聚体含有 3 种亚群的 3 个不同 septin, 而异源八聚体 含有来自 4 种亚群的 4 个不同 septin 其中, SEPT7- SEPT6 SEPT2-SEPT2 和 SEPT6-SEPT7 是通过 N-C 接 头相连, 而 SEPT9-SEPT7 SEPT6-SEPT2 SEPT2- SEPT6 和 SEPT7-SEPT9 是通过 G-G 接头相连 [12] Septin 在机体内组装成高聚体或高聚体解聚成单体 是一个可逆的过程, 该过程受 septin 结合蛋白的调 控, 其结合蛋白包括肌动蛋白和微管蛋白等 [13] 研 究结果表明, septin 结合蛋白可显著影响 septin 丝状 和环状高级结构的形成及这些高级结构在细胞中的 分布 [13] 关于 septin 结构的上述研究结果已经在酵 母细胞 [14] 和哺乳动物细胞 [15-17] 中得到证实 2 Septin 蛋白的基本生理功能 作为支架蛋白, septin 在调控酵母出芽方面的功能最为清楚 Septin 作为支架蛋白亦在调控着丝粒相关蛋白 -E(centromere-associated protein-e, CENP-E) 的定位 微管蛋白网络的形成及 T 细胞活力等方面发挥重要作用 2.1 调控酵母出芽过程 Septin 基因最初是在芽殖酵母中发现的, 其编码的蛋白作为支架蛋白这一功能也是在酵母中被研究的最为透彻的 Septin 可通过其高级结构募集众多不同蛋白, 并促进这些蛋白在功能上的相互作用, 进而调控酵母的出芽在芽殖酵母分裂的 G 1 期, 首先 septin 定位于出芽部位该出芽部位的确定 septin 环的定位及出芽过程的不断进行均需其他多种蛋白的协助其中, 最为主要的蛋白有细胞分裂控制蛋白 42(cell division control protein 42, CDC42) [18], 还有 CDC42 的 中国细胞生物报

3 综述 1394 过程中发挥着不同的作用[23] Gic2(GTPase-interacting component 2)及细胞周期蛋 辐射轴会一分为二, 形成两个独立的septin环(septin 2.2 调控CENP-E定位 作为支架蛋白, septin在胞质特定部位发挥其功 能, 如在处于有丝分裂的上皮细胞中, 位于赤道板的 septin纤维丝可与cenp-e相互作用, 使后者也定位 于赤道板CENP-E在细胞有丝分裂过程中有助于 染色体的迁移和纺锤体的延长研究表明, 如果缺 失SEPT2或SEPT7, 染色体将无法正常排列在赤道 板上, 姐妹染色单体也不会分离[24] ring), 其中一个位于母代酵母的出芽部位, 另一个位 后续研究表明, SEPT7可通过其羧基末端结构 [20] 于子代酵母的出芽颈部 (图2)目前者们认为, 域与CENP-E相互作用, 来稳定着丝粒和CENP-E的 septin环并不能产生引起酵母分裂的收缩力, 而酵母 结合此外, 如果细胞同时缺失SEPT2和SEPT7或 分裂的收缩力主要是由位于septin环间具有收缩性 CENP-E, 在细胞分裂中期, 微管与着丝粒的结合水 的肌动球蛋白环(actomypsin ring, AMR)所产生 平降低[25]所以septin对稳定CENP-E在染色体的定 AMR的重要组分是Myo1(Myosin 1), 它属于肌动球 位及染色体在赤道板的有序分布等方面发挥着重要 蛋白, Myo1可通过septin的结合蛋白而被募集至细 作用, 同时, septin与cenp-e的协同作用有助于稳定 胞分裂处参与酵母的出芽过程[22]总之, septin作为 微管和着丝粒的相互作用 出芽部位[19] 在 酵 母 芽 形 成 后 和 有 丝 分 裂 前 的 这 段 时 间, septin环可在出芽部位逐步形成一个沙漏状辐射轴 (hourglass-shaped collar) 在 胞 质 分 裂 前, 沙 漏 状 物 [21] pho85等, 这些蛋白均与septin相互作用, 并被募集至 白依赖性激酶CDC28(cyclin-dependent kinases 28)和 报 效应蛋白 Gic1(GTPase-interacting component 1) 和 支架蛋白可募集其他众多具有不同功能的蛋白至酵 Proline rich Polybasic GTP-binding region region domain SUE Coiled coil SEPT7 group COO G NC NH3+ SEPT6 group COO G NC NH3+ SEPT2 group COO G NH3+ SEPT3 group 胞 NH3+ 生 母的出芽颈部或胞质分裂处, 这些蛋白在酵母出芽 2.3 Septin调控微管蛋白网络 微管蛋白是细胞骨架的重要组分之一, 微管蛋 中 国 细 NC COO 图1 Septins蛋白家族分类及其结构示意图 Fig.1 Classification and structure diagram of septins Mother yeast Budding yeast Septin ring Nucleus 图2 Septins调控酵母出芽 Fig.2 Septins regulate yeast budding

4 张家静等 : Septin 蛋白的生理功能及其对相关疾病发生发展的影响 1395 白网络为膜性细胞器和生物大分子的转运 定位提供物理性和功能性支持, 并可控制细胞分裂 迁移和细胞信号转导微管蛋白网络不同功能的实现主要归因于微管结合蛋白 马达蛋白和微管翻译后修饰等微管结合蛋白或微管翻译后修饰可通过调控 [26] 微管蛋白网络的组装进而影响微管功能 Septin 是微管结合蛋白的重要成员之一, 大部分微管结合蛋白均定位在微管蛋白网络上, 而 septin 只与部分微管蛋白网络相互作用因细胞种类 septin 种类不同及细胞处于不同的分裂周期, septin 与微管蛋白网络的共定位程度变化较大不考虑上述这些可变因素, septin 与微管蛋白网络主要 [27] 定位在核被膜和细胞膜的周边 此外, septin 的表达水平对微管的组装 单体和多聚体的动态变化及翻译后修饰有着重要的影响因 septin 种类不同, 这种影响也是不同的如在 HeLa 细胞中降低 SEPT7 的表达水平将会导致 HeLa 细胞对微管解聚药物诺 考达唑 (nocodazole) 产生耐药作用 [28], 而在人乳腺上 皮细胞中敲除 SEPT9 基因将会导致多聚微管水平明 显降低, 但对微管蛋白表达水平无明显影响 [29] 有 趣的是, SEPT9 在多种肿瘤细胞中的高表达是导致 肿瘤细胞对微管稳定剂紫杉醇产生耐药的重要原 因 [30] Septin 种类不同, 其对微管蛋白翻译后修饰的 影响亦不相同在 HeLa 细胞中降低 SEPT7 的表达水 平将会导致乙酰化微管水平的提高 [28], 在 MDCK 细 胞中用 RNAi 干扰 SEPT2 的表达, 可引起微管的聚麸 胺化 (polyglutamylated) 修饰水平降低 [29] 聚麸胺化 是多聚微管的一种常见翻译后修饰, 其可调控微管 与微管结合蛋白 马达蛋白等的相互作用 [31] 关于 SEPT2 和 SEPT7 调控微管多聚体稳定性的 分子机制已基本弄清研究认为, SEPT2 SEPT7 和 SEPT6 可形成 SEPT2-SEPT6-SEPT7 复合体, 该复合 体既可结合微管多聚体, 又可作用于微管结合蛋白 4(microtube-associated protein 4, MAP4) [28] MAP4 是一种微管多聚体的稳定因子, 可通过其羧基末端 微管结合结构域作用于微管, 保持微管多聚体的稳定性, 同时该微管结合结构域还可与 SEPT2 单体结合, 因此, SEPT2 可通过募集大量的 MAP4 导致与微管多聚体结合的 MAP4 数量减少, 从而引起微管多 [28] 聚体稳定性减弱 此外, 最近的研究表明, 在上皮细胞极化过程 中, septin 可抑制微管正向端的解聚, 并确定微管多聚体的延长方向来重塑微管的空间分布核周的 septin 有助于保持微管束的稳定性, 而外周的 septin [32] 有助于微管的不断延长并能指导其延长方向 因此, septin 可通过调控微管与微管结合蛋白的 结合能力 微管翻译后修饰达到调控微管单体和多 聚体水平动态变化的目的此外, septin 还可调控微 管的空间分布和极性 2.4 Septin 对 T 细胞增殖和分化的影响 Septin 作为一个广泛表达的支架蛋白, 其对 T 细 胞的增殖 分化及迁移有着重要的影响 通过在小鼠胸腺组织中定点敲除胸腺细胞 SEPT9 基因的研究, 发现敲除胸腺细胞 SEPT9 基因 可导致胸腺未成熟 T 细胞即 CD 4 /CD 8 双阴性 T 细胞 数量增加, 该小鼠外周成熟 T 细胞数量明显减少, 增 殖能力减弱, 且此类 T 细胞缺失 SEPT9 基因, 而中央 记忆型 T 细胞 (central memory T cell) 数量增加, 所以 SEPT9 可通过影响 T 细胞的发育分化而影响 T 细胞的 稳态 [33] 另一项研究发现了 SEPT6 对造血干细胞 (hematopoietic stem cell, HSC) 分化潜能的影响, SEPT6 基因敲除, HSC 的移植潜能增加, 但其向淋巴 细胞的分化发生了改变, 导致更多的 HSC 细胞分化 成 B 淋巴细胞, 而 T 淋巴细胞的数量明显减少 [34] 这 一结果说明, SEPT6 对 HSC 在向淋巴细胞分化过程 中发挥着调控作用 Septin 对 T 细胞增殖的影响较为复杂 T 细胞相 关细胞因子或抗原刺激下均可增殖近期有研究发 现, 在细胞因子的刺激下, septin 缺失的 T 细胞将不能 完成胞质分裂, 而将该 T 细胞与抗原递呈细胞共同培 养时, septin 基因敲除的 T 细胞又表现出正常的增殖 能力 [35] 目前, septin 在不同条件下对 T 细胞增殖能 力不同影响的具体分子机制仍不清楚 中国细胞生物报 3 Septin 在细菌感染中的作用 细胞骨架一直被认为在天然免疫中扮演着中 [36] 心角色 细菌可利用细胞骨架侵染细胞, 并在细胞内繁殖及细胞间扩散细胞又可利用细胞骨架介导的各种细胞自主免疫反应抵抗细菌感染作为细胞骨架重要组分, septin 在细菌感染和宿主免疫防御中的作用被认识较晚, 但后续的一系列研究表明, septin 在多种细菌感染过程及在宿主细胞防御细菌

5 1396 综述 [26] 感染的不同阶段均发挥着重要作用 3.1 Septin 在细菌黏附及内化至宿主细胞过程中的作用肠道病原性大肠杆菌 ( E n t e r o p a t h o g e n i c Escherichia coli, EPEC) 是一种革兰氏阴性菌, 可引起腹泻最新的研究已经证明了 septin 在 EPEC 侵染宿主细胞过程中的作用 EPEC 可利用三型分泌系统 (type III secretion system, T3SS) 将其效应蛋白 转位黏附素受体 (translocated intimin receptor, Tir) 注入宿主细胞膜上, 从而为 EPEC 膜上的黏附素 (intimin) 提供锚定靶点 Intimin-Tir 的相互作用介导了 EPEC 和宿主细胞间的黏附, 同时在一系列其他蛋白的协助下可引起宿主细胞皮质部肌动蛋白纤维结构的重塑, 导致小肠微绒毛的消失, 最终在细胞膜胞质侧形成一个底座样结构 (pedestal-like structures) [37] ( 图 3A) 最近的研究发现, SEPT9 在 EPEC 感染过程中发 挥着重要作用 [38] EPEC 可通过 T3SS 实现对 SEPT9 的磷酸化, 降低 SEPT9 的磷酸化水平将会抑制 EPEC 对宿主细胞的黏附及 EPEC 所产生的细胞毒性然 而, T3SS 磷酸化 SEPT9 的具体分子机制目前仍不甚 清楚有研究推测, EPEC 的毒性因子可启动磷酸化 级联反应来提高 SEPT9 的磷酸化水平, 并在细胞膜 处实现对 SEPT9 的募集和组装, 最终形成主要由肌 动蛋白构成的底座样结构, septins 具有重塑肌动蛋 白结构的重要功能 [38] ( 图 3A) SEPT2-SEPT6-SEPT7-SEPT9 复合体参与难辨 梭状芽胞杆菌 (Clostridium difficile) 的感染过程难 辨梭状芽孢杆菌又称艰难梭菌, 其可引起人类大肠 炎, 严重腹泻, 甚至休克和死亡艰难梭菌的致病毒 素为其转移酶 (C. difficile transferase, CDT), 当宿主 细胞接触 CDT 后, 细胞皮层结构发生广泛的重构, 包 括肌动蛋白多聚体的解聚, SEPT2-SEPT6-SEPT7- SEPT9 复合体被募集至即将形成突出的细胞膜处 在此处, septin 与其他各种蛋白, 如 CDC42 CDC42 的效应子 BORG(binder of Rho GTPase) 及 EB1(end binding 1) 相互作用, 其中 EB1 定位于微管蛋白的正末端 (plus end) [39] septin 正是通过 EB1 实现微管蛋白的不断多聚化, 并确定微管延长方向, 进而形成细胞突出, 该突出可包裹艰难梭菌, 有助于后者入侵 ( 图 3B) Septin 在艰难梭菌感染过程中的作用与其在酵母出芽中的作用较为相似, 即其可以作为细胞膜及 细胞膜附近大分子扩散的天然屏障, 为了实现某些生理功能而将相关生物大分子区室化, 使这些生物大分子在有限的区室内相互作用, 能更有效地发挥它们生物功能细菌在侵染宿主细胞的过程中, 除了能形成上 述 底座 样结构和细胞膜突出外, 有些细菌像单核 细胞增生李斯特菌 (Listeria monocytogenes) 和耶尔 森菌 (Yersinia spp) 可分别利用 拉链 (zipper) 和 触 发 (trigger) 机制侵染宿主细胞 李斯特菌属于革兰氏阳性菌, 是最致命的食 源性病原体之一该菌可通过其表面蛋白内化素 A(internalin A, InlA) 和内化素 B(internalin B, InlB) 分别与宿主细胞膜上的 E- 钙黏蛋白 (E-Cadherin) 和 c-met 相互作用, 实现对宿主细胞的黏附和侵染 [40] 在侵染过程中, 在宿主细胞侵染部位的细胞膜会形 成一个杯状的凹陷, 细菌位于杯中, 细菌和细胞依 赖 InlA-E 钙黏蛋白或 InlB-Met 黏附在一起, 其中一个 InlA-E 钙黏蛋白或 InlB-Met 会形成拉链状结构 [41] ( 图 3C) 蛋白质组研究发现, 在细胞被侵染部位会 有大量的 SEPT9 富集 [18] 之后的研究表明, 李斯特 菌侵染部位会发生肌动蛋白的多聚化及杯底 septin 环状结构的形成有意思的是, SEPT2 也会促进李 斯特菌的侵染, 而 SEPT11 的作用相反所以, 不同 septins 在细菌侵染过程中扮演的角色不同 [42] 依赖触发机制侵染细胞的弗氏志贺菌 (Shigella flexneri) 和鼠伤寒沙门氏菌 (Salmonella typhimurium), 它们通过三型分泌系统所分泌的 T3SS 效应蛋白可引起 septin 环的形成, 导致侵染部位的细胞膜起皱褶 [43] 及巨胞饮体的形成, 其用以吞噬入侵细菌 ( 图 3D) 3.2 Septin 与胞内病原体的相互作用在病原体侵入宿主细胞后, 它们可采用多种方式逃避或抵抗宿主细胞免疫反应, 以适应宿主细胞内环境, 并在胞质内生存和繁殖如沙眼衣原体 (Chlamydia trachomatis) 和嗜肺军团菌 (Legionella pneumophila), 它们可以改造包裹它们的细胞组分, 建立适合自己存活和繁殖的胞内小室 (intracellular Niche) 其他一些病原体如李斯特菌 弗氏志贺菌 海鱼分枝杆菌 (Mycobacterium marinum) 和立克次体 (Rickettsia spp) 等可以直接逃出吞噬它们的囊泡, 在 [44] 宿主细胞胞质中生存 下面我们将讨论 septin 与胞内病原体的相互作用, 特别关注 septin 如何维持沙眼衣原体胞内小室的 中国细胞生物报

6 1397 张家静等: Septin蛋白的生理功能及其对相关疾病发生发展的影响 完整性及协助宿主防御反应以抵抗弗氏志贺菌感 可以使肌动蛋白多聚体的尾部多聚化, 并利用其 染 在 胞 质 内 移 动 及 在 细 胞 间 扩 散 在 细 胞 膜 附 近, septins亦可被募集至胞质肌动蛋白多聚体上, 并形 从细胞膜上脱落至胞质的囊泡内繁殖研究发现, 成septin笼状结构(septin-cage)包裹上述胞内细菌(图 沙眼衣原体为了能在囊泡内生存和繁殖, 它需要募 3F)如果抑制septin笼状结构的形成, 将增加位于 集肌动蛋白和波形蛋白(vimentin)等中间纤维至囊 肌动蛋白尾部的志贺菌数量, 并有利于细菌在细胞 泡周围, 并分泌具有蛋白酶活性的衣原体蛋白酶体 间的扩散肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor α, 活 性 因 子(chlamydial proteasome-like activity factor, TNFα), 一种志贺菌感染后宿主细胞所产生的炎症 CPAF)至胞质, 以增加囊泡的体积和弹性[45]近期 因子, 可促进septin笼状结构的形成, 同时可抑制肌 研 究 表 明, SEPT2-SEPT11-SEPT7-SEPT9复 合 体 也 动蛋白多聚体尾部的多聚化及志贺菌在细胞间的扩 被募集至囊泡的胞质侧, 并与肌动蛋白相互作用 散[46]此外, 值得注意的是, 被笼状结构包裹的上述 如果用吡效隆(Forchlorfenuron)抑制septin的聚集, 这 细菌还被靶向至自噬溶酶体内降解因此, septin可 [18] 报 沙眼衣原体是一种专性胞内病原体, 它可以在 以限制上述胞质内细菌增殖及其在胞间的扩散, 并 达, 将会抑制衣原体囊泡四周septin和肌动蛋白包 促进细菌自噬, 所以septin在宿主天然免疫反应过程 被的形成, 并限制囊泡从细胞膜脱离该研究也揭 中发挥着重要作用 将会抑制囊泡的扩张 用siRNA干扰septin的表 示, SEPT2也是CPAF的底物研究者认为, CPAF对 塑 (图3E) [18] Enteropathogenic Escherichia coli (A) Intimin (B) Listeria InlB (C) Clostridium difficile Met Septin-ring 胞 Tir CDT EB1 CDC42 T3SS effectors BORG T3SS 国 细 Septin-ring 中 4.1 Septin与肿瘤 Septin与Ras均属于GTP酶超家族成员, 可结合 生 位于胞质中的弗氏志贺菌及李斯特菌等细菌 (D) 4 Septin对相关疾病发生发展的影响 物 SEPT2的酶切将有助于囊泡周围细胞骨架结构的重 Salmonella or typhimurium T3SS effectors Septin-ring Microtublin (E) Chlamydia trachomatis (F) Septins Shigells flexneri or Listeria CPAF Septin-cage T3SS Septin-ring A: Septins参与被肠道病原性大肠杆菌感染细胞底座状结构的形成B: Septins参与被难辨梭状芽胞杆菌感染细胞突出的形成(红色虚线表示正 在形成的septin环, 红色实线表示已经形成的septin环)C: Septins参与李斯特菌通过拉链机制的入侵D: Septins参与弗氏志贺菌/鼠伤寒沙门 氏菌通过触发机制的入侵E: Septins参与沙眼衣原体的入侵过程F: 弗氏志贺菌的septin笼状结构 A: Septins involved in the biogenesis process of enteropathogenic E. coli (EPEC) pedestal. B: the interaction of septin with the factors CDC42 BORG and EB1 leads to the formation of cell protrusion after host cells infected with Clostridium difficile (the red dotted circle represents the septin ring that is being formed, and the red real circle represents the septin ring that has been formed). C: Zipper-mediated entry by L. monocytogenes. D: triggermediated entry by S. flexneri or S. typhimurium. E: Septins involved in the infection process of C. trachomatis. F: S. flexneri septin cage. 图3 Septins在细菌感染中的作用 图3 Septins function in bacterial infection

7 综述 1398 并水解GTP其中, Ras被视为经典的癌基因, 其突 促进乳腺癌细胞增殖[56] 变与众多人类肿瘤的发生发展密切相关最近十余 Septin与结肠直肠癌 年的研究表明, septin基因突变或其表达水平的变化 的发生发展密切相关SEPT9在结肠直肠癌肿瘤组 也会影响一些肿瘤如白血病 乳腺癌 卵巢癌及结 织和大肠正常组织中表达水平差异非常显著随着 SEPT9与结肠直肠癌 肠直肠癌等发生发展 Septin亚类较多, 不同的 结肠直肠由腺瘤向癌变的发展, SEPT9 mrna的转 septin可通过不同的分子机制对肿瘤的发生产生不 录水平逐渐降低, 同时SEPT9的表达量也明显下降 同的影响 虽然SEPT9蛋白总量是下降的, 但每个亚型的表达 [47] Septin与白血病 水平又有所不同, 其中SEPT9 i1表达水平也是降低 的研究过程中, SEPT9对白血病发生的影响最早被 的, 其他几种亚型SEPT9 i2 SEPT9 i4和sept9 i5 在所有septins中, SEPT9与 的表达水平在结直肠癌病人肿瘤表皮细胞中明显升 高[57]结肠直肠癌癌组织中SEPT9表达水平低与其 多种肿瘤的发生发展密切相关 发现, 也最受关注 [48-49] 报 在septin与肿瘤发生关系 转录增强子区CpG岛甲基化有关, 而CpG岛甲基化水 leukemia, MLL)可 转 位 于SEPT9基 因 处, 并 表 达 出 平的提高可抑制SEPT9基因的转录所以用去甲基 MLL-SEPT9的嵌合蛋白 后续研究发现, SEPT2 化试剂处理培养的结肠癌细胞, 又可恢复SEPT9蛋白 SEPT5 SEPT6和SEPT11也 是MLL的 融 合 蛋 白 的表达水平[57]目前SEPT9基因甲基化水平的检测 MLL-SEPT嵌合蛋白的N-端为MLL的部分N-端序列, 已被用于临床筛查结肠直肠癌[58] septin完整序列紧邻着mll的n-端序列[48-49]mll基 Septin与胃癌 [48] 胃癌是排名第四的高发癌 物 [49] 已有研究发现, 混合性白血病基因(mixed lineage 因和septin基因的融合可导致多种白血病(如急性淋 症, 癌症致死率排名世界第二[59]22%的胃癌中都 巴细胞白血病 急性髓性白血病和慢性中性粒细胞 会出现ErbB突变或过表达的情况[60-61]ErbB2(Erb 白血病等)目前关于MLL-SEPT嵌合蛋白促进白血 receptor tyrosine kinase 2)属于表皮生长因子受体 (epidermal growth factor receptor, EGFR)蛋白家族 MLL是一种组蛋白 赖氨酸N-甲基转移酶, MLL与 (ErbB1/EGFR ErbB2 ErbB3 ErbB4)EGFR蛋 septin融合后, septin可通过自身相互作用, 形成MLL 白家族主要是调控细胞的生长和分化, 而在癌细胞 二聚体, 使MLL被过度激活, 过度激活后的MLL可 中EGFR经常被过表达且会促进癌细胞生长和迁徙 引起一些基因如Hox基因过度表达[50]此外, septin 以ErbB2为靶标的癌症治疗方法, 例如使用ErbB2抗 与细胞膜及细胞骨架组分的相互作用也可能在白血 体来治疗癌症[62-63], 起初治疗效果较好, 但是很多 病的发生过程中发挥一定的作用[51] 病人会逐渐产生耐药性[64-65]研究发现, 在胃癌细 细 胞 生 病发生发展的具体分子机制仍不清楚有研究推测, 因SEPT9基因可作为逆转录病毒SL-3的DNA插 胞 中 的SEPT2 SEPT7 SEPT9是ErbB2的 结 合 蛋 入位点, 从而引起T细胞淋巴瘤的发生, 所以SEPT9 白SEPT9在HGE-20和AGS两 种 胃 癌 细 胞 系 中 专 一性表达, 在正常的胃窦细胞(gastric antrum)中不 [52] 国 基因有时也被视为原癌基因 Septin与乳腺癌和卵巢癌 表达[66]SEPT2和SEPT7在正常的胃窦细胞中有表 和淋巴癌的发生发展有关外, 在乳腺癌和卵巢癌 达, 在胃癌细胞系中高表达[66]在胃癌细胞中降低 中, SEPT9基因被认为是等位基因改变的热点在 septin的表达将会导致erbb2被泛素化和被蛋白酶体 人和鼠乳腺癌细胞系中SEPT9基因呈现多拷贝, 在 内吞降解以上研究结果表明, septin作为erbb2新 大部分卵巢癌和乳腺癌中, SEPT9蛋白的表达水平 的调控蛋白, 可以使ErbB2在细胞膜上异常稳定, 保 明显提高 SEPT9有数种亚型, 不同亚型之间 护ErbB2免于被泛素化和被溶酶体降解[67]这为以 表达量平衡失调是促进肿瘤发生发展的重要因素 ErbB2为靶标的胃癌治疗提供了重要的理论依据, 也 SEPT9不同亚型的过表达对肿瘤发生发展的影响不 为ErbB2的耐药性寻求新的思路 同如SEPT9 i4的过表达可增强肿瘤细胞的迁移 4.2 Septin与神经系统疾病 研究表明, 有数种septin家族成员参与多种神经 系统疾病的发生和发展[67]含有α-突触核蛋白的胞 质包涵体是多种神经系统退行性疾病(如帕金森病 中 除了与白血病 [53] [54] 能力, 而SEPT9 i1的过表达可抑制微管蛋白解聚 [55] 药物的活性, 使卵巢癌和乳腺癌对化疗药物产生耐 药性[30]此外, SEPT9 i1还可稳定jun激酶信号通路,

8 张家静等 : Septin 蛋白的生理功能及其对相关疾病发生发展的影响 1399 路易体痴呆和多系统萎缩 ) 的病理标志物研究发现, α- 突触核蛋白阳性的胞质包涵体含有 SEPT4, 但不含其他 septin 家族成员, 当 SEPT4 与 α- 突触核蛋白在神经细胞共表达时, 它们可以形成路易体样的包 [67] 涵体 如果在神经细胞同时表达 SEPT4 α- 突触核蛋白和另一种路易体相关蛋白 synphilin-1 时, 细胞 [67] 将会死亡 遗传性神经痛性肌萎缩 (hereditary neuralgic amyotrophy, HNA) 是一种慢性进行性神经性肌萎缩性疾病, 也最常见的家族性周围神经病, 常有家族遗传史 SEPT9 基因突变在多例 HNA 病人中被发现, 但 [18] SEPT9 引起 HNA 的具体分子机制目前仍不清楚 此外, 另一个 septin 家族成员 SEPT8 可通过作用于淀粉样前体蛋白 (amyloid precursor protein, APP) 的水解酶 BACE1(β-site APP-cleaving enzyme) 对阿尔 [68] 茨海默病的病理进程产生影响 BACE1 可水解 APP 的 β- 位点, 进而产生对神经细胞有毒性的 Aβ 多 肽 (amyloid β-protein, Aβ) 和可溶性的 APPβ(amyloid precursor protein β) SEPT8 对 BACE mrna 的转录水 平没有影响, 但可降低 BACE1 的蛋白水平, 进而抑制 Aβ 多肽的生成, 对神经细胞起到保护作用研究者 认为, SEPT8 作为支架蛋白可能通过影响 BACE1 的 分选和富集而调控其在细胞中的含量 [68] 5 总结与展望 自 1971 年 septins 蛋白家族被发现后, 因其对细 胞正常生理功能的维持起着重要作用及其对诸多疾 病发生发展有着重要的影响, 所以, septin 分子功能 的研究一直是热点经过多年的深入研究, septin 的 生理和病理生理功能已较为清楚 Septin 属于 GTP 酶超家族成员, 广泛表达于除植 物之外的其他物种中, 其也被认为是细胞骨架的重 要组分之一目前研究表明, septin 对酵母出芽 微 管蛋白网络的动态平衡 T 细胞增殖 分化和病原 体感染过程等均发挥重要的调控作用, 并且 septin 与 某些肿瘤和神经系统疾病的发生发展密切相关由 于 septin 种类较多, 结构复杂, 在细胞内分布广泛, 功能较多, 目前在 septin 高级结构及 septin 发挥其诸多生物功能的具体分子机制等方面仍有较多科问题亟待解决随着新的先进技术的出现和应用如低温电镜技术的成熟及其在结构生物方面的应用及对 septin 生物功能广泛深入的研究将有助于我们 解决上述 septin 在结构和功能方面的科问题总之, septin 单体和多聚体结构的进一步解析, 将会为其生理功能和病理生理功能的阐明奠定物质基础对 septin 生物功能及生物功能所涉及的具体分子机制的研究, 将会为 septin 相关疾病的诊断 和治疗提供理论依据 参考文献 (References) 1 Hartwell LH. Genetic control of the cell division cycle in yeast. IV. Genes controlling bud emergence and cytokinesis. Exp Cell Res 1971; 69(2): Nakahira M, Macedo JN, Seraphim TV, Cavalcante N, Souza TA, Damalio JC, et al. A draft of the human septin interactome. PLoS One 2010; 5(11): e Mostowy S, Cossart P. Septins: the fourth component of the cytoskeleton. Nat Rev Mol Cell Biol 2012; 13(3): Macedo JN, Valadares NF, Marques IA, Ferreira FM, Damalio JC, Pereira HM, et al. The structure and properties of septin 3: a possible missing link in septin filament formation. Biochem J 2013; 450(1): Zeraik AE, Pereira HM, Santos YV, Brandão-Neto J, Spoerner M, Santos MS, et al. Crystal structure of a Schistosoma mansoni septin reveals the phenomenon of strand slippage in septins dependent on the nature of the bound nucleotide. J Biol Chem 2014; 289(11): Cao L, Ding X, Yu W, Yang X, Shen S, Yu L. Phylogenetic and evolutionary analysis of the septin protein family in metazoan. FEBS Lett 2007; 581(28): Pan F, Malmberg RL, Momany M. Analysis of septins across kingdoms reveals orthology and new motifs. BMC Evol Biol 2007; 7(1): Zhang J1, Kong C, Xie H, McPherson PS, Grinstein S, Trimble WS. Phosphatidylinositol polyphosphate binding to the mammalian septin H5 is modulated by GTP. Curr Biol 1999; 9(24): Sala FA, Valadares NF, Macedo JNA, Borges JC, Garratt RC. Heterotypic coiled-coil formation is essential for the correct assembly of the septin heterofilament. Biophys J 2016; 111(12): Estey MP, Kim MS, Trimble WS. Septins. Curr Biol 2011; 21(10): R Sellin ME, Sandblad L, Stenmark S, Gullberg M. Deciphering the rules governing assembly order of mammalian septin complexes. Mol Biol Cell 2011; 22(17): Valadares NF, d Muniz Pereira H, Ulian Araujo AP, Garratt RC. Septin structure and filament assembly. Biophys Rev 2017; 9(5): Neubauer K, Zieger B. The mammalian septin interactome. Front Cell Dev Biol 2017; 5: Bertin A1, McMurray MA, Grob P, Park SS, Garcia G, Patanwala I, et al. Saccharomyces cerevisiae septins: supramolecular organization of heterooligomers and the mechanism of filament assembly. Proc Natl Acad Sci USA 2008; 105(24): Sirajuddin M, Farkasovsky M, Hauer F, Kühlmann D, Macara 中国细胞生物报

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