趙本正，陳俊宇，徐 萍，陳瑩瑩，邱 俊，鄭晶瑩，吳 珊，夏 陽(yáng)*，趙麗晶*

(1.吉林大學(xué)第二醫(yī)院，吉林 長(zhǎng)春130041； 2.吉林大學(xué)護(hù)理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130021；3.空軍航空大學(xué)門診部，吉林 長(zhǎng)春130021)

S100蛋白在飽和硫酸銨溶液中可100%溶解，該家族包括25個(gè)成員，為EF手型Ca2+結(jié)合蛋白，分子量約10-12 kD，僅存在于脊椎動(dòng)物中，以二聚體或多聚體的形式存在。S100家族成員的序列同源性在16%-98%之間，大部分編碼基因位于染色體1q21，但S100B、S100G、S100P和S100Z的基因編碼區(qū)分別位于21、X、4和5號(hào)染色體[1]。S100蛋白的結(jié)構(gòu)差異不大，但表達(dá)位置、水平及生物學(xué)作用卻大不相同。

S100A11于1989年被首次發(fā)現(xiàn)，并在豬心肌和雞肫平滑肌中提純獲得。在皮膚和胎盤組織表達(dá)最高，在心、腎、脾、肝和肺中表達(dá)中等，在骨骼肌、結(jié)腸、胸腺和大腦邊緣葉中表達(dá)較低[2]。S100A11已被證實(shí)參與胞吞與胞吐、調(diào)控酶活性、調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)與凋亡、參與炎癥反應(yīng)、細(xì)胞膜修復(fù)及DNA修復(fù)等生物學(xué)功能。

1 S100A11蛋白的結(jié)構(gòu)及亞細(xì)胞定位

1.1S100A11蛋白的結(jié)構(gòu)

S100A11的三維結(jié)構(gòu)包括Ca2+結(jié)合位點(diǎn)、二聚體主體和Ca2+結(jié)合構(gòu)象改變區(qū)域。S100A11主體包括兩個(gè)稱為“EF手型結(jié)構(gòu)”的螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)。N末端的EF手型結(jié)構(gòu)是非傳統(tǒng)的Ca2+結(jié)合結(jié)構(gòu)域，由螺旋I、偽Ca2+結(jié)合位點(diǎn)和螺旋Ⅱ構(gòu)成；C末端的EF手型結(jié)構(gòu)是經(jīng)典的Ca2+結(jié)合結(jié)構(gòu)域，由螺旋Ⅲ、Ca2+結(jié)合位點(diǎn)和螺旋IV構(gòu)成，對(duì)Ca2+的親和力強(qiáng)于N末端。

無(wú)Ca2+結(jié)合時(shí)，S100A11的螺旋Ⅲ和Ⅳ反向平行關(guān)閉而呈球狀結(jié)構(gòu)(圖1A)。當(dāng)C末端手型結(jié)構(gòu)與Ca2+結(jié)合時(shí)，螺旋Ⅲ與螺旋Ⅳ接近垂直，使蛋白疏水口袋開放，成為蛋白-蛋白作用位點(diǎn)(圖1B)。Ca2+結(jié)合后S100A11的構(gòu)象改變由遠(yuǎn)離結(jié)合位點(diǎn)的K32-D57鹽橋觸發(fā)[3]。

圖1 S100A11的結(jié)構(gòu)[3]

1.2S100A11蛋白的亞細(xì)胞定位

在正常人成纖維細(xì)胞中，S100A11主要存在于細(xì)胞質(zhì)中；當(dāng)成纖維細(xì)胞發(fā)生接觸抑制時(shí)，S100A11則主要存在于細(xì)胞核中[4]。在正常人角質(zhì)形成細(xì)胞(NHK)中，S100A11可移入細(xì)胞核與核仁蛋白結(jié)合并影響細(xì)胞生長(zhǎng)[2]。然而，其在腫瘤細(xì)胞中定位于細(xì)胞質(zhì)[5]。研究發(fā)現(xiàn)，S100A11單體存在于胞質(zhì)中，而S100A11多聚體則存在于細(xì)胞骨架并與β-微管蛋白結(jié)合[6]。以Ca2+處理休眠的NHK后，S100A11可轉(zhuǎn)移到細(xì)胞邊緣，參與形成角質(zhì)化包膜前體。近期研究發(fā)現(xiàn)，在間皮瘤細(xì)胞中S100A11可通過與過氧化物酶體膜蛋白PEX14結(jié)合，從而經(jīng)過氧化物酶體途徑分泌到細(xì)胞外[7]。

2 S100A11蛋白的生物學(xué)功能

2.1S100A11參與細(xì)胞生長(zhǎng)調(diào)控

2.1.1S100A11抑制NHK細(xì)胞生長(zhǎng) 當(dāng)培養(yǎng)基內(nèi)Ca2+低于0.1 mM時(shí)，NHK細(xì)胞持續(xù)增殖。當(dāng)Ca2+升高到1.2-2.0 mM時(shí)，細(xì)胞生長(zhǎng)停止并誘導(dǎo)分化。在表皮細(xì)胞，基底層到角化層中Ca2+含量梯度升高， Ca2+介導(dǎo)的NHK細(xì)胞生長(zhǎng)停滯和分化可能反映了皮膚組織的生理學(xué)進(jìn)程[8]。當(dāng)NHK細(xì)胞暴露于高濃度Ca2+時(shí)，S100A11 N末端的Thr10和C末端的Ser94殘基發(fā)生磷酸化[2]，促使轉(zhuǎn)錄因子Sp1/3從細(xì)胞核中釋放，后者解除KLF16對(duì)p21/WAF1基因的抑制作用，增加p21/WAF1的表達(dá)，進(jìn)而抑制NHK細(xì)胞生長(zhǎng)。

表皮生長(zhǎng)因子(EGF)與其受體結(jié)合可激活多條信號(hào)通路，其中胞質(zhì)磷脂酶A2(cPLA2)激活是其主要通路，膜聯(lián)蛋白A1(ANXA1)可結(jié)合并抑制cPLA2，從而發(fā)揮生長(zhǎng)抑制作用。S100A11以鈣離子依賴方式通過其N末端與ANXA1結(jié)合[9]，增強(qiáng)ANXA1對(duì)cPLA2的抑制。裂解的ANXA1不能結(jié)合S100A11，高Ca2+環(huán)境中S100A11與ANXA1快速結(jié)合，阻止ANXA1的磷酸化及裂解。

2.1.2S100A11促進(jìn)NHK細(xì)胞生長(zhǎng) 晚期糖基化終產(chǎn)物受體(RAGE)是一種多配體受體，與炎癥反應(yīng)、腎衰竭、神經(jīng)退行性病變及糖尿病等有關(guān)，可與多種配體包括淀粉樣蛋白β、HMGB1及S100蛋白家族成員結(jié)合[10]。在NHK細(xì)胞中，S100A11通過與RAGE結(jié)合而激活A(yù)kt，后者使cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CREB)磷酸化，進(jìn)而激活A(yù)P-1，活化EGF，并最終促進(jìn)NHK細(xì)胞生長(zhǎng)[11]。

2.1.3S100A11對(duì)NHK細(xì)胞生長(zhǎng)的雙重調(diào)控作用 S100A11對(duì)NHK細(xì)胞具有抑制及促進(jìn)生長(zhǎng)的雙重調(diào)控作用，但兩種調(diào)控方式的轉(zhuǎn)化及機(jī)制尚不明晰。有必要繼續(xù)深入研究S100A11的生長(zhǎng)調(diào)控機(jī)制，明確其促進(jìn)生長(zhǎng)與抑制生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換模式。

2.2S100A11參與雙鏈DNA修復(fù)

DNA雙鏈斷裂(DSBs)嚴(yán)重影響基因組的穩(wěn)定，導(dǎo)致細(xì)胞周期停滯或DNA重組，從而引起細(xì)胞功能障礙、細(xì)胞死亡或腫瘤發(fā)生。DNA復(fù)制叉坍塌導(dǎo)致的DNA復(fù)制停滯是引起DSBs的主要原因，同源重組是DSBs修復(fù)的主要方式。Rad54B可通過恢復(fù)DNA復(fù)制叉，從而參與同源重組介導(dǎo)的DNA損傷修復(fù)[12]。在DNA損傷的HaCaT細(xì)胞核中，S100A11可與Rad54B結(jié)合并定位于雙鏈DNA損傷修復(fù)的位點(diǎn)；無(wú)S100A11存在時(shí)，Rad54B無(wú)DNA損傷修復(fù)功能，提示S100A11參與了DNA的損傷修復(fù)[13]。近期研究發(fā)現(xiàn)，斷裂的雙鏈DNA可形成3’-單鏈DNA(ssDNA)，ssDNA與Rad51結(jié)合形成核蛋白絲，從而啟動(dòng)DSBs同源重組修復(fù)。有Ca2+存在時(shí)，S100A11與Rad51相互作用，從而調(diào)整ATP水解速率，使Rad51/ATP/ssDNA核蛋白絲穩(wěn)定參與DSBs的同源重組修復(fù)[14]。

2.3S100A11參與細(xì)胞膜修復(fù)

即使在穩(wěn)定的細(xì)胞外環(huán)境中，細(xì)胞膜也會(huì)因各種機(jī)制而發(fā)生損傷。細(xì)胞膜修復(fù)(PMR)時(shí)，Ca2+內(nèi)流并聚集到膜損傷位點(diǎn)，促進(jìn)細(xì)胞骨架重構(gòu)及細(xì)胞膜融合。皮層細(xì)胞骨架與細(xì)胞膜張力緊密相關(guān)，皮層細(xì)胞骨架重組對(duì)細(xì)胞膜修復(fù)至關(guān)重要[15]。膜聯(lián)蛋白(ANX)是一種Ca2+結(jié)合蛋白，其成員ANXA1、ANXA6和ANXA5可通過促進(jìn)細(xì)胞膜融合或形成蛋白質(zhì)晶格，從而參與細(xì)胞膜修復(fù)[16]。ANXA2可參與細(xì)胞膜修復(fù)及細(xì)胞內(nèi)囊泡融合[17]。惡性腫瘤細(xì)胞發(fā)生PMR時(shí)，Ca2+進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)膜損傷位點(diǎn)，使細(xì)胞內(nèi)ANXA1與皮層細(xì)胞骨架F-肌動(dòng)蛋白結(jié)合，從而減弱受損細(xì)胞膜的張力，并促進(jìn)S100A11與ANXA2結(jié)合。S100A11-ANXA2復(fù)合體可使解聚的F-肌動(dòng)蛋白重構(gòu)，切除細(xì)胞膜損傷區(qū)域，促進(jìn)正常細(xì)胞膜融合而發(fā)揮細(xì)胞膜修復(fù)作用[18]。S100A11-ANXA2復(fù)合體也參與正常血管內(nèi)皮的細(xì)胞膜修復(fù)[19]。

2.4S100A11參與癌癥發(fā)生發(fā)展

S100A11在子宮平滑肌瘤、大細(xì)胞淋巴瘤、胰腺癌、直腸癌、乳腺癌、高級(jí)別漿液性卵巢癌、腎透明細(xì)胞癌、甲狀腺癌、肝內(nèi)膽管細(xì)胞癌、胃癌、肺癌及惡性胸膜間皮瘤中高表達(dá)，而且其高表達(dá)與乳腺癌、高級(jí)別漿液性卵巢癌、腎透明細(xì)胞癌及胰腺癌患者的不良預(yù)后有關(guān)[20]。S100A11在食管鱗癌和膀胱癌中低表達(dá)，并且膀胱癌中S100A11缺失與不良預(yù)后有關(guān)[21]。在卵巢癌HO8910細(xì)胞中，敲除S100A11基因可有效抑制卵巢癌細(xì)胞的生長(zhǎng)和侵襲[22]。此外，在一些腫瘤中，S100A11可發(fā)揮腫瘤促進(jìn)因子的作用，如維持鱗癌細(xì)胞系的增殖[11]。

雖然S100A11在腫瘤中的具體作用及機(jī)制尚未明確，但是其特異性表達(dá)模式或?qū)槟承┠[瘤的早期診斷提供幫助。

2.5S100A11的其他生物學(xué)功能

2.5.1S100A11參與骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)程 研究發(fā)現(xiàn)，S100A11可作為RAGE配體調(diào)控軟骨細(xì)胞肥大[23]。這一骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵病理變化，伴隨X型膠原及基質(zhì)金屬蛋白酶13(MMP13)過表達(dá)。軟骨細(xì)胞肥大誘導(dǎo)因子CXCL8和ATRA及骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生調(diào)控因子TNF-α可促進(jìn)S100A11分泌至人關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞培養(yǎng)基介質(zhì)。CXCL8通過CXCR1 和CXCR2差異性激活，從而實(shí)現(xiàn)其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及生物學(xué)功能[24]。已經(jīng)證實(shí)，CXCR1 和CXCR2可誘導(dǎo)關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞肥大。谷氨酰胺轉(zhuǎn)酰胺酶2通過對(duì)S100A11 Lys3和Gln102殘基的轉(zhuǎn)酰胺基作用，將S100A11轉(zhuǎn)變?yōu)楣矁r(jià)結(jié)合的同源二聚體，后者能與RAGE更快結(jié)合，且這一過程可發(fā)生在細(xì)胞外圍[25]。因此，S100A11通過與RAGE結(jié)合，激活p38 MAPK激酶，促進(jìn)X型膠原表達(dá)，從而使軟骨細(xì)胞肥大。

2.5.2S100A11參與細(xì)胞形態(tài)學(xué)改變 S100家族的許多成員參與調(diào)控細(xì)胞骨架動(dòng)力學(xué)。S100A11與S100B可使微管解聚，并調(diào)控肌動(dòng)蛋白微絲及中間絲的動(dòng)力學(xué)[26]。S100A2可組織細(xì)胞骨架運(yùn)動(dòng)[27]，S100A4可調(diào)控肌球蛋白動(dòng)力學(xué)[28]，S100A8/S100A9復(fù)合體可介導(dǎo)Ca2+依賴的中間絲與細(xì)胞膜相互作用[29]，S100A11可與肌動(dòng)蛋白、β-微管蛋白及中間絲相互作用。以S100A11干預(yù)低密度人成纖維細(xì)胞后，成纖維細(xì)胞發(fā)生劇烈的形態(tài)學(xué)改變而形成細(xì)胞凸起，并且這些細(xì)胞偽足中肌動(dòng)蛋白微絲聚集[4]，提示S100A11可促進(jìn)肌動(dòng)蛋白聚集，并對(duì)細(xì)胞形態(tài)學(xué)改變具有重要作用。

3 結(jié)論

作為S100蛋白家族成員，S100A11通過C末端的Ca2+結(jié)合結(jié)構(gòu)域與Ca2+結(jié)合后，蛋白疏水口袋開放，蛋白結(jié)合位點(diǎn)暴露，與各種靶蛋白結(jié)合。從而發(fā)揮對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的雙重調(diào)控作用，對(duì)細(xì)胞膜損傷及DNA損傷的修復(fù)作用，對(duì)腫瘤發(fā)生發(fā)展、慢性骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)程的促進(jìn)作用，以及調(diào)控細(xì)胞形態(tài)學(xué)改變等生物學(xué)過程。S100A11參與多種細(xì)胞活性及功能調(diào)控，有必要深入探索其功能并闡明其作用機(jī)制，為相關(guān)疾病或功能障礙的預(yù)防、診斷及治療提供新的靶點(diǎn)和思路。