陳 燕, 孫 晨

富含半胱氨酸腸蛋白的研究進展

陳 燕1, 2, 孫 晨1, 2

(1. 中國海洋大學(xué) 海洋生命學(xué)院, 山東 青島 266003; 2. 中國海洋大學(xué) 海洋生物多樣性與進化研究所, 山東 青島 266003)

富含半胱氨酸腸蛋白是一種含雙鋅指結(jié)構(gòu)的小分子蛋白, 其在鋅離子轉(zhuǎn)運、個體發(fā)育、免疫防御以及腫瘤發(fā)生等多種生理過程中發(fā)揮重要作用。作者主要對富含半胱氨酸腸蛋白的結(jié)構(gòu)特點及其在發(fā)育和免疫方面的研究進展進行系統(tǒng)概述, 并指出其相關(guān)作用機制尚待深入研究。

富含半胱氨酸腸蛋白; LIM結(jié)構(gòu)域; 機體發(fā)育; 免疫防御

富含半胱氨酸腸蛋白(Cysteine-rich intestinal protein, CRIP)是富含半胱氨酸蛋白(Cysteine-rich protein, CRP)家族的重要成員之一。近年來, 大量研究表明CRIP參與鋅離子轉(zhuǎn)運、機體發(fā)育以及免疫防御等生理過程[1-4]。同時, 還發(fā)現(xiàn)CRIP可以作為早期癌癥檢測的新標志。作者就其在發(fā)育和免疫方面的研究進展, 作簡要概述。

1 富含半胱氨酸蛋白和富含半胱氨酸腸蛋白

CRP隸屬于含有LIM結(jié)構(gòu)域的LIM蛋白質(zhì)家族。LIM結(jié)構(gòu)域是一種雙鋅指結(jié)構(gòu), 最初發(fā)現(xiàn)于秀麗隱桿線蟲()基因編碼的蛋白中[5], 與之后發(fā)現(xiàn)的含LIM結(jié)構(gòu)域的秀麗隱桿線蟲的Lin-11以及大鼠()的Isl-1共同命名(Lin11、Isl-1和Mec-3)而來[7]。LIM結(jié)構(gòu)域由大約55個氨基酸組成, CX2CX16-23HX2CX2CX2CX16–21CX2(C/H/D), 其中X表示其他氨基酸。LIM結(jié)構(gòu)域中的7個半胱氨酸和1個組氨酸構(gòu)成兩個鋅指結(jié)構(gòu), 是Zn2+結(jié)合的位點[8]。兩個鋅指結(jié)構(gòu)分別由兩個反平行結(jié)構(gòu)組成β折疊, 其間通過一個急轉(zhuǎn)接頭相連接, 在整個結(jié)構(gòu)的C末端, 還含有一小段α螺旋(圖1)[9-10]。

CRIP是CRP家族的重要成員之一[11]。CRIP最初是在斷奶期大鼠的小腸中發(fā)現(xiàn)的[12], 因其在小腸中含量較高以及含有7個半胱氨酸殘基的結(jié)構(gòu)特點, 故命名為富含半胱氨酸腸蛋白。CRIP是LIM蛋白家族中分子量最小的成員, 在脊椎動物中基因含有3個拷貝, 分別編碼CRIP1、CRIP2以及CRIP3蛋白[13]。其中, CRIP1只含有1個LIM結(jié)構(gòu)域, 而CRIP2和CRIP3均含有兩個LIM結(jié)構(gòu)域。CRIP在機體各組織中廣泛分布, 其作用除去參與Zn2+轉(zhuǎn)運之外, 主要參與個體發(fā)育、免疫以及腫瘤發(fā)生等生物過程。

圖1 LIM結(jié)構(gòu)域拓撲結(jié)構(gòu)[10]

圖中綠色箭頭代表β折疊, 藍色圓柱代表短α螺旋; 圖中標注的氨基酸殘基為鋅離子結(jié)合位點

The green arrows in the figure represent β-sheets, and the blue cylinders represent short α-helices. The marked amino acid residues in the figure are zinc ion binding sites

2 CRIP與發(fā)育

已有研究發(fā)現(xiàn), CRIP蛋白參與機體的發(fā)育過程。Hempel[14]等研究了非洲爪蛙()中、和3個基因的時空表達模式, 發(fā)現(xiàn)這3個基因均在前腎、鰓弓以及眼中表達(圖2); 此外,在發(fā)育中的腦神經(jīng)節(jié)和神經(jīng)管中表達,在心血管系統(tǒng)、大腦和神經(jīng)管中表達,在顱神經(jīng)節(jié)和心臟中表達。雖然、和表達部位存在些許差異, 但它們在胚胎發(fā)育過程中都發(fā)揮一定作用。Tong[15]等對人類基因在秀麗隱桿線蟲中的同源基因進行突變, 結(jié)果導(dǎo)致排泄管腔長度變短

圖2 非洲爪蛙的Crip1、Crip2和Crip3蛋白結(jié)構(gòu)示意圖[14]

Crip1包含1個LIM域, 而Crip2和Crip3每個都有兩個LIM結(jié)構(gòu)域(LIM-1和LIM-2); 紅色表示LIM結(jié)構(gòu)域, 而兩個橙色方框分別表示LIM1和LIM2兩個結(jié)構(gòu)域, 黑線表示鋅離子結(jié)合位點

Crip1 contains one LIM domain, while Crip2 and Crip3 have two (LIM-1 and LIM-2) each. The red box indicates the LIM domain, while the two orange boxes indicate the LIM1 and LIM2 domains, and the black line indicates the zinc ion binding site

且內(nèi)徑變寬, 管腔內(nèi)存在不同程度的囊腫現(xiàn)象。大量研究顯示,基因在多種動物的某些特定發(fā)育階段呈現(xiàn)不同程度的高表達。如在方形網(wǎng)紋溞()中,基因表達量高的個體往往是能抵御惡劣環(huán)境的雄性個體以及能產(chǎn)生休眠卵的雌性個體, 而在孤雌生殖的雌性個體中該基因表達量較低, 提示基因的表達可能影響雌雄個體的性別分化以及后代產(chǎn)生休眠卵的數(shù)量[16]。同樣,基因的表達也影響文蛤()的早期發(fā)育過程。在文蛤的D型幼蟲發(fā)育到殼頂幼蟲這一階段, 其基因的轉(zhuǎn)錄水平增加了3.5倍, 而在D型幼蟲和擔輪幼蟲階段該基因表達量較低, 推測其可能參與從D型幼蟲到殼頂幼蟲發(fā)育過程的調(diào)節(jié)。Chen[3]等采用RNAi技術(shù)對文蛤的基因進行沉默處理后, 文蛤D型幼蟲存活率顯著降低, 推測CRIP蛋白在蛤類早期發(fā)育中發(fā)揮作用。在環(huán)節(jié)動物水蛭()中,基因在切除軸突后的6 h~24 h內(nèi)表達量顯著上升, 推測其可能與中樞神經(jīng)系統(tǒng)和血清素激活神經(jīng)元的再生密切相關(guān)[17]。除此之外, CRIP蛋白還參與細胞骨架構(gòu)建以及心臟發(fā)育過程。Kim[18]等發(fā)現(xiàn), 斑馬魚()基因可以下調(diào)心內(nèi)膜墊的細胞外基質(zhì)中相關(guān)基因的表達, 而心內(nèi)膜墊中細胞外基質(zhì)的沉淀和心內(nèi)膜間質(zhì)轉(zhuǎn)化又作為房室瓣膜發(fā)育的第一階段, 因此推測基因在心臟的房室瓣膜的發(fā)育中發(fā)揮一定調(diào)節(jié)作用。Sun[19]等也報道基因作為心臟神經(jīng)嵴細胞的標志, 其在遷移前神經(jīng)嵴細胞中的表達會影響心臟發(fā)育過程。Cheung[20]等認為, CRIP2蛋白作為促血管生成細胞因子表達的轉(zhuǎn)錄阻遏物, 可能通過CRIP2蛋白與NF-κB/p65相互作用的方式來抑制血管形成過程。由上述可見, CRIP蛋白在動物性別、早期幼蟲發(fā)育、心血管形成以及神經(jīng)再生過程中, 都發(fā)揮重要作用, 但有關(guān)機制尚待深入研究。

3 CRIP與免疫

越來越多的研究表明, CRIP蛋白可能參與宿主的免疫防御過程。對CRIP蛋白在大鼠腸道中的分布進行定位, 發(fā)現(xiàn)其主要分布于潘氏細胞中。同時, 在小鼠單核巨噬細胞系中也明顯檢測到CRIP蛋白的存在, 揭示其可能參與細胞宿主防御或組織分化[21]。Hallquist[22]等發(fā)現(xiàn), 當大鼠受到脂多糖(lipopolysaccharides, LPS)刺激后, 其腹膜巨噬細胞、外周血單核細胞以及脾臟、腸中基因的轉(zhuǎn)錄水平顯著提高, 而在胸腺和肝臟中表達量幾乎不變。外周血單核細胞中基因的表達量呈現(xiàn)先降低后升高的特點, 血漿中CRIP蛋白的含量在刺激后顯著降低, 揭示其可能在免疫細胞激活或分化過程中發(fā)揮作用。Cousins[23-24]等構(gòu)建了過表達的轉(zhuǎn)基因小鼠(), 并對其給予LPS刺激。結(jié)果發(fā)現(xiàn)過表達基因的小鼠相較于野生型個體, 其血清中細胞因子和免疫細胞的數(shù)目發(fā)生了較大程度的改變, 具體表現(xiàn)為白介素6(IL-6)和白介素10(IL-10)的濃度明顯上升, 腫瘤壞死因子(TNF-α)以及干擾素-γ(IFN-γ)的濃度顯著降低; 白細胞數(shù)量總體減少, 而T淋巴細胞中的CD4+以及CD8+細胞數(shù)目有所增加, 這與脾細胞中的表達呈現(xiàn)一定相似性。這些結(jié)果表明, CRIP蛋白可能影響輔助性T細胞1/輔助性T細胞2 (T helper type (Th1)/Th2)兩類細胞因子間的平衡。研究還發(fā)現(xiàn), 當使用流感病毒免疫刺激小鼠時, 過表達基因的小鼠的體質(zhì)量在實驗觀察期顯著低于非過表達的小鼠, 且其對肺部病毒的清除能力明顯較對照組弱。這些對病毒刺激所表現(xiàn)出的較弱的免疫響應(yīng)進一步說明過表達基因可能改變宿主的免疫防御反應(yīng)[25]。

對不同物種進行細菌刺激后, 發(fā)現(xiàn)CRIP蛋白也參與細菌免疫過程。用嗜水汽單胞菌()刺激文蛤時, 其血細胞、鰓和肝胰腺中的基因轉(zhuǎn)錄水平明顯上調(diào), 表明CRIP蛋白參與了文蛤的先天免疫過程[3]。用糞腸球菌(FA2-2)刺激豬IPEC-J2細胞系,能夠提高豬()的基因mRNA表達水平[4]。在牙鲆()胚胎細胞系中過表達牙鲆基因, 可以增強p65驅(qū)動的IL-6啟動子在細胞中的活性, 而用遲鈍愛德華菌()刺激牙鲆后, 其小腸、鰓、腎臟和脾臟中基因表達量顯著升高[26], 這些結(jié)果表明CRIP蛋白可能通過改變細胞因子表達的方式來發(fā)揮抗菌作用。新近, 我們利用所建立的基因缺失的斑馬魚純合突變品系crip1, 發(fā)現(xiàn)Crip1蛋白可能作為一個負調(diào)控因子參與宿主的抗菌免疫防御反應(yīng), 并在宿主維持腸道內(nèi)穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮一定的作用(待發(fā)表數(shù)據(jù))。

4 小結(jié)與展望

CRIP蛋白作為LIM蛋白家族的重要成員之一, 既在動物發(fā)育中發(fā)揮調(diào)控作用, 又在機體免疫過程中發(fā)揮重要作用。好像是在生命早期過程中, CRIP蛋白主要參與發(fā)育調(diào)控, 而在成體階段, CRIP蛋白主要參與免疫防御。LIM結(jié)構(gòu)域作為一種介導(dǎo)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用的結(jié)構(gòu)域, 必然在CRIP蛋白參與動物發(fā)育或免疫防御等生理過程中發(fā)揮著重要的作用。根據(jù)現(xiàn)有的研究及我們的實驗發(fā)現(xiàn)可以推測CRIP蛋白可能通過與發(fā)育或免疫相關(guān)通路的重要蛋白質(zhì)相互作用, 調(diào)控相關(guān)信號通路, 參與機體的發(fā)育及免疫反應(yīng)。鑒定與之發(fā)生相互作用的蛋白分子并明確其介導(dǎo)的信號通路, 將有助于深入了解CRIP蛋白的功能, 揭示其發(fā)揮作用的分子機制。

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Research progress of cysteine-rich intestinal protein

CHEN Yan1, 2, SUN Chen1, 2

(1. Department of Marine Biology, Ocean University of China, Qingdao 266003, China; 2. Institute of Evolution and Marine Biodiversity, Ocean University of China, Qingdao 266003, China)

Cysteine-rich intestinal protein (CRIP) is a small molecule protein containing a double zinc finger structure. CRIP has been proven to play an important role in zinc ion transport, development, immune defense and tumorigenesis. This min-review primarily focuses on the research progress on development and immune response of CRIP. It also suggests a further study on the mode of CRIP action in development and immunity.

cysteine-rich intestinal protein; LIM domain; development; immune defense

Mar. 6, 2020

Q51

A

1000-3096(2020)06-0148-04

10.11759/hykx20200306003

2020-03-06;

2020-03-12

國家自然科學(xué)基金資助項目(31402030)

[National Natural Science Fund, No.31402030]

陳燕(1994-), 女, 山東日照人, 碩士研究生, 主要從事細胞生物學(xué)研究, 電話: 17860711769, E-mail: chenyan_917@163.com; 孫晨,通信作者, E-mail: sunchen@ouc.edu.cn

(本文編輯: 譚雪靜)