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FKBP52的生物学功能及其与疾病的关联综述
发布时间:2017-03-02

摘要

 

  FK506 结合蛋白 52( FK-506 Binding Protein 52,FKBP52) 属于 FK506 结合蛋白 ( FKBPs) 家族一亚类,FK506 是一种常用的免疫抑制剂。人 FKBP52基因( 即 FKBP4) 定位于染色体 12p13. 33,全长10482bp,包含 11 个外显子。1985 年,FKBP52 由Faber 等人在构建针对兔子宫孕激素受体复合物EC1 抗原表位的抗体时首次发现[1].它由 459 个氨基酸残基组成,因相对分子量约为 52kD 而得名( 实际为 51. 8kD) .其主要定位于细胞核内,在胞质内也有一定表达。FKBP52 结构上主要包括 PPIase 活性区、类 PPIase 区及肽重复序列区,其中 PPIase 活性区为其发挥功能的主要结构区。过去,针对 FK-BP52 的研究主要集中于其在甾体激素受体信号通路中作用及相关生物学功能方面。近些年越来越多的研究报道其也参与调控神经元微管功能并与多种疾病的发生发展密切相关。提示研究 FKBP52 对深入了解某些疾病的发病机制及开展新型治疗方法具有重要意义。本文将主要对 FKBP52 的生物学功能及与疾病的关联进行综述并对其应用前景加以展望。
  
  一、FKBP52 的主要结构
  
  Lebeau 等于 1992 年首次从兔的肝脏中克隆出了 FKBP52 的 cDNA 序列[1],从而为探究其结构功能奠定基础。近年来,通过晶体结构分析确定了FKBP52 由 3 个功能结构区组成[2],分别为 PPIase活性( FK1) 区,类 PPIase( FK2) 区以及肽重复序列( TPR) 区( 图 1) .其中,位于 N 末端的 FK1 区由138 个氨基酸组成。该区包含一个 FK506 结合位点,该位点具有特征性的肽基脯氨酰基顺反异构酶( PPIase) 活性( PPIase 能催化多肽或蛋白质底物中脯氨酸残基 N 端肽键的构象由顺式转为反式) ,可影响靶蛋白的折叠及功能。在该位点上方有 1 个富含脯氨酸的回环结构( loop 结构) ,其在很大程度上决定着 FKBP52 的功能。FK1 区主要对甾体激素受体复合物起基础调节作用[3].FK2 区介于 FK1 及TPR 区之间并包含 115 个氨基酸,其虽在结构上与FK1 区十分相似但不具有 PPIase 活性[4].故目前为止,并未发现 FK2 区有任何直接的功能。位于 C末端的 TPR 区由 206 个氨基酸构成,包含了 3 个 34肽重复序列( TPR) 与 1 个假定的钙调蛋白结合位点( 过去有学者将该结合位点单独归为一个区[1],如今已统一) ,TPR 是由 34 个高度变构的氨基酸所组成的序列。TPR 区的主要功能是通过与 Hsp90 的 C末端 MEEVD 序列相互作用使 FKBP52 与 Hsp90 充分结合。另外,在 FK1 及 FK2 区之间还存在着 1 个由 7 到 9 个氨基酸组成的弹性连接短肽( FK lin-ker) .该短肽具有较强的的适应性并通过磷酸化发挥调控作用[2],如第 143 位酪氨酸的磷酸化能完全阻断 FKBP52 对受体功能的调控并可能改变 FK1 区的构象。、FKBP52 的功能( 一) 对中枢神经元微管稳定性的调节 在中枢神经元中,微管与微丝、神经丝一同构成其骨架,起支撑作用同时参与物质运输并协助轴突生长。微管由微管蛋白组成且受微管相关蛋白调控,微管相关蛋白( MAPs) 是一类可与微管结合并调节其功能的蛋白,包括 MAP1、MAP12、MAP4、Tau 蛋白,它们在促进微管组装、增加微管稳定性及促进微管聚集成束等过程中起重要作用。Chambraud 等( 2007) 通过 Western Blot 实验发现 FKBP52 可与微管蛋白结合从而影响微管形成。
  
  随后,其经进一步研究发现 FKBP52 能与中枢神经系统神经元中的 Tau 蛋白结合,尤其是在 Tau 蛋白磷酸化及超磷酸化的情况下,且仅在 FKBP52 介导下才能降低微管稳定性[5].由此明确了 FKBP52 抑制微管形成的机制: FKBP52 与游离状态下磷酸化的反式 Tau 蛋白及 Hsp90 形成复合物,其 FK1 区由于在空间上背向磷酸化的反式 Tau 蛋白,导致无法激活 FKBP52 的 PPIase 活性,无法催化 Tau 蛋白结构由反式转为顺式。由于只有顺式结构的 Tau 蛋白才能促进微管组装、增加微管稳定性,而与 FKBP52结合的 Tau 蛋白仍保持其磷酸化的反式构象,即便在磷酸酶作用下去磷酸化也无法正常结合微管更不能发挥其功能并最终导致微管稳定性下降甚至解聚。因此,FKBP52 对神经元微管起负向调节作用。FKBP52 的这一调控机制很好地解释了为何诸如FK506 及雷帕霉素等免疫抑制剂具有营养神经及促进神经元轴突生长( 神经元轴突生长需依赖微管组装) 的功能。
  
  ( 二) 对甾体激素受体的调节 FKBP52 对甾体激素受体的调节功能主要包括受体配体的结合及转运这两方面[4].当某种甾体激素受体准备与其配体结合时,胞质内的两个 Hsp90 分子首先在 p23 蛋白的协助下形成稳定的环形二聚体,然后将受体包裹其中,接着开始与胞内的 FKBP52 结合,此过程中FKBP52 的 FK1 区与被包裹受体结合,TRP 区与Hsp90 结合,以此形成 FKBP52-Hsp90-受体复合物( 甾体激素受体复合物,即 SR-complex) ,最后与相应激素配体结合,从而完成受体配体结合反应。在此结合过程中,一个 FKBP52 分子只可稳定结合一个受体。Riggs 等( 2007) 发现,FKBP52 的 FK1 区可能直接与受体的配体结合区( LBD) 接触并作为其与配体的相互作用表面,使配体受体的结合保持高亲和力,HSP90 则起维持复合物稳定的作用以避免其降解。Denny 等( 2000) 将 SR-complex 中的 FKBP52替换成 FKBP51,发现其与配体的亲和力明显降低,故更加明确了 FKBP52 具有维持 SR-complex 对相应配体保持高亲和力状态的能力。当受体配体完全结合后,FKBP52 的 FK1 区便与衔接与微管上的动力蛋白结合,通过动力蛋白沿微管的滑行运动将结合了配体的受体运输入细胞核以完成后续转录等过程[1].
  
  三、FKBP52 与疾病
  
  ( 一) FKBP52 与癌症 研究表明,FKBP52 与多种癌症的发生及发展存在密切关联。在前列腺癌细胞系中 FKBP51 与 FKBP52 的含量均有着显着的升高[6,7],Yong 等( 2007) 通过基因敲除实验发现相比于 FKBP51,FKBP52 更能够促进雄激素受体( AR)的生 理 活 性。FKBP52 在 胞 质 中 通 过 与 AR 及Hsp90 等分子伴侣结合,形成雄激素受体复合物,从而辅助其结合雄激素,进而使其进入细胞核完成转录、翻译等过程。Cheung-Flynn 等( 2005) 经实验证实,FKBP52 缺陷鼠对雄激素的敏感性显着降低且会发生生殖障碍。而 Lin 等( 2007) 发现进行前列腺穿刺活检的前列腺癌病人组织中表达高水平的 FK-PB52.故提示 FKBP52 的高表达促进了前列腺癌的发生,其或可作为前列腺癌的治疗靶点。近期研究显示[3]FKBP52 在乳腺癌中有着明显上调的表达( FKBP52 在调控雌激素功能中不起主要作用) ,且发现在雌激素阴性的乳腺癌中存在 FKBP52 基因的甲基化,而在雌激素阳性的乳腺癌中则无此现象。
  
  据此可认为 FKBP52 也许在乳腺癌的发生及发展过程中起一定作用,但并非像前列腺癌一样通过对甾体激素受体的调控来实现,其确切机制非常值得进一步摸索。另有研究[8]发现在早期乳腺癌,如导管内原位癌中 FKBP52 有着更明显的过表达,同时还发现早期癌组织中存在 FKBP52 自体抗体,故猜测FKBP52 的过量表达使其产生了免疫原性[9].还有学者认为 FKBP52 或可作为预测新辅助化疗对乳腺癌疗效的潜在生物标志[10].
  
  此外,最新研究[11]发现肝细胞癌组织中 FK-BP52 亦有着明显的高表达。该研究将人肝细胞癌组织、癌旁组织、肝血管瘤组织及正常肝组织中的FKBP52 表达水平进行比较,发现 FKBP52 在肝细胞癌组织中的表达明显高于癌旁与正常组织,同时还发现 FKBP52 在肝细胞癌组织中的高表达与其病理分级及 HBV 感染有关。由此提示 FKBP52 参与了肝细胞癌的发生发展过程且与其增殖分化及 HBV感染有着密切联系。该研究或可为治疗或干预肝细胞癌提供新思路、新治疗手段。
  
  ( 二) FKBP52 与 Tau 蛋白病 目前,FKBP52 较重要的作用为其与 Tau 蛋白病间的联系。Tau 蛋白病是一类因病理性 Tau 蛋白大量沉积于脑组织中,从而影响人中枢神经系统的神经退行性疾病,其主要包括阿尔兹海默病( AD) 、皮克病、进行性核上麻痹等。研究发现[12],Tau 蛋白在 301 位上的脯氨酸突变为亮氨酸( P301L) 是导致大多数 Tau 蛋白病的主要原因,而且在额颞叶痴呆病人中已证实存在大量突变的 Tau 蛋白[13],尤其是 Tau-P301L.
  
  最新体外实验中[12],研究者们通过建立 Tau-P301L 转基因斑马鱼模型,同时将斑马鱼野生型作为对照,监测其尾部初级运动神经元轴突生长至目标位置( 腹部) 的情况,发现与野生型相比 Tau-P301L 转基因型有 57% 可生长至目标位置,再对其分别显微注射抗 FKBP52 药物及 FKBP52-mRNA,发现 Tau-P301L 转基因型在注射抗 FKBP52 药物后其轴突生长率提升至 78% 但与野生型相比无显着性差异,而在注射 FKBP52-mRNA 后其轴突生长率降低至 44%且与野生型相比有显着性差异,提示 FK-BP52 可使病变的脊髓初级运动神经元轴突重建能力明显减弱。基于该实验结果可知 FKBP52 在调控Tau-P301L 的构象转变及装配过程中或起着重要作用,其与 Tau-P301L 相互作用,介导使之低聚并组装成纤维。与 FKBP52 生理上对 Tau 蛋白调控作用不同,其不仅能结合 Tau-P301L,更重要的是能使其聚集成纤维并沉积于脑部,随着纤维化堆积的增多必然会损害中枢神经系统,由于 FKBP52 潜在的减弱Tau-P301L 病变下神经元轴突重建能力,高度怀疑其与神经系统退行性变化有关。综上,FKBP52 或可在拓宽 Tau 蛋白病的治疗方法上提供新思路甚至可作为其治疗靶点。
  
  基于 FKBP52 在 Tau 蛋白病中所取得的研究成果,研究者们开始探求其与阿尔兹海默病( AD) 的联系。AD 是一种神经系统退行性疾病,其发生与 Tau蛋白过度磷酸化所形成的神经元纤维缠结( NFTs)有着最为密切的联系。由于过度磷酸化的 Tau 蛋白与微管蛋白的结合力仅为正常的 1/10 且还会与微管蛋白竞争结合正常 Tau 蛋白,故其极易造成微管的大面积解聚,使轴突转运受损,神经元广泛破坏。
  
  最近有研究经免疫组织荧光法[14]发现,AD 患者大脑额叶皮质层中 FKBP52 表达水平显着低于正常对照组,该研究证实 FKBP52 表达降低与大量 Tau 蛋白的过度磷酸化有着直接联系,其低表达致使过度磷酸化的 Tau 蛋白不断积累从而导致脑细胞变性。
  
  研究者认为,对 FKBP52 表达水平进行早期测定或有助于预测 AD 的发生,而针对提高 FKBP52 活性的药物有望能成为预防及治疗 AD 的有效手段。基于这一发现,最新有研究[15]探讨了花青素潜在的预防 AD 作用。研究者们选取了 FKBP52-FK1 区三个分别包含 85 位谷氨酸 ( Glu85) 、113 位酪氨酸( Tyr113) 及 121 位赖氨酸( Lys121) 的环状区( loop区) ,其均对 FKBP52 激活有着重要作用。之后通过分子动力模拟( MD) 实验发现相比于对照组,实验组的六种花青素均能缩短 Glu85 与 Tyr113 及 Glu85与 Lys121 的间隔并以此激活 FKBP52.该研究结果说明花青素正是以改变 FKBP52-FK1 区空间构象的方式靶向结合 PPIase 活性位点进而激活 FKBP52,而 FKBP52 的活化可在一定程度上拮抗过度磷酸化的 Tau 蛋白及其堆积以防止 AD 发生。尽管花青素对预防 AD 有着理论可能且前景可观,但其实际效果还需经过进一步体外实验及临床实践来证实。
  
  ( 三) FKBP52 与生殖相关疾病 Susanne 等( 2005) 通过基因敲除鼠实验发现 FKBP52 缺陷鼠虽然能够正常排卵,但其胚泡却不能着床,该机制与FKBP52 对孕激素受体( PR) 的调节有关。与雄激素受体( AR) 类似,PR 同样需要在 FKBP52 及 Hsp90等分子伴侣帮助下以复合物的形式转运孕激素入胞核进而完成转录翻译过程继而激活孕激素功能。由于孕激素在胚泡着床过程中发挥重要作用,故当FKBP52 表达降低或缺失时将影响 PR 对孕激素的结合及转运( FKBP52 基因敲除鼠中孕激素与 PR 结合力下降) ,从而直接降低孕激素水平并减弱或抑制胚泡着床、影响正常生殖过程。
  
  近期研究[16]表明,FKBP52 低表达可能与反复自然流产( RSA) 有关。该研究发现相比于正常妊娠者,RSA 患者的 FKBP52 基因表达及其绒膜绒毛中FKBP52 蛋白表达水平均显着降低。另外,RSA 患者绒膜绒毛中主要由滋养层细胞胞质对 FKBP52 产生免疫反应性,在胚泡着床前滋养层需与子宫内膜接触,通过分泌蛋白酶来分解子宫内膜上皮及结缔组织,从而形成缺口使胚泡进入子宫内膜完成着床。
  
  故认为 FKBP52 可能与 RSA 的发病机制相关,FK-BP52 低表达或可影响胚泡着床、胚胎发育甚至导致流产,针对提高 FKBP52 表达的疗法也许能在一定程度上帮助治疗 RSA.
  
  最新研究[17]显示 FKBP52 与先兆子痫( PE) 及胎儿宫内生长受限( IUGR) 的发病也存在联系,通过对妊娠中 PE、IUGR 患者组及对照组胎盘内 FKBP52水平检测,经比较后发现 PE 患者组 FKBP52 表达水平低于其他两组,且与 IUGR 组间差异有统计学意义,而 IUGR 患者组 FKBP52 表达水平则高于其他两组,且与对照组间差异有统计学意义。此外,各组胎盘中的蜕膜、合胞体滋养层、绒毛膜间充质基质细胞及血管内皮均对 FKBP52 存在免疫反应性。据此认为无论是在 PE 中的下调表达还是在 IUGR 中的上调表达,FKBP52 很有可能参与了这两种疾病的发病机制,值得继续探究。
  
  四、结语与展望
  
  如今,随着人们对 FKBP52 的研究愈发深入,其越来越多的作用机制、生物学功能已为我们所知。不仅如此,其在治疗癌症、神经系统疾病等临床应用方面的作用也正逐步显现。因此,未来对于 FK-BP52 的深入探索有着极其重要的意义。
  
  功能方面,在 FKBP52 调控甾体激素受体过程中,我们已经知道 FKBP52 的 FK1 区可直接与受体的配体结合区接触并作为其与配体的相互作用表面,但这一区域范围过大,描述也较笼统。故是否可能通过进一步研究设法将该区域缩小到一个特定的位点,从而更清晰地了解其结合受体的具体方式。
  
  再者,虽然 FKBP52 通常只在胞质中与受体发生反应,但大部分 FKBP52 及相当一部分甾体激素受体本身已存在于胞核内,故两者是否可在不依赖Hsp90 的情况下直接于胞核中发生结合反应,并以结合体的方式出核,再结合相应配体,即是否存在一条 Hsp90 非依赖的受体信号通路。
  
  应用方面,随着人们对 FKBP52 的研究不断深入,其临床意义及价值也开始显现。FKBP52 的小分子配体( 如 FK506) 已被认为是潜在的营养神经、抗前列腺癌药物,但由于缺乏选择性,使得这些配体的效用受到限制。越来越多证据显示,FKBP52 或可成为某些神经退行性疾病及生殖相关疾病的药物治疗靶点。故 FKBP52 具有不容忽视的研究意义及广阔的发展前景,值得进一步深入探究。
  
  参 考 文 献
  
  1 Davies TH,Sanchez ER. Fkbp52. Int J Biochem Cell Biol,2005,37?42 ~ 47.
  
  2 Bracher A,Kozany C,Hahle A,et al. Crystal structures ofthe free and ligand-boundFK1-FK2 domain segment of FK-BP52 reveal a flexible inter-domain hinge. J Mol Biol,2013,425?4134 ~ 4144.
  
  3 Sivils JC,Storer CL,Galigniana MD,et al. Regulation of ster-oid hormone receptor function by the 52-kDa FK506-bindingprotein ( FKBP52 ) . Curr Opin Pharmacol,2011,11 ?314 ~ 319.
  
  4 Storer CL,Dickey CA,Galigniana MD,et al. FKBP51 andFKBP52 in signaling and disease. Trends Endocrinol Metab,2011,22?481 ~ 490.
  
  5 Chambraud B,Sardin E,Giustiniani J,et al. A role for FK-BP52 in Tau protein funct-ion. Proc Natl Acad Sci USA,2010,107?2658 ~ 2663.
  
  6 De Leon JT,Iwai A,Feau C,et al. Targeting the regulationof androgen receptor signaling by the heat shock protein 90cochaperone FKBP52 in prostate cancer cells. Proc NatlAcad Sci USA,2011,108?11878 ~ 11883.

 

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