PUF家族蛋白表達(dá)及功能研究進(jìn)程范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了PUF家族蛋白表達(dá)及功能研究進(jìn)程參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)》2018年第3期

［摘要］puf家族蛋白是一類高度保守的RNA結(jié)合蛋白，在真核生物的基因轉(zhuǎn)錄后調(diào)控中起著重要的作用，同時(shí)對(duì)于低等動(dòng)物和哺乳動(dòng)物，PUF同源基因在生殖細(xì)胞和配子的發(fā)育過程中也起著重要的作用。PUF蛋白具有多種典型的特征和生物功能。目前關(guān)于果蠅和線蟲PUF蛋白的研究有很多，但是對(duì)哺乳動(dòng)物PUF蛋白在各個(gè)器官組織表達(dá)的研究還比較少，PUF蛋白在哺乳動(dòng)物生長(zhǎng)和發(fā)育過程中的功能還不明確。

［關(guān)鍵詞］RNA結(jié)合蛋白;PUF家族;生物功能

真核生物基因表達(dá)調(diào)控包括轉(zhuǎn)錄水平和轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控，而轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控分為mRNA穩(wěn)定性調(diào)控和翻譯水平調(diào)控［1］。細(xì)胞中存在一類與mRNA有高度親和性的蛋白，直接或間接結(jié)合到順式調(diào)控元件促進(jìn)mRNA的脫腺苷化和降解，這類蛋白被稱為RNA結(jié)合蛋白［2］。PUF(Pumilio和FBF的簡(jiǎn)稱)家族蛋白是一類重要的高度保守的RNA結(jié)合蛋白，在多種生物中它們不僅結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，并且能夠結(jié)合到3＇UTRs上調(diào)節(jié)mRNA的翻譯，它們也可以與其他調(diào)控蛋白結(jié)合起作用，促進(jìn)mRNA的翻轉(zhuǎn)或抑制翻譯［3］。PUF蛋白是重要的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控因子，但是目前PUF蛋白抑制mRNA翻譯的機(jī)制還不明確。PUF蛋白在各個(gè)生物體中的表達(dá)體現(xiàn)了它們?cè)谏矬w中具體的功能，但目前哺乳動(dòng)物PUF蛋白表達(dá)的研究還很少。因此，系統(tǒng)性研究哺乳動(dòng)物PUF蛋白的表達(dá)對(duì)明確PUF蛋白抑制mRNA翻譯的機(jī)制具有重大的意義。

一、PUF蛋白的典型特征

1．多種生物中表達(dá):Pumilio基因最早在果蠅中發(fā)現(xiàn)，并且果蠅只有一種Pumilio蛋白。線蟲、釀酒酵母和擬南芥都有多種PUF蛋白，線蟲有9個(gè)PUF蛋白，按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能分為四組:FBF組(FBF－1和FBF－2)、PUF－8/－9組(PUF－8和PUF－9)、PUF－5/－6/－7組(PUF－5、PUF－6和PUF－7)、PUF－3/－11組(PUF－3和PUF－11)［4］。哺乳動(dòng)物—人和小鼠只有兩個(gè)PUF蛋白(Pumilio1和Pumilio2)。到目前為止還沒有在真細(xì)菌和古生菌中檢測(cè)到PUF的存在［3］。PUF家族蛋白廣泛存在，在很多真核生物，包括植物和動(dòng)物，單細(xì)胞和多細(xì)胞生物體中都發(fā)現(xiàn)該家族成員，因此可以說該蛋白家族進(jìn)化史悠久。

2．序列和結(jié)構(gòu)高度保守:該家族蛋白從酵母到人類的進(jìn)化中展現(xiàn)出高度的保守性，研究表明主要是因?yàn)樵赑UF蛋白中存在月牙形的RNA結(jié)合功能域(如圖1)，即在兩個(gè)相關(guān)序列Csp1和Csp2(與Puf重復(fù)結(jié)構(gòu)相似的兩個(gè)短序列)之間存在8個(gè)連續(xù)的Puf重復(fù)結(jié)構(gòu)，每個(gè)重復(fù)結(jié)構(gòu)都有一個(gè)含有芳香族和基本氨基酸殘基組成的核心共識(shí)區(qū)，序列長(zhǎng)度大約有40個(gè)氨基酸［5］。整個(gè)Puf重復(fù)結(jié)構(gòu)在該蛋白結(jié)合RNA時(shí)是必須的，同時(shí)該區(qū)域也與共同調(diào)節(jié)蛋白存在相互作用，還可以用于挽救PUF蛋白突變?cè)斐傻娜毕荨Ｗ罱l(fā)現(xiàn)果蠅Pumilio的Puf重復(fù)結(jié)構(gòu)與人的PUF蛋白的該結(jié)構(gòu)高度相似，均成延伸狀的新月形(如圖2)。每個(gè)重復(fù)結(jié)構(gòu)折疊成一個(gè)三螺旋結(jié)構(gòu)，這些螺旋結(jié)構(gòu)堆積成一個(gè)占42半徑圓周三分之一的月牙形。這種月牙形提供兩種延伸的表面:一種結(jié)合RNA，一種結(jié)合其他的蛋白。RNA結(jié)合的位點(diǎn)在新月結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)凹面上(含有保守芳香族和基本氨基酸)。Pumilio的內(nèi)表面長(zhǎng)約為90，與預(yù)測(cè)的含有20～30個(gè)核苷酸單體的結(jié)合位點(diǎn)長(zhǎng)度相一致。作為RNA結(jié)合蛋白的Pumilio通常與生殖細(xì)胞增殖相關(guān)蛋白Nanos和腦腫瘤蛋白Brat共同作用來調(diào)節(jié)動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育，結(jié)合Nanos和Brat兩個(gè)蛋白的位點(diǎn)位于新月結(jié)構(gòu)的外側(cè)，特別是7和8重復(fù)結(jié)構(gòu)之間的彎曲結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)合Nanos很重要［6］。

3．調(diào)控多種靶標(biāo)mRNA:個(gè)別PUF蛋白調(diào)控多種mRNA，例如:果蠅中Pumilio至少結(jié)合兩種mRNA—hunchbackmRNA(參與胚胎成形)和cyclinBmRNA(它的抑制延遲了極細(xì)胞周期)。線蟲中FBF結(jié)合fem－3來影響精子－卵子轉(zhuǎn)換，若缺失整個(gè)FBF蛋白就會(huì)擾亂有絲分裂和精子發(fā)生過程。同樣地，酵母的puf5調(diào)節(jié)HOmRNA，從而調(diào)節(jié)交配類型的轉(zhuǎn)變［7］。

4．與多種蛋白相互作用:目前已經(jīng)知道PUF蛋白在生理上和其他三種蛋白相互作用，這三個(gè)家族的蛋白也都是由3＇UTR調(diào)節(jié)因子組成。PUF蛋白與它們相互作用形成特定的復(fù)合物，這種復(fù)合物可以區(qū)別不同的mRNA序列，進(jìn)而引起不同的生物學(xué)變化。與PUF結(jié)合的三個(gè)家族蛋白如下:(1)Nanos(NOS)蛋白:Nanos蛋白具有兩個(gè)不同的CCHC鋅指結(jié)構(gòu)，它能夠在不存在PUF蛋白的情況下非特異性結(jié)合RNA。FBF可以結(jié)合NOS－3(3個(gè)線蟲NOS蛋白之一)，果蠅的Pumilio可以與單個(gè)NOS相互作用。線蟲的兩個(gè)NOS蛋白NOS－1和NOS－2，選擇性地和不同的PUF蛋白結(jié)合形成不同的PUF－NOS蛋白復(fù)合物。同樣地，在非洲爪蟾蜍的卵母細(xì)胞中PUF蛋白結(jié)合XCAT－2(NOS同源)［8］。(2)細(xì)胞質(zhì)聚腺苷酸化元件結(jié)合蛋白(CPEB):CPEB蛋白在CCCC和CCHC鋅指結(jié)構(gòu)(結(jié)合RNA所必須的)后有兩個(gè)RRM區(qū)域，所有多細(xì)胞動(dòng)物中都有它的同源染色體基因，它們結(jié)合到mRNA的3＇UTR中U很豐富的序列上，來調(diào)控mRNA的聚腺苷酸化和翻譯。線蟲的FBF與CPEB的同源基因CPB－1相互作用，兩者中任何一個(gè)活性降低，都會(huì)導(dǎo)致精子發(fā)生過程受阻。蟾蜍的PUF蛋白在卵巢中結(jié)合CPEB，但這個(gè)復(fù)合物的功能目前還不清楚［9］。(3)Brat蛋白:果蠅的Brat蛋白是NHL家族成員之一，它有六個(gè)含有44個(gè)氨基酸殘基的序列組成，每個(gè)序列都含有甘氨酸、疏水性殘基和帶電氨基酸集群［3］。Brat可以與Pumilio、Nanos和mRNA形成四元復(fù)合物，突變Brat蛋白中的單個(gè)氨基酸都不利于四元復(fù)合物的形成。線蟲的兩個(gè)典型的基因(ncl－1和lin－41)也含有NHL結(jié)構(gòu)域，ncl－1調(diào)控核仁的大小和rRNA的數(shù)量;lin－41抑制分化和促進(jìn)特異體細(xì)胞的有絲分裂，這與PUF在干細(xì)胞中的功能相似［8］。

二、PUF蛋白的生物功能

1．功能多樣性:分析五種PUF蛋白(線蟲FBF、網(wǎng)柄菌PufA、果蠅Pumilio、啤酒酵母的PUF3和PUF5)的生物功能，發(fā)現(xiàn)PUF蛋白的生物功能呈現(xiàn)顯著多樣性，例如:果蠅Pumilio通過抑制hunchback(弓背蛋白)的mRNA來調(diào)控早期胚胎出生前后的形態(tài);線蟲的FBF通過抑制fem－3來調(diào)控從精子發(fā)生到卵子發(fā)生的轉(zhuǎn)變;酵母的PUF蛋白調(diào)控衰老、線粒體功能和交配類型的轉(zhuǎn)換;網(wǎng)柄菌PufA促進(jìn)植株的生長(zhǎng)［10］。在一種物種中，單一的PUF蛋白可能調(diào)控多種mRNA，具有多種功能。例如:線蟲的FBF不僅在精子和卵子的轉(zhuǎn)換中起到重要的作用，而且還參與生殖干細(xì)胞的維持，在胚胎形成過程中與其他四種PUF蛋白一起調(diào)控生殖細(xì)胞系的存活、遷移和抑制生殖細(xì)胞的有絲分裂。因?yàn)楣壍腜umilio在胚胎形成中生殖細(xì)胞的遷移和抑制有絲分裂方面也發(fā)揮作用，所以說這種生殖功能可能是遺傳的［11］。

2．共同功能—維持干細(xì)胞:盡管PUF蛋白功能具有多樣性，但是每個(gè)物種的PUF蛋白都有一個(gè)共同的作用———維持干細(xì)胞。如果沒有Pumilio，雌果蠅生殖干細(xì)胞過早分化成包囊細(xì)胞;如果沒有FBF，線蟲生殖干細(xì)胞就進(jìn)入減數(shù)分裂和完成精子發(fā)生過程。另外，盤基網(wǎng)柄菌的PufA和酵母的PUF5在正常情況下也可以維持干細(xì)胞的有絲分裂增殖。因此，在這幾種遙遠(yuǎn)的多細(xì)胞動(dòng)物中，PUF蛋白都促進(jìn)生殖干細(xì)胞的增殖和抑制它們分化［5－7］。

三、生物體PUF蛋白表達(dá)及功能的研究進(jìn)展

目前，有很多研究者研究了哺乳動(dòng)物PUM蛋白的功能，例如:陳霞等［12］研究PUF家族基因(Pum1和Pum2)在雌性生殖能力和生殖細(xì)胞減數(shù)分裂過程中的作用，結(jié)果表明Pum蛋白不影響小鼠卵子發(fā)生生育過程;楊定等［13］建立了Pumilio1和Pumilio2雙基因條件性敲除小鼠模型，為其后期進(jìn)一步研究PUF家族在哺乳動(dòng)物精子發(fā)生中生物學(xué)功能奠定基礎(chǔ);Chen等［14］研究表明在哺乳動(dòng)物中，Pumilio1通過抑制p53的多個(gè)激活因子來保護(hù)精子發(fā)生的過程;DanislavS等［25］通過對(duì)人的RNA結(jié)合蛋白PUF家族—Pum1和Pum2基因的克隆和系列的對(duì)比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PUM1和PUM2蛋白的相似度達(dá)到83%，二者的RNA結(jié)合功能域相似度高達(dá)91%;JenniferA等［16］研究了人類的Pumilio蛋白可以通過直接或者間接的方式功能性調(diào)控一些靶標(biāo)RNA的識(shí)別，同時(shí)又證實(shí)了Pumilio蛋白可以調(diào)控非編碼RNA［17］;Liu等［18］研究報(bào)道PUM1是一種先天免疫基因的抑制因子，可以抑制LGP2基因(抗病毒先天免疫途徑RLR家族成員之一)的表達(dá)。PUF家族在疾病方面的研究也有報(bào)道，CécileNaudin等［19］通過多種分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)PUMILIO/FOXP1信號(hào)通路會(huì)驅(qū)動(dòng)造血干細(xì)胞/白血病細(xì)胞的擴(kuò)增。Wu等［20］研究顳葉癲癇患者和鋰－匹羅卡品癲癇大鼠模型中PUM蛋白的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)Pumilio2蛋白的表達(dá)降低，說明Pumilio2蛋白表達(dá)與癲癇有關(guān)系。關(guān)于PUF家族基因在不同生物體中的表達(dá)，目前研究者們主要用NorthernBlot和RT－PCR實(shí)驗(yàn)從mRNA的角度來分析了該家族基因在酵母、果蠅、線蟲、斑馬魚［21-22］、蟾蜍和側(cè)褶蛙［23-24］、小鼠和人［25］的某一組織或某些組織中的表達(dá)水平，發(fā)現(xiàn)PUF家族蛋白在生殖發(fā)育和干細(xì)胞維持方面都起著重要的作用。但是目前在哺乳動(dòng)物中關(guān)于PUF蛋白表達(dá)的研究還不多，從mRNA和蛋白水平系統(tǒng)性研究哺乳動(dòng)物PUF蛋白的表達(dá)還未見報(bào)道。因此，系統(tǒng)性研究哺乳動(dòng)物PUF蛋白的表達(dá)對(duì)明確PUF蛋白抑制mRNA翻譯的機(jī)制具有重大的意義。

作者：王坤；任麗英；馬允