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葡萄酒色斑中GNAQ基因突变的研究进展

2016-01-23朱佳芳于文心马刚林晓曦

组织工程与重建外科杂志 2016年5期
关键词:蛋白激酶基因突变结构域

朱佳芳 于文心 马刚 林晓曦

葡萄酒色斑中GNAQ基因突变的研究进展

朱佳芳于文心马刚林晓曦

【提要】鸟嘌呤核苷酸结合蛋白q多肽(G uanine nucleotide binding protein q polypeptide,GNAQ)是GTP结合蛋白异源三聚体的组成部分,能够通过结合细胞表面受体介导下游信号通路。最近的研究发现,葡萄酒色斑(P ort-wine stains,PWS)中GNAQ p.Arg183点突变,可能介导细胞外信号调节激酶(E xtracellular signal-regulated kinase,ERK)信号通路。本文对GNAQ基因突变可能介导的下游信号通路,包括丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)、G蛋白信号调节因子5(regulator of G protein signaling 5,RGS5)、蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)和YAP等信号通路进行综述。

葡萄酒色斑鸟嘌呤核苷酸结合蛋白q多肽丝裂原活化蛋白激酶G蛋白信号调节因子5蛋白激酶C

葡萄酒色斑(Port-wine stains,PWS)是先天性毛细血管畸形,发病率约为0.3%。Sturge-Weber综合征是以三叉神经眼支支配区域、软脑膜和脉络膜毛细血管静脉畸形为主要特征的综合征,主要表现为V1/V2区PWS、青光眼、癫痫、休克及智力发育迟缓等[1]。Shirley等证实了PWS中存在体细胞突变,发现了GNAQ p.Arg183Gln点突变[2-3],以及该位点其他突变类型[4-5],和该突变分布的组织类型[6]。但该突变所参与的信号通路至少有部分与肿瘤中GNAQ常见的突变p.Gln209Leu存在差异[2],可能是其导致血管壁不正常扩张而非恶性肿瘤的原因所在。

1 GNAQ基因及其蛋白质

1.1GNAQ基因

编码人鸟嘌呤核苷酸结合蛋白q多肽(GNAQ)的基因位于9q21.2,跨越310 993核苷酸序列,包含7个外显子区域,转录长度为6 539碱基对(Base pair,bp),开放读码框(Open reading frame,ORF)长度为1 080 bp[7]。

1.2GNAQ蛋白结构

G蛋白根据其α亚单位分成4个家族,包括Gi、Gs、G12/ 13和Gq。Gq家族包含4个成员:Gq、G11、G14和G15/16。其相应的α亚单位为Gαq、Gα11、Gα14、Gα15/16[8]。GNAQ编码Gαq蛋白由359个氨基酸组成,包含两个结构域,一个Ras样三磷酸鸟苷酶结合结构域(Ras-like GTPase binding domain)以及一个α螺旋结构域(αhelical domain)。这两个结构域之间形成一个口袋结构能够结合二磷酸鸟苷(G uanosine diphosphate,GDP)。在GTPase结构域中有3个活动结构域称之为开关(Switch),包括SwitchⅠ、SwitchⅡ、SwitchⅢ,该结构域氨基酸残基结合GTP后能发生构像改变[9]

1.3Gαq蛋白功能

G蛋白偶联受体(G protein coupled receptors,GPCRs)是由7个α螺旋组成的跨膜蛋白,是一类细胞表面的受体家族[10]。GPCRs主要通过与G蛋白结合激活下游信号通路。当细胞外配体与GPCRs相结合后,其构像发生改变,形成一个结合袋,与胞质内的G蛋白异源三聚体Gαβγ结合,GPCR能起到鸟嘌呤核苷酸交换因子(Guanine nucleotide exchange factor,GEF)的作用,催化α亚单位释放GDP并与胞质内高浓度的GTP结合,在活化状态下,Gα亚单位与G-βγ亚单位分离,switchⅠ~Ⅲ发生构像改变[11]。结合GTP的Gα亚单位或G-βγ亚单位,能通过活化二级信使,如腺苷酸环化酶(A denylyl cyclase)、磷脂酶C(P hospholipase C,PLC),激活下游信号通路[12]。G蛋白信号调节因子(G-protein signaling,RGS)家族能够加速GTPase的作用,使GTP水解为GDP,此时的Gαq转变为非活化状态,再次以G蛋白异源三聚体的形式存在于胞内,停止激活下游信号通路。

2 PWS中GNAQ基因突变

2.1GNAQ(c.548G>A,p.Arg183Gln)点突变

Shirley等报道了Sturge-Weber综合征患者以及PWS患者中GNAQ 4号外显子单核苷酸突变(c.548G>A,p. Arg183Gln)。该报道对Sturge-Weber综合征患者组织活检并进行全基因组测序,发现了GNAQ(c.548G>A,p.Arg183Gln)点突变。该研究组进一步对Sturge-Weber综合征的患者以及无症状的PWS患者取样测序,发现Sturge-Weber综合征的患者GNAQ总突变率在88%(23/26),无症状PWS患者突变率在92%(12/13),标本中等位基因突变频率为1.0%~18.1%。但并未发现热点突变,如GNA11、GNAQ p.Gln209等的突变[2]。

2.2GNAQ(c.547C>G,p.Arg183Gly)点突变

Frigerio等在证实原有突变位点的基础上,首次在PWS皮肤组织中发现1例新的GNAQ(c.547C>G,p.Arg183Gly)点突变,组织中突变频率为4%[4]。

2.3组织分布

Tan等利用激光显微切割技术(L aser capturem icroscopy,LCM)从10例PWS皮肤病灶中分离出血管、表皮、毛囊和结缔组织,利用巢式PCR(Nesting PCR)技术分析了GNAQ(c. 548G→A,p.Arg183Gln)点突变在组织中的分布,证实了该突变60%(6/10)分布在血管,突变率为3.16%~12.37%。这6例中,20%(2/10)分布在结缔组织,突变率分别为22.17%和6.43%。另外4例血管内未发现突变,但其中2例结缔组织和(或)毛囊/腺体内发现GNAQ突变,突变频率为2.67%~6.62%[6]。Uchiyama等利用肽核酸(Peptide nucleic acid,PNA)以及数字微滴多聚酶链(Droplet digital PCR,ddPCR)反应技术,提升了组织中GNAQ突变的检测极限,达到0.1%(3个拷贝数),并首次在10%(4/40)的Sturge-Weber综合征患者血液白细胞和唾液中发现了GNAQ突变[13]。

2016年,Salato等利用ddPCR技术发现18例散发PWS患者组织内100%(18/18)存在GNAQ(c.548G→A,p. Arg183Gln)点突变,而Sturge-Weber综合征患者100%(4/4)皮肤组织及60%(3/5)脑组织中存在该突变。该突变可能成为鉴别PWS与其他脉管畸形的重要依据之一。

3 突变可能介导的相关信号通路

3.1MAPK信号通路

活化状态下的Gαq通过激活PLCβ,使磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(Phophotidy linositol diphosphate PIP2)水解成肌醇三磷酸(Inositol triphosphate,IP3)和甘油二酯(Diacylglycerol,DAG)[14]。IP3和DAG进一步通过二级信使如钙离子和蛋白激酶C(Protein kinase C,PKC)传导信号通路。PKC能够通过磷酸化Raf/MEK1/2/ERK信号通路,从而激活MAPK信号通路[15]。Shirley等[2]发现,GNAQ p.Arg183Gln点突变能使ERK表达量显著增加,但不能使p38和c-Jun氨基端激酶(Jun N-terminal kinase,JNK)过表达,推测GNAQ p.Arg183Gln点突变是通过ERK途径过度激活MAPK信号通路。Shirazi检测到MAPK下游信号通路磷酸化核糖体蛋白S6(Phosphorylated ribosomal protein S6,RPS6),存在于Sturge-Weber综合征患者PWS组织的畸形血管壁内,推测RPS6可能是PWS中MAPK的下游潜在靶点之一[16]。

3.2RGS5信号通路

RGS能够调节Gα蛋白GTPase的作用,抑制下游信号通路。RGS5是RGS家族成员之一,主要在血管平滑肌细胞(V ascular smooth muscle cells,VSMC)以及周细胞(P ericytes)中表达,潜在的作用靶点为Gi和Gq。Cho等发现敲除Rsg5等位基因的小鼠主动脉扩张,血压明显降低,提示该RSG5可能是调节血管收缩的重要因子[17]。PWS组织内主要病理特征为毛细血管及微静脉扩张畸形,猜测GNAQ突变后,其GTPase结构域可能失去RGS5调控作用而最终导致微血管不正常扩张。

3.3PKC信号通路

PKC蛋白家族至少由7个密切相关的蛋白质组成,被划分为经典型(α,β,γ),新型(δ,ε,η,θ)以及非典型(ζ,λ/ι)等3种同源异构体(I soform)。Wu等[18]发现,enzastaurin能够选择性抑制经典型(β,γ)以及新型(δ,ε,θ)同源异构体,将GNAQ突变细胞系抑制在G1期,并增加细胞凋亡。该机制可能是通过减少ERK磷酸化和细胞周期蛋白D1(Cyclin D1)表达从而减少MAPK信号通路激活实现。Sotrastaurin为PKC更强的抑制剂,进一步证实了ERK在PKC信号通路中的作用[19],同时,也发现其减少了核转录因子-kB(N uclear transcription factor-kB,NF-kB)信号通路的表达。因此,PKC/NF-kB可能是独立于MAPK的另一条信号通路[20]。

3.4YAP以及下游信号通路

Hippo信号通路参与器官大小的形成,该通路异常会导致恶性肿瘤的发生。Hippo信号通路中,MST1/2以及Lats1/2激酶能够使YAP磷酸化,使其在胞质中处于失活状态。YAP/ TAZ去磷酸化能够激活转录因子TEAD和SMAD家族,使细胞增生[21]。细胞转导了GNAQ基因突变后,使得YAP/TAZ去磷酸化并激活。Feng等[22]发现,突变的GNAQ蛋白是通过GEF Trio以及下游的GTPase Rho/Rac调节YAP信号通路。Rho/Rac能够聚合肌动蛋白并游离血管抑素结合蛋白(A ngiomotin),增加YAP进入核内的能力,从而导致核内转录水平增加。

4 展望

GNAQ中的GTP结合袋(Guanosine triphosphate binding pocket,GTP)结构域183位点精氨酸残基在所有人Gα亚单位中保守,是GTPase的关键位点。该位点精氨酸残基被谷氨酸残基所取代,可能会使下游信号通路异常激活[23]。GNAQ p. Arg183Gln点突变能使ERK表达量显著增加,但不使p38和JNK过表达[2]。最近研究发现PWS患者组织中ERK和JNK表达量增加,提示PWS中可能存在其他突变介导该信号通路的发生[4]。利用新的PNA-ddPCR技术,能够使GNAQ突变检测极限达到0.1%(3拷贝数)[13]。近来,通过二代测序已经在PWS组织中发现了RASA1、SMARCA4、EPHA3、MYB、PDGFR-β和PIK3CA等新的突变[5],但是GNAQ基因突变仍是组织中最精准可靠的突变位点,随着检测技术的更新及普及,未来该突变可能成为鉴别PWS与其他脉管畸形的重要依据之一。

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GNAQ M utations in P ort-W ine S tains


ZHU Jiafang,YUWenxin,MA Gang,LIN Xiaoxi.Department of Plastic and Reconstructive Surgery,Shanghai Ninth People's Hospital,Shanghai Jiaotong University School of Medicine,Shanghai 200011,China.Corresponding author:LIN Xiaoxi(E-mail:linxiaoxi@126.com).

【Summary】G-alpha-q(GNAQ)is the alpha subunit of the heterotrimeric GTP-binding proteins that mediates the regulators of several downstream signaling through coupling cell surface receptors.Recently,lesionswithin port-wine stains are found harbormutations in GNAQ p.Arg183 and may at least associate with ERK(extracellular signal-regulated kinase) signaling pathways.In this paper,themutations of GNAQ within port-wine stains and themultiple activated signaling targets downstream ofmutant GNAQ,including MAPK,RGS5,PKC and YAP pathwayswere reviewed.

Port-wine stains;Guanine nucleotide binding protein q polypeptide;Mitogen-activated protein kinase; Regulator of G protein signaling 5;Protein kinase C

R732.2

B

1673-0364(2016)05-0322-03

10.3969/j.issn.1673-0364.2016.05.014

国家自然科学基金面上项目(81272127);上海市卫生系统重要疾病联合攻关重点项目(2013ZYJB0014)。

200011上海市上海交通大学医学院附属第九人民医院整复外科。

林晓曦(E-mail:linxiaoxi@126.com)。

(2016年3月9日;

2016年3月30日)

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