真核基因表达调控

抑癌基因PTEN 的研究进展

摘要：PTEN 基因是于1997年被发现的，是迄今为止第一个被发现的具有双重特异性磷酸酶活性的抑癌基因，其是继 p53 之后的又一重要抑癌基因.PTEN 通过PIP3途径、FAK 途径、MAPK 途径等多条信号通路调节细胞的正常生长、增殖。目前已证实其基因缺失、突变和表达减少与多种恶性肿瘤的发生发展有密切关系。本文就PTEN 基因自发现以来的研究历程做一综述。

关键词:抑癌基因；PTEN ；肿瘤

Research progress in Anti-oncogene PTEN Abstract :Anti-oncogene PTEN was initially identified in 1997,and it was the first anti-oncogene who has a dual-specificity phosphatase activity so far,it was another critical anti-oncogene after the anti-oncogene p53.PTEN regulates cell normal growth and proliferation through PIP3,FAK MAPK signal pathway. It has been proved that the deletion,mutation of the gene and degradation of its expression has a intimately relationship with the occurrence and development of malignant tumor,I summarize the research progress of PTEN since it was discovered.

Key words:anti-oncogene;PTEN;tumor

每个新基因揭密的背后，都有许多科学家的参与，PTEN 的发现同样也包含了着许多科学家的辛苦工作，其中两组科学家为首先发表研究成果，展开了激烈的竞争。1997 年初，哥伦比亚大学内外科医师学院的Ramon Parsons 和他的助手 Jing Li 对 PTEN 的研究接近完成时，Myriad Genetics公司在 1 月 22 日的新闻布会上宣称已分离到一种与脑胶质瘤有关的基因。虽然他们没有对这一基因做详细的阐述，也没有说明这一工作是否正式发表，但 Parsons 和助手们已经意识到，Myriad 公司得到的基因很可能就是 PTEN 。于是，Li 和几个博士生连续 4 天夜以继日补充各种肿瘤的检测数据。研究论文完成后，Li 立即飞往华盛顿，将论文亲手交给 Science 杂志社，从而在 My riad 公司及其合作者Peter Steck 论文发表前三周正式发表。

1 PTEN 基因的结构特征

PTEN ( Phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome 10)是1997年由美国的3个研究组分别发现的一种抑癌基因，又称作MMAC1 (M utated in multiple advanced cancers 1)和TEP1 ( TGF-βregulated and epithilial cell-enriched phosphatase 1 )[1-3]。迄今为止，PTEN 基因是唯一一个被发现的具有双重蛋白酯酶和磷酸酶活性的抑癌基因，由于双重特异性磷酸酶活性的特征，其在胚胎发育，细胞分化、生长、迁移和凋亡的调控中都发挥着不可忽视的重要作用。PTEN 基因是第 10 号染色体缺失的磷酸酶和张力蛋白的同源基因[4]，位于染色10q2313 上，共含9 个外显子和8 个内含子，全长 200 kb，转录后成熟mRNA 长度为 5 500 bp ；其 cDNA 序列含有 1 个由 1 209 个核苷酸组成的开放阅读框架( open reading frame，ORF) ，编码相对分子质量在 47kD 左右、由 403 个氨基酸构成的蛋白质，PTEN 蛋白主要位于胞浆，呈网格状分布，近年发现其在核膜、核内都有表达。PTEN 基因的N 末端是主要结构功能区，第 5 个外显子编码的第122 -133 位氨基酸序列与蛋白质丝氨酸∕苏氨酸磷酸酶和蛋白酪氨酸磷酸酶( protein tyrosine phosphatase，PTP) 催化中心高度同源，典型氨基酸序列为HCXXGXXRS ∕T ，表明该区域具有 PTP 和双特异性磷酸酶 ( dual － specificity phosphatase ，DSPs) 的功能。

上文已经提及，PTEN 蛋白含有 403 个氨基酸残基 , 相对分子质量约 47KD(见图 1) ，属于蛋白酪氨酸磷酸酶家族成员，是一个双重特异性蛋白磷酸酶。它包括 N 端磷酸酶结构域，C2结构域和C 端尾区。除了具有高度保守的磷酸酶基因家族的催化结构域，其 N 端有一段与细胞张力蛋白(tensin)、辅助蛋白(auxilin)同源的序列，磷酸酶结构域中还含有 PIP2

结合模体，对 PTEN 的膜定位和磷酸酶活性非常重要。C2结构域介导 PTEN 结合到质膜上，此种结合是非 Ca 2+依赖的。PTEN 晶体结构显示，磷酸酶结构域与 C2结构域结合很紧密，构成 PTEN 催化的最小单位。C 端含有 psd-95/Dlg/ZO-1 同源(PDZ)结构域结合模体和多个磷酸化作用位点，PDZ 结构域结合模体可能利于 PTEN 的定位，以及蛋白质的相互作用，对于选择性识别 PTEN 蛋白调节子非常重要[5]

。

2 PTEN基因的生物学功能

PTEN 基因对细胞的生物学功能有重要影响，具体表现在以下几个方面[6]：

（1）下调细胞周期蛋白D1( cyclin D1) 表达水平并阻止丝裂原活化蛋白激酶( mitogen － activated protein kinase，MAPK) 的磷酸化；（2）通过不依赖 Akt 活性途径抑制细胞增殖；

（3）与 p53 形成核内复合体抑制 p53 降解，同时增加 p53 的转录活性；（4）调控磷酸磷脂酰肌( phosphatidylinositol phosphate，PIP) 结合受体类固醇生成因子和肝脏受体类似物的活性；（5）外源性 PTEN 基因入核促使凋亡引起的 DNA 碎片增加；（6）参与维持染体稳定性。

PTEN 是多种信号的转导途径的调控基因，通过多条信号通路参与细胞生命活动。PTEN 主要通过PIP3途径、FAK 途径、MAPK 途径等多条信号通路调节细胞的正常生长、增殖。

2.1 PIP3途径

PTEN 的主要活性是脂质磷酸酶活性而不是蛋白磷酸酶活性，这在已知的癌基因、抑癌基因中是十分少见的。过去的体外研究发现，纯化的PTEN 能从 PIP3上转移特异的磷酸基团，表明 PTEN 的脂质磷酸酶活性有可能在人体的信号转导通路中起一定作用。在已知的抑癌基因的作用底物中，脂质 PIP3是一种全新的磷酸酶作用的靶分子，位于细胞膜上。PIP3是胰岛素、表皮生长因子等细胞生长因子的信号传递分子，是它们在细胞中的第二信使。这些生长因子与细胞膜上的受体结合后，激活磷脂肌醇激酶(PI3K)，使 PIP2转变为 PIP3，PIP3通过蛋白激酶 B(PKB)∕Akt 促使细胞进入细胞分裂周期，抑制细胞凋亡。PIP3还可通过其它效应分子刺激细胞增殖。而 PTEN 可使 PIP3去磷酸根成为 PIP2

，逆转了 PIP3的作用，抑制了细胞分裂增殖，促进了细胞凋亡。

2.2 FAK途径

PT EN 基因 N 端序列与整合蛋白转导复合体中的细胞骨架蛋白 tensin 有较高同源性，其突变失活常与部分肿瘤的恶性进展有关，提示 PTEN 可能参与调节细胞的粘连和迁移。PTEN 通过其脂质磷酸酶活性调节局灶聚集黏附激酶 ( focaladhesion kinase, FAK)和 Shc 的磷酸化，FAK 是整合素介导的信号转导途径中一个至关重要的分子。它几乎位于所有细胞的细胞膜，介导细胞与细胞外基质的黏附。PTEN 使 FAK 去磷酸化而失活，抑制 Shc 磷酸化来调节细胞与细胞、细胞与细胞外基质的相互作用，从而影响细胞的迁移、粘连、侵蚀和血管形成能力的各个方面[7]。一些研究者还发现PTEN 通过其脂质磷酸酶的活性下调与 ac tin 细胞骨架调节有关的 2种小 GTP 酶 RACL 和 CDC42，从而负性调节细胞的活性。

2.3 MAPK途径

整合素可以激活特定的MAPK ，尤其是细胞外信号传导激酶 (extracellular

signal-regulated kinase ,ERK)通路。ERK 途径的经典通路为RPTK-ras-Raf-MEK1/ 2-ERK1/ 2，主要功能是介导有丝分裂信号向胞核传导，调控细胞生长，这一通路的持续激活表达还与细胞转化有关。PTEN 能够抑制ERK 激活的蛋白激酶MAPK ，其功能如下：(1)PTEN基因表达抑制ERK 在MAPK 中的活性；(2）PTEN 基因表达对Ras 的活性及Shc 的磷酸化具有抑制作用；（3）PTEN 基因对Ras 的抑制通过活性Ras 的表达；（4）Mek1活化后其表达上调可以抑制PTEN 基因对细胞的局部突触和扩散的生物功能[8]。

3 PTEN与肿瘤的关系

肿瘤的发生是一个复杂的生物学过程，主要涉及遗传易感性及环境因素等导致原癌基因激活和抑癌基因失活，引起基因表达异常，从而导致肿瘤的发生。通常认为遗传学上的基因突变是肿瘤发病机制中的关键事件，尤其是抑癌基因突变与肿瘤的发生有着密切的关系。PTEN 失活导致其抑癌功能丧失，PTEN 失活方式有突变、缺失、甲基化等，以突变为主。PTEN 突变最常发生于外显子 3、5 和 8，且常发生于染色体 10q 杂合子缺失的肿瘤；包括有错义突变、无义突变和移码突变等类型。错义突变主要集中在第 5、第 6 外显子，无义突变以第 7 外显子多见。突变按来源可分为胚系突变和体细胞突变。PTEN 基因的胚系突变已在 Cowden 病、Lhermitte —Duclos 病和 Bannayan —Zonana 综合征等常染色体显性遗传疾病中发现；PTEN 基因体细胞突变在多种肿瘤如恶性神经胶质瘤、前列腺癌、子宫内膜癌、卵巢癌、乳腺癌、恶性黑色素瘤中均证实存在。这些均表明 PTEN 基因失活与肿瘤发生有密切关系[8]。

4 展望

抑癌基因PTEN 作为第一个具有磷酸酶活性的基因，引起了人们极大的关注。PTEN 在国内、外的肿瘤基础研究中已成为研究热点，虽然现在对PTEN

的结构与功能有一定程度的理解，但是还有很多的问题亟待解决。对多种肿瘤 PTEN 基因的研究显示，在不同肿瘤及同种肿瘤不同分化型中，PTEN 基因的突变率，突变方式可不同。现已证实PTEN 基因的转染，能够对某些肿瘤的发生及其恶变起到明显的抑制作用，因此，对抑癌基因PTEN 的研究，将提供一个治疗肿瘤疾病的新靶点。更深入的研究抑癌基因PTEN 及其与其它的相关基因，在恶性肿瘤相互作用的生物学机制，可为肿瘤患者在基因水平上的鉴别诊断与基因治疗提供新的思路，具有极其重要的临床意义。目前对抑癌基因PTEN 的研究主要集中于人类多种恶性肿瘤中的突变、失活等现象上的表述，然而抑癌基因PTEN 本身在肿瘤中的分子作用机制依然有待进一步深入。相信随着分子生物学技术及实验条件的不断发展，对PTEN 基因人们将会有更深入的了解。

参考文献

[1] L i J , Yen C, L iaw D , et al.PTEN , a putative p rotein tyrosine phosphatase gene mutated in human brain, breast and prostate cancer1Science, 1997, 275 (5308) : 1943-1947.

[2 ] Steck PA , Pershouse MA , Jasser SA , et al.Identification of a candidate tumor suppressor gene, MMAC1, at chromosome10q23.3 that is mutated in multiple advanced cancers.Nat Genet, 1997, 15 (4) : 356-362.

[3] L i DM , Sun H.TEP1, encoded by a candidate tumor suppressor locus, is a novel protein tyrosine phosphatase regulated by transforming growth factor beta.Cancer Res, 1997,57 (11) : 2124-2129.

[4] Zhu XH,Qin X,Fei MG,et al.Combined phosphatase and tensin homolog(PTEN)loss and fatty acid

synthase(FAS) overexpression worsens the prognosis of chinese patients with hepatocellular carcinoma[J].Int J Mol Sci,2012,13:9980-9991.

[5] Valiente M, Andres-Pons A, Gomar B, et al .Binding of PTEN to specific PDZ domains contributes to PTEN protein stability and phosphorylation by microtubule-associated serine/ threonine kinases[ J] .JBiol Chem , 2005 , 280(32):28936-28943.

[6] Shen WH,Balajee AS,Wang J,et al.Essential role for nuclear PTEN in maintaining chromosomal integrity

［J ］.Cell,2007,128( 1) : 25 -28.

[7] Furukaw A K, Kum on Y, Harada H, et al. PTEN gene transfer suppresses the invasive potential of human malignant gliom as by regulating cell invasion related molecules[ J ]. Int J On-

col, 2006, 29 ( 1): 73-84.

[8] Hollander MC,Blumenthal GM,Dennis PA.PTEN loss in the continuum of Common cancers,rare syndromes and mouse models[J].Nature Rev Cancer,2011,11(4):289-301.