無(wú)脊椎動(dòng)物β-胸腺素的功能研究進(jìn)展

康志瓊, 郝麗娟, 馬上上, 呂 鵬, 陳克平

(江蘇大學(xué) 生命科學(xué)研究院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

無(wú)脊椎動(dòng)物β-胸腺素的功能研究進(jìn)展

康志瓊, 郝麗娟, 馬上上, 呂 鵬, 陳克平

(江蘇大學(xué) 生命科學(xué)研究院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

β-胸腺素(β-thymosin)是肌動(dòng)蛋白單體(G-actin)的錨定因子，它可以阻止后者多聚化形成微絲。當(dāng)前關(guān)于β-胸腺素的研究主要集中在脊椎動(dòng)物中，發(fā)現(xiàn)其在淋巴系統(tǒng)的發(fā)育、維持免疫系統(tǒng)的平衡、中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育等生命過(guò)程中起著重要作用。人體中胸腺素β4(Thymosinβ4，Tβ4)參與了機(jī)體抗菌過(guò)程，并且能促進(jìn)傷口愈合，組織、器官的修復(fù)重塑。在無(wú)脊椎動(dòng)物中，也發(fā)現(xiàn)了β-胸腺素的存在，研究發(fā)現(xiàn)這類蛋白與Tβ4具有一定的相似性，但是在結(jié)構(gòu)及功能上卻比Tβ4更為復(fù)雜，詳細(xì)討論了β-胸腺素在無(wú)脊椎動(dòng)物中的研究進(jìn)展。

無(wú)脊椎動(dòng)物;β-胸腺素; 肌動(dòng)蛋白; 結(jié)構(gòu); 功能

1 無(wú)脊椎動(dòng)物β-胸腺素蛋白的分布及同源性

哺乳動(dòng)物中，Tβ4是一個(gè)含有43個(gè)氨基酸的短肽，包含一個(gè)thymosin(THY)結(jié)構(gòu)域，它廣泛存在于所有細(xì)胞中，但紅細(xì)胞除外[1]。THY結(jié)構(gòu)域中有一個(gè)極其保守的G-actin螯合序列LKKT/LKHV。然而，在無(wú)脊椎動(dòng)物中，發(fā)現(xiàn)了這樣一類蛋白，與Tβ4相比，它們通常具備多個(gè)THY結(jié)構(gòu)域，因此又稱多聚胸腺素(multirepeat β-thymosin，multimeric β-thymosin)[2-3]。筆者對(duì)所有具有多聚胸腺素的物種做一統(tǒng)計(jì)， 并選取部分已經(jīng)測(cè)序的物種做簡(jiǎn)要分析。結(jié)果表明，除多孔動(dòng)物與棘皮動(dòng)物外，其他后生動(dòng)物等都存在這類蛋白；植物中只在衣藻、黃豆和高粱等少數(shù)幾種中有所發(fā)現(xiàn)，此外在真菌中也發(fā)現(xiàn)了它的存在[4](表1)。部分海洋無(wú)脊椎動(dòng)物(多孔動(dòng)物，棘皮動(dòng)物)則只存在單體胸腺素(表1)，筆者對(duì)其氨基酸序列進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)它們的序列比人類Tβ4的序列長(zhǎng)度更短。

從表1中可以看出，胸腺素多聚體形式主要分布在低等真核生物與原生生物中，然而筆者查證單體也存在于原始的原生生物，因此從進(jìn)化角度上很難辨別究竟哪種形式更為原始。Van Troys 等人推測(cè)脊椎動(dòng)物的Tβ4在進(jìn)化過(guò)程中很可能刪除了一部分基因，而使功能達(dá)到最大化[2]。研究表明，無(wú)脊椎動(dòng)物中的多聚形式和脊椎動(dòng)物中存在單體形式二者是旁系同源，而不是直系同源[4]。

更有趣的是，同一物種中可能會(huì)存在多個(gè)多聚胸腺素同源異構(gòu)體，它們幾乎都來(lái)源于同一基因，只是由于內(nèi)含子的剪切方式不同而導(dǎo)致序列之間存在差異[5]，進(jìn)而導(dǎo)致功能上有所不同[5-6]。多聚胸腺素各個(gè)結(jié)構(gòu)域之間相似性較高，分析中華絨螯蟹(Eriocheirsinensis)各個(gè)THY結(jié)構(gòu)域，發(fā)現(xiàn)他們之間的相似性最高達(dá)到90%[6]。

表1 胸腺素的分布情況

2 無(wú)脊椎動(dòng)物β-胸腺素蛋白的結(jié)構(gòu)特征

無(wú)脊椎動(dòng)物多聚胸腺素的結(jié)構(gòu)也與Tβ4相似，即保守序列LKKT/LKHV兩端各有一個(gè)α螺旋，且N端α螺旋比C端復(fù)雜，分子其余部分結(jié)構(gòu)不規(guī)則，呈伸展?fàn)顟B(tài)，幾乎沒(méi)有折疊，這種結(jié)構(gòu)有利于它識(shí)別多種分子靶標(biāo)[2]。序列對(duì)比得出，無(wú)脊椎動(dòng)物多聚胸腺素N端比Tβ4的N端更長(zhǎng)，這種結(jié)構(gòu)使得其與G-actin結(jié)合能力更緊密[7]。

3 無(wú)脊椎動(dòng)物β-胸腺素蛋白的功能

3.1 與G-actin相互作用

海洋無(wú)脊椎動(dòng)物的單體胸腺素與Tβ4功能類似：它能與G-actin單體結(jié)合，進(jìn)而防止G-actin在纖維狀肌動(dòng)蛋白(F-actin)“+，-”端延伸聚合[8]。當(dāng)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)過(guò)程需要網(wǎng)狀分布的F-actin協(xié)調(diào)而快速地組裝時(shí)，它又能迅速釋放G-actin，提供F-actin合成所需的原料[9]。Tβ4之所以能與G-actin結(jié)合，是因?yàn)樵隍闲蛄蠰KKT/LKHV的兩側(cè)都具備α螺旋結(jié)構(gòu)[2]。由于C端相對(duì)于N端的結(jié)合力較弱，這就使得該蛋白在抑制/促進(jìn)G-actin的組裝上可以來(lái)回切換，以適應(yīng)機(jī)體對(duì)于G-actin的需求[7]。

然而，果蠅多聚胸腺素Ciboulot的功能卻發(fā)生了變化：只有當(dāng)F-actin“+”末端被包被時(shí)Ciboulot才起到解聚作用；但當(dāng)“+”暴露時(shí)，Ciboulot與G-actin的復(fù)合物則可以促進(jìn)F-actin的延長(zhǎng)[2, 10]。變形蟲(chóng)中以及線蟲(chóng)中多聚胸腺素也可以促進(jìn)F-actin組裝。造成兩種形式功能上差異的主要原因可能有：1)多聚胸腺素可以與兩種形式的actin結(jié)合；2)結(jié)構(gòu)域與Tβ4之間序列存在差異；3)結(jié)構(gòu)域的多重復(fù)；4)保守基序LKKT/LKHT的T被A/V替代，下游重要的E36Q37被非極性氨基酸取代[2, 7]。

此外，個(gè)別氨基酸的不同也會(huì)對(duì)多聚胸腺素結(jié)合能力造成一定影響，尤其是在節(jié)肢動(dòng)物中，部分多聚胸腺素的第一個(gè)氨基酸由絲氨酸變?yōu)楸彼岷?，發(fā)現(xiàn)其結(jié)合能力較Tβ4增強(qiáng)了約4倍[11]。鑒于肌動(dòng)蛋白的多聚化是細(xì)胞生命運(yùn)動(dòng)所必不可少的，筆者推測(cè)由于胸腺素與游離G-actin的結(jié)合，可能會(huì)影響細(xì)胞的增殖和分化。

3.2 參與機(jī)體免疫反應(yīng)

研究顯示，在海參中腸中多聚胸腺素可能是重要的免疫因子[12]，但具體機(jī)制還尚未明確。棉鈴蟲(chóng)在受到細(xì)菌和病毒刺激后，脂肪體和血細(xì)胞中多聚胸腺素的表達(dá)量明顯升高[5]，類似現(xiàn)象也在紅螯螯蝦，九孔鮑中也發(fā)現(xiàn)[13-14]。由于胸腺素可以與G-actin結(jié)合，有研究表明胸腺素可能參與了機(jī)體的抗病毒過(guò)程：宿主的細(xì)胞骨架F-actin對(duì)于病毒的生存是必不可少的[15-17]，Zhang等人在棉鈴蟲(chóng)精巢細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)胸腺素可以調(diào)節(jié)F-actin的組裝進(jìn)而改變細(xì)胞形態(tài)來(lái)抵抗AcMNPV感染[18]。因此可以推測(cè)，在病毒侵染過(guò)程中，宿主通過(guò)調(diào)節(jié)胸腺素的表達(dá)進(jìn)而調(diào)控F-actin的組裝以阻礙病毒復(fù)制子代，從而起到協(xié)助抗病毒的作用[19]。

3.3 與ATP合成酶結(jié)合促進(jìn)ATP合成，促進(jìn)細(xì)胞遷移

Tβ4可以與F0-F1ATP合成酶結(jié)合，這種結(jié)合會(huì)促進(jìn)ATP的合成，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞的遷移[20]。無(wú)脊椎動(dòng)物也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，小龍蝦體內(nèi)的兩種多聚胸腺素均能與F0-F1ATP合成酶結(jié)合，但是作用機(jī)制卻不相同：Thymosin 1可直接促進(jìn)ATP合成，Thymosin 2卻需要在造血因子(Ast1)的協(xié)助下才可以合成ATP，進(jìn)而促進(jìn)造血組織細(xì)胞的遷移[19]。

3.4 降低機(jī)體活性氧

Tβ4可以通過(guò)調(diào)節(jié)與抗氧化相關(guān)的酶的表達(dá)量來(lái)降低體內(nèi)活性氧簇(reactive oxygen species, ROS) 的積累，從而阻止線粒體膜電位的消失[21]。類似的研究在甲殼動(dòng)物小龍蝦中也有發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用RNA干擾技術(shù)使得多聚胸腺素基因沉默后，會(huì)降低機(jī)體內(nèi)超氧化物歧化酶的表達(dá)[19]。同時(shí)定量研究也證明，多聚胸腺素的存在會(huì)降低體內(nèi)活性氧的含量[19]。由于多聚胸腺素可以幫助清除體內(nèi)活性氧分子，因此它能有效降低由于ROS引起的細(xì)胞凋亡，保護(hù)細(xì)胞免于死亡[20]。

3.5 促進(jìn)蛻皮動(dòng)物的發(fā)育

棉鈴蟲(chóng)在蛻皮、變態(tài)過(guò)程中多聚胸腺素的表達(dá)量明顯升高；此外，體外運(yùn)用20-羥基蛻皮激素(20E)刺激蟲(chóng)體也會(huì)增強(qiáng)其表達(dá)[5]。這都說(shuō)明，這類蛋白都參與到蛻皮動(dòng)物的完全變態(tài)過(guò)程中[5]。

3.6 參與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育

在無(wú)脊椎動(dòng)物中，發(fā)現(xiàn)多聚胸腺素大量存在于物種的頭部[10, 22]。社會(huì)性昆蟲(chóng)白蟻的變態(tài)過(guò)程中，兵蟻會(huì)分化出更強(qiáng)大的頭部，在此過(guò)程中多聚胸腺素表達(dá)量極高[22]。海蛤蝓中的多聚胸腺素Csp24在發(fā)生磷酸化后，機(jī)體會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的興奮性，這一過(guò)程對(duì)于中期記憶的產(chǎn)生和持久性是必不可少的[23-24]。果蠅中多聚胸腺素Ciboulot基因的缺失則會(huì)導(dǎo)致腦中部神經(jīng)軸突生長(zhǎng)缺陷[3, 25]。

3.7 促進(jìn)組織和器官再生

Tβ4有促進(jìn)毛發(fā)、牙齒生長(zhǎng)的作用[26]。在無(wú)脊椎動(dòng)物中，研究發(fā)現(xiàn)Tβ4類似蛋白會(huì)刺激水螅的足部再生[27]。

3.8 促進(jìn)傷口愈合

Tβ4可以加速傷口修復(fù)[28]。在昆蟲(chóng)中，也發(fā)現(xiàn)了多聚胸腺素促進(jìn)傷口愈合的例子，例如中華絨螯蟹在受到傷害后，兩種胸腺素的表達(dá)會(huì)隨著時(shí)間呈現(xiàn)異于正常水平的表達(dá)[6]。

3.9 與生殖相關(guān)

Tetrathymosin 基因發(fā)生突變的線蟲(chóng)，雖然成蟲(chóng)表型正常，但是由于卵缺乏肌動(dòng)蛋白結(jié)構(gòu)因而喪失生殖能力[29]。

3.10 其他功能

內(nèi)含子的選擇性剪切會(huì)使蛋白功能上存在一定的差異，這一點(diǎn)在無(wú)脊椎動(dòng)物中也有體現(xiàn)：中華絨螯蟹中存在EsTRP1和EsTPR2兩種多聚胸腺素蛋白，這兩者就存在功能上的不同，后者明顯促進(jìn)人肝癌細(xì)胞的增殖，而前者卻不能。此外，二者在參與免疫反應(yīng)的時(shí)間順序上也不相同[5-6]。無(wú)脊椎動(dòng)物中由于存在多種多聚胸腺素的異構(gòu)體，且組織分布因物種不同也存在差異，因此可以推測(cè)在不同組織中，多聚胸腺素的不同異構(gòu)體相互之間起到代補(bǔ)償?shù)淖饔?，可能作用完全相同，也有可能作用截然相反?/p>

4 總結(jié)與展望

無(wú)脊椎動(dòng)物胸腺素β4蛋白由于具備多個(gè)THY結(jié)構(gòu)域，因此可以獲得與Tβ4完全不同的功能，如促進(jìn)肌動(dòng)蛋白組裝。脊椎動(dòng)物與無(wú)脊椎動(dòng)物中的Tβ4，究竟誰(shuí)起源更早，誰(shuí)保持了祖先的功能，誰(shuí)又獲得了新的功能，尚待研究。哺乳動(dòng)物胸腺素已經(jīng)用于臨床治療病癥，由于其多聚形式的相似性與復(fù)雜性，有可能也具備良好的藥用效果。人類Tβ4在代謝過(guò)程中可以酶解產(chǎn)生小肽段分子，進(jìn)而參與體內(nèi)的反應(yīng)，然而，無(wú)脊椎動(dòng)物中尚無(wú)相關(guān)報(bào)道，因此，探索多聚形式的降解以及降解產(chǎn)物的功能也是接下來(lái)關(guān)于無(wú)脊椎動(dòng)物胸腺素研究的一個(gè)重點(diǎn)。

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Research progress on functions of invertebrate β-thymosin

KANG Zhi-qiong, HAO Li-juan, MA Shang-shang, LV Peng, CHEN Ke-ping

(Institute of Life Science, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Thymosin β4 proteins are well known for their actin-binding activity and preventing G-actin polymerization. Current studies focuesed on the protein in vertebrates and found it plays an important role in developing the lymphatic system and the central nervous system, maintaining the balance of the immune system in vertebrates. Thymosin β4 ( Tβ4) is involved in the anti-bacterial process and can promote wound healing, tissue, organ repair remodeling. In invertebrates, there also exists thymosin β4-like protein-multimeric β-thymosin. The researchers found that these proteins are similar to Tβ4, but the structure and function are more complex than these of Tβ4. This article will discuss the progress on the funtion of thymosin β4-like protein in vertebrates in detail.

invertebrates; multimeric β-thymosin; actin; structure; function

2014-07-31；

2014-09-29

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973項(xiàng)目”(No.2012CB1146-04)

康志瓊，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)樯锘瘜W(xué)與分子生物學(xué)，E-mail：zhiqiong0922@126.com；

陳克平，研究員，教授，研究方向?yàn)榉肿舆z傳學(xué)，E-mail:kpchen@ujs.edu.cn。

R

A

2095-1736(2015)02-0076-04

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2015.02.076