第一卷 第三期 - 2007年 九月 七日
含雙色胺酸功能區之氧化還原酶 : 一個超越癌變抑制功能的蛋白質
張南山教授, Ph.D., 國立成功大學分子醫學研究所

- 整理摘錄自作者發表之 Trends Mol. Med. 13: 12-22. 2007
http://www.ncku.edu.tw/%7Eartctr/A_welcome.htm
這篇短訊中,我將簡述腫瘤抑制性蛋白質WWOX/WOX1的發現過程,及其在癌症和神經退化性疾病中所扮演的角色。在此,我也要很自豪地宣告,成大醫學院內我的合作夥伴們傑出的努力成果,在先驅尖端研究工作上所做的貢獻。

歷史 – 人類染色體上有若干容易受損而常常發生變異的特定位置,細胞進行有絲分裂過程時所形成的壓力可能會造成這些易損區域出現斷裂的現象,細胞內的染色體若是發生變異即有可能導致癌症。將位於染色體上易受損區域周圍的基因找出來,並且深入地加以分析闡明這些基因的功能,對於瞭解癌症成因及發展是非常關鍵的。2000年的時候,我在Guthrie Research Institute(位於美國賓州Sayre)的研究團隊,在同一時間與Aldaz、以及Richards的研究群分別地都發現了“含雙色胺酸功能區氧化還原酶”(WW domain-containing oxidoreductase;命名為WWOX、FOR或是WOX1)這個腫瘤抑制性蛋白質(1,2; reviews)。WWOX基因可以轉譯產生WOX1蛋白質,這個基因所在的位置就是在染色體易受損區域Ch16q23之上,許多種癌症的細胞中都曾發現這個基因有發生變異的現象。有趣而且也值得注意的是,我們發現這個基因也和神經退化性疾病有關(例如阿茲海默症)。在過去幾年,關於WWOX基因和蛋白質的研究在科學界已經如火如荼地在進行之中。

WOX1相關研究在成功大學的推展 – 早在我去年十一月加入成功大學以前,WOX1的研究工作就已經在醫學院活躍地進行著。我和成大研究學者們的合作始於2001年,最初很榮幸地和細胞生物與解剖學研究所的神經學家陳淑姿教授開啟合作的前端,其後則是與微生物及免疫學研究所的林以行教授和徐麗君博士有更熱切積極的共事與交流,迄今我們合作的努力也已經逐步地升高。成功大學皮膚科許漢銘教授以及賴豐傑醫師也將我們的研究引領至皮膚癌的新方向,而剛加入成大病理學科的司君一醫師也聚焦於神經退化性疾病的研究之中。最近,我們研究合作的觸角也延伸至工學院的同仁,嘗試發展創新的影像分析方法。在我們不斷地拓展與全世界合作的同時,我要很驕傲地說,台灣是現今全世界當中,擁有最多致力於研究WOX1之科學家的地區。總結而言,我們已經、而且將會繼續研究WOX1這個蛋白質在癌症及神經退化性疾病中,與病因相關的基因學、生物學和訊息傳遞網路。做為在這個領域的領導者,我迫切地期望在成功大學建立這一項標竿性的研究。

WOX1被認為是腫瘤抑制性蛋白質 – 什麼是“腫瘤抑制性蛋白質”呢?每一個正常的活細胞都有特定的蛋白質來避免細胞失控地分裂增殖、或是轉變成為癌細胞,這些蛋白質指揮操控著細胞分裂、DNA複製、及其他分子的作用反應,如此一來細胞才可以正常地生長。具有蔓延侵犯性的癌細胞會製造大量的醣類分子複合物、醣分解酶(glycosidases)(例如:玻尿酸( hyaluronan )及玻尿酸分解酶(hyaluronidases))和蛋白酶(例如:細胞間質金屬蛋白酶( matrix metalloproteinases))。癌細胞須要利用這些由細胞製造出來的產物而散佈轉移到其他器官。為了要研究癌細胞如何轉移,我們利用 functional cloning 這一個用來搜尋具有特定功能之基因的方法找到了WOX1 (1)。

圖一、WOX1及其經過特殊剪接之異種蛋白質。WOX1蛋白質(又名為WWOX或FOR,共有414個胺基酸)序列中推定有二個位於N端的含色胺酸功能區、一個可促使蛋白質移行入核的訊息序列(NLS)、以及位於C端的短鏈酒精去氫酶/還原酶(ADH/SDR)功能區。WOX1蛋白質的ADH功能區中有一個可助蛋白質移行到粒腺體的訊息序列(#209-273胺基酸)。WOX2 (41 kDa)蛋白質的結構如圖所示,其C端胺基酸序列與WOX1是不同的(紅色標示)。模擬推測第一個含雙色胺酸功能區的立體分子結構如圖所示。1= 第一個色胺酸;2= Tyr33 磷酸化位置;3=第二個色胺酸. (這些胺基酸都以黃色標示)
人類WWOX基因目前被認為是一個腫瘤抑制性基因 (1,2),其功能是透過這個基因所轉譯出來的WOX1蛋白質、及其他可能存在之短片段同質異構物(isoforms)來達成。從功能性的角度來看,WOX1可以抑制癌細胞生長,也會促使癌細胞死亡。近來一篇研究報告指出,全身性Wwox基因剔除小鼠的體內會自發性地形成多處腫瘤 (3)。人類的WWOX基因位在染色體ch16q23.3-24.1上好發變異的區域(1,2),許多研究發現,很多種癌細胞中的WWOX基因都有發生變異的現象 (1,2)。但是大多數的研究都沒有深入探索在癌症發展過程中,基因究竟是在哪個特定階段發生了變異。一個普遍的現象是,當癌細胞轉變成具有蔓延侵犯性、或是開始發生轉移的時候,WOX1蛋白質即消失不表現了。癌細胞中WOX1蛋白質消失的現象,可歸因於WWOX基因發生了變異, 包括非基因層次的修飾作用 (epigenetic modification)以及轉譯的機制受到抑制。

WOX1如何發揮作用? – 具有蔓延侵犯性的癌細胞並不表現WOX1,若是促使這些細胞表現WOX1蛋白質時,在體外培養的實驗、以及裸鼠體內的研究都發現可以抑制癌細胞的生長。WOX1蛋白質具有特殊的結構單元,因而可以造成細胞死亡,WOX1具有一個可以使蛋白質移行進入細胞核的訊息序列 (NLS)、二個位於N端的含色胺酸功能區(其中含有演化上具高度保留性的色胺酸)、以及一個位在C端的短鏈酒精去氫酶/還原酶(SDR)功能區(圖一)。NLS之存在可以使WOX1蛋白質移行進入細胞核,含色胺酸功能區則是一個大約由四十個胺基酸組合而成的短片段,形成一個在演化上具有保留性的蛋白質單元,可以和富含脯胺酸的蛋白質結合而發揮作用。SDR 功能區是酵素的結構單元,通常可以代謝固醇類荷爾蒙及小分子受質。但是,WOX1 蛋白質中 SDR 功能區的作用迄今仍不清楚。

圖二、WWOX/WOX1結合的蛋白質及其作用。路徑一:細胞受刺激後所形成的壓力導致WOX1蛋白質活化,即促使Tyr33磷酸化並移行到粒腺體及細胞核。磷酸化後的WOX1可結合Ser46磷酸化之p53,並且移行到粒腺體。路徑二:當細胞表現過量外源性的WOX1時,WOX1會結合細胞核中的p73和AP-2g而將其攜往細胞質,此外WOX1也會和YAP競爭去結合ErbB-4,進而阻擋ErbB-4進入細胞核。路徑三:在神經細胞中,WOX1抑制了酵素促使Tau蛋白質高度磷酸化及形成神經纖維糾結的作用。(其他的作用路徑請參考 Mol. Med. 13: 12-22. 2007).
含雙色胺酸功能區可以結合一些轉錄因子, 例如p53 、p73 、AP - 2γ、和ErbB-4 (1)。WOX1蛋白質N端的含雙色胺酸功能區、以及C端的SDR功能區都與結合其他蛋白質有關。具有含雙色胺酸功能區的蛋白質通常可以和其他蛋白質分子上富含脯胺酸的區段結合,例如作用於胺基酸序列是PPPXY的位置(P = 脯胺酸, X = 任何的胺基酸; Y = 酪胺酸),在p73、AP-2g、和ErbB-4這些蛋白質分子上都具有這個富含脯胺酸的區段。在動物體內、或是體外細胞培養的實驗中,在受到刺激的壓力之下,細胞內的WOX1蛋白質上位處第三十三個胺基酸之酪胺酸 (Tyr33) 會進行磷酸化反應,其後WOX1蛋白質會移行到粒腺體及細胞核中,進一步誘發細胞死亡 (1)。WOX1蛋白質上的Tyr33若是進行磷酸化反應以後,就可以和細胞內許多重要的訊息傳遞蛋白質結合而進一步發揮作用,包括在腫瘤壞死因子 (tumor necrosis factor; TNF)、轉化生長因子β (transforming growth factor beta; TGF-β)、玻尿酸 (hyaluronan) 以及刺激壓力 (stress) 之訊息傳遞路徑中的TRADD、TRAF2、Smads、Hyal-2、p53、以及JNK1 等(圖二)。這些細胞訊息傳遞大多是抑制細胞生長,這些發現也顯示WOX1在控制細胞訊息傳遞及維持細胞恆定狀態上有關鍵性的角色。

WOX1不只是腫瘤抑制性蛋白質!! – 推定WOX1為腫瘤抑制性蛋白質其實還是有些疑慮的。在胚胎發育過程中,WOX1可以促進細胞生長及分化,舉例而言,在小鼠胚胎的心臟、皮膚、腦幹、脊髓和許多組織器官中隨處都可以見到WOX1蛋白質的表現,但其表現量在小鼠出生後即會下降 (1)。WOX1也參與正常皮膚上皮細胞增殖、以及後來角化的過程。全身性Wwox基因剔除小鼠出生後無法存活超過四十天,很有可能是因為器官分化有缺陷的關係 (3)。相當複雜難解的是,在癌症發展初期(例如:乳癌、攝護腺癌、皮膚癌和腦瘤),細胞內WOX1及其同質異構物WOX2的蛋白質表現量及 Tyr33 磷酸化程度都有增加的現象(圖一)(1),顯示WOX1和WOX2蛋白質磷酸化程度的增加對於癌細胞之存活是必須的。因此,這些發現與WOX1為腫瘤抑制性蛋白質之角色是相互衝突的。我們相信WOX1在正常生理狀態下是可以促進細胞存活的,但是在環境的壓力下,可能會促使細胞死亡並且控制腫瘤生長。

WOX1與神經退化性疾病 – 阿茲海默症的一個重要特徵是在神經細胞中出現了神經纖維糾結的現象( neurofibrillary tangles; NFT),當這些神經纖維糾結持續累積時,即會造成神經細胞死亡,細胞質中Tau蛋白質失控而過度地磷酸化時,會促其進一步聚合而導致纖維狀結構的生成。已知阿茲海默症的腦部細胞質中有許多不同的酵素可以促使Tau蛋白質高度磷酸化,因此導致阿茲海默症神經細胞內形成許多神經纖維糾結。我們過去的研究發現,在阿茲海默症的腦部海馬迴神經細胞中,WOX1和WOX2的蛋白質表現及其磷酸化程度都有顯著降低的現象,這和阿茲海默症的腦部海馬迴神經細胞中Tau蛋白質磷酸化程度提高的現象形成對比 (1)。我們過去已經成功地在體外細胞培養的實驗中模擬這個在生物體內發生的現象,我們當時利用小分子干擾型RNA抑制了神經細胞中WOX1蛋白質的表現量,結果發現這些培養中的神經細胞會自發性地出現Tau蛋白質磷酸化及神經纖維糾結的現象。已知細胞內的GSK-3b、cdk5、JNK、ERK及其他多種酵素都可以促使Tau蛋白質高度磷酸化,當神經細胞內WOX1蛋白質表現量降低的時候,這些可促使Tau蛋白質磷酸化的酵素活性即會增加。根據我們的研究結果,WOX1極有可能在生物體內調控Tau蛋白質磷酸化中扮演著關鍵性的角色。

結語 – 細胞內源性的WOX1蛋白質可促進胚胎的發育及分化,可能也藉由調控p53、p73、ErbB4、及其他轉錄因子來影響細胞週期的正常運作而維持恆定。然而,環境中的刺激壓力可以使得WOX1轉變成為具有促進細胞凋亡的作用。何以WOX1在特定時候能夠促進細胞生長,但在受到外在壓力時則會導致細胞凋亡在目前仍是相當難解的一個問題。癌細胞在蔓延轉移的階段,細胞製造產生WOX1蛋白質的機制是有缺失的,而臨床癌症檢體中WOX1蛋白質表現情形較高者,病人的預後情形通常會比較好。因此,發展小分子化合物來提高癌細胞中WOX1蛋白質的表現,將會是與癌症奮戰的一個新的策略。

References:
Cancer Biol. 17: 31-41, 2007
Natl. Acad. Sci. U. S. A. 104: 3949-3954, 2007.
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