结构生物化学/PTEN

磷酸酶和张力蛋白同源物 (PTEN) 是一种位于染色体 10 的 10q23 区域的肿瘤抑制基因，属于蛋白酪氨酸磷酸酶 (PTP) 基因家族。它提供产生同名肿瘤抑制蛋白 (PTEN) 的遗传指令 PTEN 蛋白参与信号传导途径，该途径会发出细胞停止分裂并触发凋亡的信号。 研究发现，PTEN 在多种类型的晚期癌症中经常被删除。没有 PTEN 的细胞具有更高水平的磷脂酰肌醇 3,4,5-三磷酸和蛋白激酶 B，这是一个阻止凋亡的信号。该信号也可能导致细胞周期继续进行。 这两种作用都是肿瘤细胞的特征。PTEN 还通过抑制黏着斑来阻止细胞扩散，从而阻止转移。如果生长的细胞在生长时无法附着在任何东西上，它们将无法存活并继续扩散。

结构

人类 PTEN 的晶体结构。N 末端磷酸酶结构域为蓝色，而 C 末端 C2 结构域为红色。

PTEN 蛋白由 403 个氨基酸组成。它包含 HCXXGXXR 基序，这是 PTP 家族活性位点的特征。在 190 个氨基酸的 N 末端，该蛋白类似于另外两种蛋白，即张力蛋白和辅助蛋白。在 C 末端，有一个 220 个氨基酸的序列，其功能尚未确定，但已知这两个结构域对于蛋白的正常活性及功能是必要的。 近期对 C 末端的研究让科学家相信该区域对于 PTEN 的稳定性和酶活性是必要的。 在一项实验中，删除了 50 个氨基酸的尾部，并确认其对于稳定性是必要的。然而，具有被删除尾部的 PTEN 蛋白的活性增加。磷酸化位点位于尾部，实验结果表明 PTEN 的磷酸化状态可能决定其活性水平。使用X 射线晶体学，已经确定了 PTEN 蛋白的晶体结构。研究表明，在结构中，磷酸酶结构域类似于蛋白磷酸酶，但它有一个扩大的活性位点，也能够与磷酸肌醇底物相互作用。 磷酸酶结构域的这一特性是 PTEN 能够使脂质去磷酸化的原因，而这对于它发挥肿瘤抑制基因的功能至关重要。 PTEN 还具有 C2 结构域，使该蛋白能够与膜磷脂结合并阻止肿瘤细胞的生长。 体外研究表明，C2 结构域对磷脂膜具有亲和力，这表明 C2 结构域可能负责将 PTEN 的催化结构域定位到细胞膜以与其相互作用。

发现

自 1980 年代以来，已有证据表明染色体 10 上存在一个肿瘤抑制基因。 细胞遗传学和分子分析表明，在脑癌、膀胱癌和前列腺癌中，部分或全部染色体 10 都丢失了。 然后，LOH 分析被用来识别 10q23 区域，该区域是前列腺癌中最常丢失的区域。由于这一发现，进行了许多实验来测试染色体 10 和 10q23 区域的作用。将野生型染色体重新引入肿瘤细胞中，结果会降低这些细胞在小鼠体内引起肿瘤的能力。然后，在 1997 年，Li 等人使用代表性差异分析 (RDA) 对乳腺肿瘤进行分析，从而生成一个与染色体 10q23 匹配的探针。 含有该探针的酵母人工染色体存在于序列标签位点，被分离出来并帮助识别乳腺异种移植物中的缺失。然后，使用外显子捕获分析来识别两个外显子，这两个外显子创造了一个 403 个氨基酸的开放阅读框，该阅读框生成了一个蛋白，该蛋白在鸡和牛中都具有同源区域。 另一个小组能够通过对神经胶质瘤细胞系进行高密度扫描来识别染色体 10q23 上的相同候选肿瘤抑制基因。从这些扫描中发现，相同的缺失发生在整个细胞系中，并使用外显子捕获来识别该基因的外显子。 一项单独的研究寻找蛋白酪氨酸磷酸酶，使用 PCR 来识别该基因。与磷酸酶催化结构域结合的引物被用来筛选人类 cDNA 文库并发现了 PTEN。科学家能够确认该基因作为磷酸酶的作用。 据记载，PTEN 是在 1997 年正式发现的

功能

在整合素介导的信号传导中的作用

整合素是受体蛋白，参与细胞迁移和侵袭的信号传导。PTEN 与张力蛋白在结构上有共同特征，张力蛋白是一种与整合素信号复合物密切相关的细胞骨架蛋白。整合素参与肿瘤生长，因为恶性肿瘤细胞具有侵袭性和转移性，并且通过与整合素家族细胞表面受体相互作用来执行这种行为 研究表明，黏着斑激酶 (FAK) 与整合素在黏着斑处共定位，FAK 可能在整合素触发的信号转导途径中发挥核心作用。 FAK 在侵袭性和转移性肿瘤中表达增加，并且在整合素激活时酪氨酸磷酸化后处于活性状态。 研究表明，PTEN 与 FAK 相互作用并对其去磷酸化，从而阻止其导致整合素介导的细胞扩散、迁移、侵袭和细胞骨架组织。 PTEN 的功能是抑制 FAK，从而阻止肿瘤生长和扩散的进展。

细胞凋亡

PTEN 也可能在细胞凋亡中发挥作用，但这种作用并非在所有细胞类型中都普遍存在。 凋亡 是一种细胞通过基因决定其是否进行细胞自毁的过程。它是由刺激的存在或刺激或抑制剂的去除而激活的 这是一个正常过程，可以消除受损的 DNA 或不需要的细胞。当这个过程停止时，它可能会导致不受控制的细胞生长和肿瘤形成。体内研究表明 PIP-3 是 PTEN 的主要底物。PIP-3 受生长因子的刺激，如果膜上积累了 PIP-3，那么它就开始募集蛋白质与之结合。 Akt 是这种募集的目标之一，是一种众所周知的生存因子，它通过阻止细胞凋亡所需的基因释放来防止细胞凋亡。因此，PTEN 的作用是调节 PIP-3 的水平并保持其水平较低。在小鼠模型中，已经观察到 PTEN 的缺失会导致 PIP-3 和 Akt 过度激活，这对细胞存活和增殖有显著影响。

DNA 损伤修复

已经观察到，当小鼠胚胎成纤维细胞中的 PTEN 被删除时，会导致自发的 DNA 双链断裂，这些断裂无法被细胞修复。 据信 PTEN 作用于染色质并调节 Rad51，Rad51 是防止自发双链断裂的基因。 其他人则认为，无论 PTEN 是否存在，DNA 双链断裂的感知和修复都是一样的。然而，这些实验使用不同的细胞系，因此 PTEN 在控制 DNA 双链断裂中的作用可能取决于细胞系和使用的分析方法。 需要进行更多研究以确定 PTEN 的确切作用。PTEN 参与 DNA 损伤修复的另一种可能是通过核苷酸切除修复 (NER) 途径，这是一种在真核生物中高度保守的途径，负责修复由紫外线引起的 DNA 损伤。已经观察到，暴露于低亚红斑紫外线辐射的 PTEN 下调的小鼠更容易发生皮肤肿瘤发生，在人类中，PTEN 在癌前和恶性皮肤病变中被下调。 据信 PTEN 负责促进角质形成细胞中 XPC 的转录。XPC 是 NER 途径的关键蛋白，如果没有它，受损 DNA 的修复就无法进行。另一个发现 PTEN 参与其中的相互作用是与 Chk1 的相互作用，Chk1 是细胞周期检查点途径中重要的信号转导器，对于 DNA 复制停滞后细胞周期的继续至关重要。 即使 Chk1 调节 PTEN，PTEN 水平也可能对 CHk1 产生影响。已经观察到 PTEN 的缺失会导致 Chk1 介导的检查点激活受损。PTEN 也可能与另一个肿瘤抑制因子 p53 协同发挥作用。位于细胞核中的 PTEN 可能与 p53 相互作用，以在氧化损伤后阻止细胞。 已经发现 PTEN 通过控制 p53 的 DNA 结合活性来发挥调节作用。PTEN 的上调会增加 p53 的水平，导致 G2/M 阻滞和细胞凋亡。

作为肿瘤抑制因子

由于 PTEN 的主要功能是抑制细胞生长并发出细胞凋亡信号。 它主要通过去磷酸化作为细胞生长和存活信号的磷脂来发挥作用。通过抑制这些磷脂（如 PIP3），PTEN 的功能是阻止细胞进行任何进一步的活动。 通过保持 PIP-3 水平较低，PTEN 能够调节细胞的生长和增殖，并防止它们变成癌细胞。PTEN 负责其肿瘤抑制特性的结构成分是它作为脂质磷酸酶的活性。在一个实验中，PTEN 的脂质磷酸酶活性被消除，而蛋白质磷酸酶活性保持完整。当野生型 PTEN 和突变型 PTEN 被引入 PTEN 缺失的胶质母细胞瘤细胞系中时，具有野生型 PTEN 的细胞显示出诱导的生长抑制，而具有突变型 PTEN 的细胞没有显示出这样的结果。