可变剪接与细胞凋亡调控
黄朝晖 王金福
(浙江大学生命科学学院，杭州310012)
细胞凋亡(apoptosis)是多细胞生物的一种基本生命活动，在机体的生长发育、免疫调节及维持内环境稳定等各方面扮演着重要的角色。遗传和生化研究表明，细胞凋亡受到复杂而精细的调控。转录水平、翻译后水平等各种层次的调控，构成了一个复杂的凋亡调控网络。
真核生物中，绝大多数蛋白质基因的初始转录产物pre-mRNA必须经过剪接等加工过程，才能形成成熟的mRNA。可变剪接(alternative
splicing)是指同一种pre-mRNA具有多种剪接程序，能形成不同的mRNA。可变剪接是pre-mRNA加工过程中的一个重要调控层次，它使得可在低遗传值条件下产生高度的蛋白质多样性
[1]。众多研究表明，可变剪接在细胞凋亡中也扮演着重要角色
[2]。
1. 凋亡相关基因pre-mRNA的可变剪接
可变剪接是调控基因的表达及其功能的一个重要层次。众多凋亡相关基因的pre-mRNA加工都有可变剪接现象，如死亡受体(DR)基因、Bcl-2家族基因、胱天蛋白酶(caspase)家族基因、Ced-4和Afat-1基因等(表1)
[2~5]。
2. 可变剪接对细胞凋亡的调控
可变剪接对细胞凋亡的调控可概括为两个方面：（1）调控凋亡相关基因产物的亚细胞定位；（2）调控凋亡相关基因的功能与活性。
死亡受体家族和Bcl-2家族的多个成员都具有膜结合和可溶形式两类异型体。由于可变剪接使得这些凋亡调控因子含有或缺失跨膜结构域，从而决定其细胞和亚细胞定位。
多数情况下，不同的异型体在凋亡中具有不同的功能。人Fas基因能够产生多个可溶性可变剪接的蛋白产物(soluble
Fas,sFas)(表1)，这些sFas通过与Fas形成失活的异型三聚体，阻遏来自FasL或Fas抗体的死亡信号传入胞内，阻断Fas介导的凋亡
[6]。sFas对静息细胞的凋亡抑制非常重要。在全身性红斑狼疮或其它自身免疫患者体内，sFas的水平上升，从而能与FasL结合，抑制凋亡，使正常的免疫下调失效，自身反应性B和T细胞积累过多。在正常的静息细胞中，sFas
mRNA的水平也较高，但在细胞受到死亡信号刺激后下降。只在肿瘤抗性克隆中表达的FasEX08Del虽然具有跨膜结构域，但其死亡结构域缺失，从而含有FasEX08Del的异型三聚体使得Fas受体不能与相关的死亡结构域结合效应因子发生作用，相应的凋亡路径被阻断。Bcl-2家族也具有膜结合和可溶形式两类异型体。可溶性Bcl-2家族成员通过与膜结合成员形成异型二聚体而提供一种额外的调控层次。与Bcl-xL相比，Bcl-xS只含BH(bcl-2
homology)3保守区，缺失对于Bcl-2家族两类成员之间形成异型二聚体所必不可少的BH1和BH2保守区。因此在有生长因子时，Bcl-xS的稳定表达对细胞的生长无影响，而生长因子除去后对凋亡速率无影响。但在无生长因子时，Bcl-xS能够阻遏稳定表达的Bcl-2/Bcl-xL对凋亡的抑制作用，可能是由于Bcl-xS通过BH3的结合而充当Bcl-2/Bcl-xL的显性抑制剂。
产生截短异型体的可变剪接可能提供了一种定量调控基因表达的机制，如通过产生Baxγ或Baxε而抑制全长Bax产物的生成
[7]。
表1凋亡相关基因pre-mRNA的可变剪接
|
| 基因家族 | 基因 | 异型体产物 | 性质/功能 |
|
| 死亡受体 | Fas(Apo-1,CD95) | Fas | 膜结合 |
| 死亡受体 | Fas(Apo-1,CD95) | FasEX06Del(FasTMDel) | 可溶 |
| 死亡受体 | Fas(Apo-1,CD95) | FasEX03,4Del | 可溶 |
| 死亡受体 | Fas(Apo-1,CD95) | FasEX03,4,6Del | 可溶 |
| 死亡受体 | Fas(Apo-1,CD95) | FasEX04Del | 可溶 |
| 死亡受体 | Fas(Apo-1,CD95) | FasEX04,6Del | 可溶 |
| 死亡受体 | Fas(Apo-1,CD95) | FasEX04,7Del | 可溶 |
| 死亡受体 | Fas(Apo-1,CD95) | FasEX08Del | 膜结合 |
| 死亡受体 | LARD(DR3,Wsl,Apo-3,TRAMP) | LARD-1,1b,8 | 膜结合 |
| 死亡受体 | LARD(DR3,Wsl,Apo-3,TRAMP) | LARD-2~7,9~11 | 可溶 |
| 死亡受体 | TRICK2 | TRICK2α | 活性，膜结合 |
| 死亡受体 | TRICK2 | TRICK2β | 活性，膜结合 |
| Bcl-2 | Bcl-2 | Bcl-2α | 膜结合，阻遏PCD |
| Bcl-2 | Bcl-2 | Bcl-2△TM | 无或低活性 |
| Bcl-2 | Bcl-x | Bcl-xL | 阻遏PCD |
| Bcl-2 | Bcl-x | Bcl-xS | 促进PCD |
| Bcl-2 | Bcl-x | Bcl-xβ | 阻遏PCD |
| Bcl-2 | Bcl-x | Bcl-x△TM | 阻遏PCD |
| Bcl-2 | Bcl-x | Bcl-xγ | 阻遏PCD |
| Bcl-2 | Bcl-w | Bcl-w | 阻遏PCD |
| Bcl-2 | Bcl-w | Bcl-w-rox | ? |
| Bcl-2 | Bax | Bax-α | 膜结合，促进PCD |
| Bcl-2 | Bax | Bax-β | 可溶 |
| Bcl-2 | Bax | Bax-γ | ? |
| Bcl-2 | Bax | Bax-δ | 促进PCD |
| Bcl-2 | Bax | Bax-ε | 促进PCD |
| Bcl-2 | Bax | Bax-ω | 促进或抑制PCD |
| Bcl-2 | Bim | BimEL | 促进PCD |
| Bcl-2 | Bim | BimL | 促进PCD |
| Bcl-2 | Bim | BimS | 促进PCD |
| Caspases | Caspase-1(ICE) | ICEα | 活性 |
| Caspases | Caspase-1(ICE) | ICEβ | 活性 |
| Caspases | Caspase-1(ICE) | ICEγ | 活性 |
| Caspases | Caspase-1(ICE) | ICEδ | 无活性 |
| Caspases | Caspase-1(ICE) | ICEε | 无活性 |
| Caspases | Caspase-2(Ich-1) | Ich-1L | 活性，促进PCD |
| Caspases | Caspase-2(Ich-1) | Ich-1S | 无活性，阻遏PCD |
| Caspases | Caspase-2(Ich-1) | Ich-1β | 无活性 |
| Caspases | Caspase-3(CPP32,YAMA,apopain) | CPP32α | 活性 |
| Caspases | Caspase-3(CPP32,YAMA,apopain) | CPP32β | 活性 |
| Caspases | Caspase-4(TX,Ich-2,ICErel-II,Mih-1) | Mih-1α | 活性 |
| Caspases | Caspase-4(TX,Ich-2,ICErel-II,Mih-1) | Mih-1β | 活性 |
| Caspases | Caspase-4(TX,Ich-2,ICErel-II,Mih-1) | Mih-1γ | 活性 |
| Caspases | Caspase-4(TX,Ich-2,ICErel-II,Mih-1) | Mih-1δ | 活性 |
| Caspases | Caspase-6(Mch-2) | Mch-2α | 活性 |
| Caspases | Caspase-6(Mch-2) | Mch-2β | 无活性 |
| Caspases | Caspase-7(Mch-3,ICE-LAP3,CMH-1) | Mch-3α | 活性 |
| Caspases | Caspase-7(Mch-3,ICE-LAP3,CMH-1) | Mch-3β | 无活性 |
| Caspases | Caspase-10(Mch-4) | Mch-4α | 活性 |
| Caspases | Caspase-10(Mch-4) | Mch-4β | 活性 |
| Ced-4 | Ced-4 | Ced-4L | 阻遏PCD |
| Ced-4 | Ced-4 | Ced-4S | 促进PCD |
| Afat-1 | Afat-1 | Afat-1 | 促进PCD |
| Afat-1 | Afat-1 | Afat-1xs | ? |
| Afat-1 | Afat-1 | Afat-1L | ? |
| Afat-1 | Afat-1 | Afat-1M | ? |
|
Bcl-2和Ced-4家族的可变剪接异型体还能调控两家族成员间的相互作用。两家族成员间的竞争性二聚化作用被认为是调控它们功能的重要机制之一。Bcl-2/Ced-9能和Ced-4直接作用，Ced-4能和Ced-3结合，从而Ced-4充当Ced-9和Ced-3之间的接头子
[8]。Ced-4L和Ced-4S具有相反的作用，提示了可变剪接在此过程中具有重要调控作用。与此一致，在Ced-4S
3`端剪接位点处含有一个突变的蠕虫中，Ced-4L表达上升，细胞凋亡下降，导致出现赘余的细胞。
可变剪接还能调控胱天蛋白酶的酶活性。胱天蛋白酶在细胞内以酶原的形式存在，当细胞受到凋亡信号刺激时，胱天蛋白酶酶原被水解激活，形成由p10和p20两个亚单位组成的异二聚体的活性形式。由于可变剪接，产生的Mch2β、Mch3β、和Ich1S都编码截短的无活性异型体。在ICE的各种剪接产物中，只有ICEα、β、γ具有凋亡诱导活性。
3. 调控可变剪接的分子机制
目前已经提出多种关于可变剪接的分子机制与调控的模型
[1、9]。这些研究揭示，多种顺反式作用元件与可变剪接有关，顺式元件中除了少数剪接增强或抑制序列外，绝大多数内含子切除所必不可少的顺式作用元件都位于内含子/外显子交界处。可变剪接常常通过基本剪接装置的微小变化来实现，通常参与可变剪接和组成型剪接的共同剪接位点元件并无显著差异，不过有时可变剪接需要一些特殊顺式元件参与。此外，中变剪接的调控还可通过一些细胞或发育阶段特异性反式因子的参与来实现。但目前对可变剪接所涉及的分子机制还知之甚少。
3.1 组织和发育阶段特异性调控
在原始B细胞和T细胞中，LARD-1含量很低，而其它异型体却较高。当T细胞被激活时，可变剪接程序发生变化，主要产生LARD-1。成熟的神经组织组成型地表达Bcl-xL
mRNA，而胸腺中的未成熟淋巴细胞表达高水平的Bcl-xS mRNA，Bcl-x△TM
mRNA在前B细胞和肥大细胞中具有最高的表达水平。Bcl-xγmRNA的表达也具有组织特异性，只在胸腺、淋巴结和眼中表达，在脑、心、肾和肝中不表达。与此相一致的是，多数剪接调控蛋白也具有细胞和发育阶段特异性。可见，可变剪接是一种组织特异性调控机制
[1]。
3.2
剪接因子的相对浓度和活性对可变剪接的调控
pre-mRNA剪接和可变剪接调控的关键是剪接位点的特异性识别以及对应5`端与3`端剪接位点发生适当的联系，包括U1、U2和U5在内的小核核糖核蛋白(snRNP)对于这种联系是必不可少的。最近的研究揭示了几个有剪接体(spliceosome)的装配和可变剪接调控中扮演关键角色的蛋白家族，主要包括异核核糖核蛋白(hnRNP)家族、富含Ser、Arg的SR蛋白和一些RNA特异性结合蛋白
[1]。所有hnRNP都与RNA具有亲和性，而且表现出一定的RNA结合特异性，如hnRNPP优先与poly(A)结合，而hnRNPE、F、H、M优先与poly(U)结合
[10]。研究发现，SR蛋白和hnRNPA1在剪接位点的选择上具有拮抗作用。一些SR蛋白如(SC35和ASF/SF2)能促进产生Ich-1L的可变剪接，而hnRNPA1则促进产生Ich-1S的可变剪接，而且它们调控凋亡的方式也与此一致。Mayeda等的体外实验也揭示，hnRNP与某些剪接信号分子具有优先的亲和性，hnRNPA、B、I等在剪接的选择过程中发挥作用
[11]。hnRNPA1和ASF/SF2的相对比率决定β-球蛋白形成过程中对5`端重复剪接位点的选择特异性。hnRNPA1的相对高浓度有利于对远侧端剪接位点的选择，而过量的ASF/SF2则导致利用近侧端的位点。hnRNPAI则结合到特定内含子的多聚嘧啶上，并通过与其它剪接因子(如U2AF类)竞争而选择性地抑制3`端剪接位点。在Fas
pre-mRNA的可变剪接中也发现有类似现象。SR蛋白表达上升会活化5`端剪接位点，促进外显子6包含于Fas
mRNA中；hnRNPA1表达上升则会活化远5`端剪接位点，促进外显子6缺失。这些结果说明，很可能这些剪接因子的相对浓度和活性是影响可变剪接，进而调控细胞凋亡的机制之一。
3.3 蛋白质修饰 蛋白质修饰(如可逆磷酸化)也可能是可变剪接的重要调控机制之一，通过可变剪接因子的不同修饰使其具有不同的剪接特异性。目前已经确定了几种能使SR蛋白磷酸化的激酶以及几种催化SR蛋白去磷酸化的磷酸酶。研究揭示，在正发生凋亡的细胞中，SR蛋白磷酸化后才能和U1-snRNP复合物发生相互作用
[12]，表明SR的修饰可能与凋亡调控有关。
参考文献：
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