全 文 :生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 18卷 第 3期
2006年 6月
Vol. 18, No. 3
Jun., 2006
一种新的疾病治疗候选基因: SOCS-1
崔 强1,2,蔡 荣2,钱 程2,魏 萍1*
(1 东北农业大学动物医学学院,哈尔滨 1 50 0 30;
2浙江理工大学生命科学学院新元医学与生物技术研究所,杭州 310018)
摘 要:SOCS(suppressor of cytokine signalling)是细胞因子信号传导通路 JAK/STAT(janus kinase/signal
transduction and activators of transcription)的一个负性调控分子家族。近年来很多研究表明,SOCS在
癌症、糖尿病、自身免疫性疾病和炎症等多种疾病的发生发展过程中及在机体免疫调节中发挥着重要
的作用,该蛋白分子家族的成员可能会成为重大疾病治疗的一种新候选基因。
关键词:细胞因子信号传导抑制因子 -1;Ja nu s 激酶;信号转导及转录激活子
中图分类号:Q343.1; R394 文献标识码:A
SOCS-1: a new candidate for major disease therapy
CUI Qiang1,2, CAI Rong2 , QIAN Cheng2, WEI Ping1 *
( 1 Veterinary Medicine College , Northeast Agriculture University, Haerbin 150030, China; 2 Xin-Yuan
Institute of Medicine and Biotechnology, Zhejiang Science &Technology University, Hangzhou 310018, China)
Abstract: SOCS (suppressor of cytokine signaling) family is a kind of protein molecular responsible for negative
regulations on JAK/STAT signaling transduction. Recently, it has been observed that SOCS is involved in
cancer, diabetes and inflammation and plays an important role in immune regulations in vivo. It suggests that
maybe SOCS will become a new candidate for major disease therapy.
Key words: SOCS-1; JAK; STAT
收稿日期:2005-12-06;修回日期:2005-12-22
基金项目:国家重点基础研究发展计划“973”项目资助(2004CaB518804)
作者简介:崔 强( 1 9 8 1 —),男,硕士研究生;蔡 荣( 1 9 6 8 —),男,博士,副教授;钱 程( 1 9 6 3 —),男,
博士,教授,博士生导师;魏 萍( 1 9 6 1 —),男,博士,教授,博士生导师,* 通讯作者。
文章编号 :1004-0374(2006)03-0290-05
细胞因子是一类由细胞分泌的具有生物学活性
的小分子蛋白质,它与其特异性的受体结合对机体
细胞的增生增殖、细胞分化、炎症、创伤愈合、
细胞凋亡和机体的免疫系统发挥着重要的调节作
用。细胞因子可与其受体结合将信号传递到胞内,
使胞浆内酪氨酸激酶,如 Janus 激酶(janus kinase
family, JAKs)磷酸化,活化的 JAKs招募信号转导及
转录激活子(signal transduction and activators of tran-
scription family, STATs)与特异的受体上相关位点结
合并使其磷酸化,活化的STATs随即进入细胞核调
控一些相关基因表达而发挥其生物学功能。然而在
某些情况下,JAK/STAT途径过度活化会导致靶细
胞的生物学功能异常活跃,往往会对机体造成严重
伤害:因此,JAK/STAT信号通路对维持机体的稳
定性起着重要的作用。至今已发现至少有三种蛋白
分子相互协同,可以共同负调控 JAK/STAT信号通
路:PIAS (the protein inhibitors of activated STATs)、
SHPs(the Scr-homology 2(SH2)-containing protein ty-
rosine phosphatases)和SOCS(the protein family of sup-
pressors of cytokine signaling)。PIAS是通过直接或
间接地抑制STATs的二聚体化,阻止STATs与DNA
间的相互作用;SHPs是在 JAKs被激活后结合到磷
291第3期 崔 强,等:一种新的疾病治疗候选基因: SOCS-1
酸化的酪氨酸上,通过激活去磷酸化的酪氨酸残基
抑制 JAKs的活性;SOCS是通过其SH2功能区与细
胞因子受体或 JAKs结合抑制其活性。最近研究发
现:而 SOCS家族成员的 SOCS-1分子对多种细胞
因子的信号传导起负调控作用,在一些重大疾病中
发挥着重要的作用。本文就 SOCS-1的分子生物学
特征和生物学活性的最新研究进展作一详细阐述。
1 SOCS家族的分子生物学特性
SOCS家族中有八个成员(SOCS-1~7和CIS) 。不
同种属之间的同一成员在进化上比较保守,但同种
属间的每个成员的同源性较低,其中CIS、SOCS-1、
SOCS-2和SOCS-3的生物学功能是至今研究得最为
清楚的。八个成员在结构上比较相似,均含有一个
居中的 SH2功能区、N端的可变区以及C端的约 40
个氨基酸大小的 SOCS盒[1~2](图 1)。
SOCS盒是基因结构上最为保守的一段区域,
所以,人们推测这段高度保守序列有可能是 SOCS
蛋白分子功能区基因序列。Zhang等[3]利用基因敲
除的方法敲除了小鼠 SOCS盒,实验结果显示:敲
除后的 SOCS-1蛋白分子出现部分功能缺失,说明
SOCS盒转录翻译后的分子结构是SOCS-1 酶蛋白分
子的活性中心。继 SOCS蛋白分子被发现后,人们
还相继发现了其他的一些蛋白分子家族也含有SOCS
盒;但是,它们不含有 SH2功能区,其 SH2功能
区被锚蛋白重复序列(ankyrin repeats), SPRY 功能区
或WD40重复序列所取代[4]。到目前为止,在许多
物种中已经发现了至少 40个蛋白分子家族都含有
SOCS 盒[5]。
SOC S 家族蛋白分子在正常细胞中表达量很
少,然而一旦细胞受到某些细胞因子刺激,其表达
量可迅速明显地增加。体内研究发现: 经 IL-6刺
激,在小鼠肝细胞内大约 2 0 m i n 后即可检测到
SOCS-1和 SOCS-3的mRNA的含量显著增加,而
SOCS-1和SOCS-3的mRNA含量分别在刺激后的4h
和 8h,即可下降到原有水平[6]。Northern blot分析发
现,SOCS-1的mRNA在胸腺细胞内的丰度显著增
加;其次,在肺、脾和睾丸中等[5];在肝、肾、肺
和人心脏中也可检测到 SOCS-2的表达,但表达量
很低[6]; SOCS-3在肺、脾和胸腺中也出现低表达[7],但
在胎儿的肝细胞中却显示有较高的表达量[8]。
2 SOCS-1的分子生物学特性
SOCS-1是于 1997年由世界上三个不同的实验
室同时发现报道的一种蛋白分子[6~7, 9],其氨基酸序
列也同样由N端可变区、SH2功能区和C端的SOCS
盒所表达的氨基酸序列所组成。SOCS-1在 SH2功
能区的上游还有一段酶抑制区(KIR),该抑制区可
以作为一个假的酶作用底物与 JAKs的催化位点结
合,当细胞因子与细胞表面的相应受体结合后,
SOCS-1通过其SH2功能区和KIR一起直接地与JAKs
结合抑制其酪氨酸激酶活性[10],进而导致 JAKs不
能招募 STATs使其磷酸化,最终使 JAK/STAT信号
传导通路受到抑制;SOCS-3是通过其 SH2功能区
结合到细胞因子受体上间接地抑制 JAKs活性的;
CIS则是通过其自身的 SH2功能区和 STATs竞争性
地与活化的细胞因子受体的酪氨酸残基结合,阻止
受体对 STATs的招募(图 2[11])。
SOCS-1除了可以由活化的JAK/STAT途径诱导
产生之外,还可以由脂多糖( lipopolysaccharide,
LPS)、CpGDNA以及其他一些不依赖于 JAK/STAT
途径的分子诱导生成。体外的实验研究表明:
SOCS-1不仅仅只限于抑制一种信号通路,还可以
抑制多种细胞因子(如 IL-6、IFN、IL-12和 IL4等)
激活所介导的不同的信号通路[12~13]。
3 SOCS-1在免疫系统中的作用
SOCS-1是SOCS家族成员中研究得最为深入的
一个蛋白分子,与机体的免疫反应关联最紧密,参
与机体的免疫调节作用。到目前为止已发现它在天
然免疫、免疫耐受以及 T细胞的分化等多种免疫反
应中发挥着重要的作用。
3.1 SOCS-1与T细胞分化 SOCS-1在胸腺细胞中
呈现较高的表达水平,它在 T细胞发育的多个阶段
都出现高的表达量,尽管有证据表明在 T细胞发育
的早期阶段,它的表达水平是降低的,但在 CD4+、
C D 8 + 的胸腺细胞中有着相对较高的表达量 [ 1 4 ]。
Fujimoto等[15]应用转基因小鼠模型研究发现:增加
SOCS-1的表达水平后实验小鼠的胸腺出现萎缩现
图1 SOCS家族成员
292 生命科学 第18卷
象,这一结果提示:由于在胸腺细胞生长发育的早
期阶段调控细胞生长发育信号分子受到抑制,所以
胸腺细胞的数量可出现显著下降;进一步研究发
现,提高 SOCS-1的表达水平可以明显地抑制调节
T细胞的相关细胞因子的信号传导途径,如 IL-2、
IL-6和 IFN-γ等。这些现象表明,在 T细胞生长发
育的早期阶段,SOCS-1的高表达可能会使 T细胞
处于一个对细胞因子相对不敏感的时期,直到 T细
胞接受某种生长信号的刺激后才可继续按照一定程
序开始增殖分化。
3.2 SOCS-1与天然免疫 LPS是组成细菌细胞壁成
分之一,LPS与 Toll样受体 4 (toll-like receptor 4,
TLR4)受体结合后可以使机体启动天然免疫应答。
T L R 途径是天然免疫的一个重要组成部分。
Nakagawa等[16]研究发现LPS或CpGDNA可以刺激巨
噬细胞诱导 SOCS-1的表达。当巨噬细胞受到 LPS
刺激后巨噬细胞分泌某些细胞因子,如 IFN-γ等,
这些细胞因子诱导 SOCS-1的分泌,SOCS-1含量增
加又反馈抑制巨噬细胞分泌某些细胞因子,这些细
胞因子之间存在的相互关联在研究SOCS-1基因敲除
小鼠的动物模型中可得到进一步的证实,敲除
SOCS-1基因小鼠体内的巨噬细胞可分泌更多的促炎
性细胞因子,如 TNF、IL-12和NO等。这一实验
结果提示SOCS-1能够抑制LPS活化巨噬细胞的一个
重要机制就是它抑制了 LPS间接地激活 IFN-β信号
传导通路途径[17]。Ryo等[18]进一步研究发现,在转
录水平上SOCS-1是通过与NF-κB中的p65亚基直接
结合,导致 p65的蛋白酶体的降解,抑制了某些细
胞因子的转录而发挥其生物学功能的。
树突状细胞(dendritic cell, DC)是体内专职的抗
原提呈细胞,在天然免疫应答中起着重要的作用。
Hanada等[19]研究发现在缺失SOCS-1的情况下DC仍
可对 IFNα和 IL-4呈现高应答性。为了进一步明确
缺失 SOCS-1的 DC在体内的生物学功能变化,条
件性地敲除小鼠的 SOCS-1基因,但保留其在 T、
B细胞中的表达。结果显示,大量的DC迁移到胸
腺和脾脏中并在其表面表达高水平的 B淋巴细胞刺
激因子 BlyS(B lymphocyte stimulator )和分裂诱导配
体(A proliferation inducing ligand APRIL),使体内 B
细胞的胞体异常增大和产生自身反应性抗体。此
外,还发现与正常对照组 DC相比,缺失 SOCS-1
的DC可使T细胞分泌更多的细胞因子,如 IFN-γ和
TNF-α等[20]。该生物学模型可以应用到抗肿瘤的免
疫疗法中,其原因是高效诱导的 Th1细胞对于DC
介导的瘤苗抗瘤效果至关重要。Shen等[21]报道,通
过 siRNA技术使 SOCS-1在DC中沉默,可以增强
抗原特异性的抗肿瘤免疫,与对照组的 DC相比,
经过抗原肽段和SOCS-1siRNA修饰的DC可以明显
地激活抗原特异的 CD8+T细胞的增殖。
另有报道,敲除了 SOCS-1的小鼠在出生后第
21 d生长发育就受到抑制,且常常伴发严重的感
染,甚至导致多器官功能衰竭而死亡,实验表明
SOCS-1参与机体抗感染及调节机体的免疫系统 [7]。
这些实验资料显示SOCS-1在调节DC的功能以
及抑制机体自身免疫中发挥着重要的作用。
4 SOCS-1在疾病中的作用
4.1 SOCS-1与自身免疫性疾病 由于SOCS-1具有
多种免疫调节功能,所以人们推测 SOCS-1可能与
机体自身免疫性疾病之间存在着一定的关联。Egan
等[22]在研究小鼠的自身免疫性关节炎模型中发现,
在缺失 SOCS-1时,类风湿性关节炎(RA)的炎症症
状明显加重。运用实时定量PCR技术进一步研究发
现,将类风湿性关节炎患者外周血标本CD4+T细胞
与正常人外周血标本 CD4+T细胞作为对照,前者
SOCS-1的mRNA含量较高,而后者 SOCS-3的
mRNA的含量较低[23]。这种在 T细胞中 SOCS-1的
高表达的现象或许可以充分地解释在RA患者体内出
现Th1/Th2细胞分化不平衡的现象或在RA患者T细
胞对 IL-10存在抗性的原因。
相反,de Hooge 等[24]发现酵母多糖诱发的关节
炎症状在 IL-6敲除的鼠动物模型中得到了明显地改
图2 SOCS-1、SOCS-3和CIS对STATs的抑制的途径[11]
293第3期 崔 强,等:一种新的疾病治疗候选基因: SOCS-1
善,但是在 STAT1敲除的鼠动物模型中却加剧恶
化,表明STAT1在这个动物模型中表现出有抑制类
风湿关节炎的作用,并且在 STAT1 敲除的鼠中,
SOCS-1的表达显著的降低。进而推测SOCS-1的表
达在STAT1起控制作用的关节炎疾病中发挥着重要
的作用。究竟 SOCS-1与自身免疫性疾病之间存在
着何种关联还需要今后进一步地研究。
4.2 SOCS-1与癌症 已有实验表明,JAK/STAT
信号途径的过度活化可以导致某些功能细胞的异常
增殖,甚至可诱发肿瘤的产生[25],作为此途径的抑
制子之一的SOCS-1已经引起了从事癌症研究的科学
家广泛关注。研究显示,在多种肿瘤细胞中,
SOCS-1的 CpG岛发生了不同程度的甲基化,甲基
化后基因被沉默而使 SOCS-1蛋白分子不表达,这
种现象经常出现在肝癌患者中。Yoshikawa等[26]分
析 26个肝细胞肝癌标本,发现其中的 65%SOCS-1
基因发生了不同程度地甲基化并运用了一个与
SOCS-1作用相似的针对 JAK2的特异性化学抑制物
AG490,发现该抑制物可以在 SOCS-1功能失活的
肝癌细胞中抑制STAT3的持续磷酸化使细胞的生长
受到抑制。Yang等[27]也分析了 51例肝细胞肝癌患
者中多个肿瘤抑制基因的甲基化状态,其中包括
SOCS-1、GSTP、APC、p14、p15、p16和 p73
等,在这些已经处于甲基化状态的肿瘤抑制基因
中,SOCS-1的甲基化频率最高。这些研究资料充
分地说明,SOCS-1的甲基化与肝细胞肝癌的发生
有着重要的关联。
Flowers等[28~29]用一个抑制酪氨酸酶的肽段(简
称Tkip)作为SOCS-1的模拟物可以与JAK2的磷酸化
位点结合,从而抑制 IFN-γ信号传导通路,进一
步研究发现Tkip是通过抑制过度活化的STAT3,从
而抑制前列腺癌细胞的增殖。大量的实验研究资料
表明,SOCS-1在肿瘤的发生发展过程中起着重要
的作用。
4.3 SOCS-1与糖尿病 糖尿病是由多种因素诱导
发生的,其主要的原因是胰腺中产生胰岛素的细
胞的损坏使胰岛素分泌不足,所以糖尿病患者需要
定期地注射胰岛素来维持体内血糖水平的稳定。有
研究表明,I型 IFN、IFN-以及 IL-1等细胞因子
的共同作用可以导致 细胞的功能丧失,甚至死
亡。Flodstrom-Tullberg等[30]在NOD小鼠动物模型
研究中发现,SOCS-1表达量增加可以减少Ⅰ型糖
尿病的发生几率,进一步说明细胞因子诱导的JAK/
STAT途径可诱发糖尿病的产生。还有研究显示敲
除了SOCS-1的实验小鼠在体内胰岛素分泌水平正常
的情况下也可出现低血糖症状,表明 SOCS-1可以
影响胰岛素对体内血糖的调节作用[13]。这些研究资
料初步表明SOCS-1与糖尿病的发生发展有着密切的
关联,但仍有许多不确定因素,揭示其内在的更详
细的相关性仍需进一步的研究。
5 结语与展望
许多细胞因子家族是通过 JAK/STAT信号传导
途径而发挥其生物学功能的,JAK/STAT信号传导
途径在多种疾病的发生发展过程中,如自身免疫性
疾病、癌症、炎症以及免疫功能紊乱等扮演着重要
的角色,对维持机体生物学功能的稳定发挥着重要
作用。作为这个途径的一个重要的负性调控蛋白
——SOCS家族从最初发现到目前为止一直受到科学
工作者的高度重视,研究人员已经通过大量的体内
外研究逐渐揭示了它们在免疫调节以及重大疾病中
的作用机制。
在了解作用机制的基础上,人们又开始运用基
因工程技术,将 SOCS-1或者 SOCS-3等蛋白直接
地或利用载体间接地导入体内尝试性地进行了疾病
治疗方面的研究,并已初步得到了令人振奋的结
果[31~32]。这也为飞速发展的基因治疗领域提供了一
个新的疾病治疗基因,随着基因治疗技术的发展成
熟和基因作用机理研究的不断深入,相信不久的将
来SOCS-1以及该家族的其他成员会具有广阔的发展
和应用前景。
[参 考 文 献]
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