PUF家族蛋白表达及功能研究进程范文

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《齐齐哈尔医学院学报》2018年第3期

［摘要］puf家族蛋白是一类高度保守的RNA结合蛋白，在真核生物的基因转录后调控中起着重要的作用，同时对于低等动物和哺乳动物，PUF同源基因在生殖细胞和配子的发育过程中也起着重要的作用。PUF蛋白具有多种典型的特征和生物功能。目前关于果蝇和线虫PUF蛋白的研究有很多，但是对哺乳动物PUF蛋白在各个器官组织表达的研究还比较少，PUF蛋白在哺乳动物生长和发育过程中的功能还不明确。

［关键词］RNA结合蛋白;PUF家族;生物功能

真核生物基因表达调控包括转录水平和转录后水平调控，而转录后水平调控分为mRNA稳定性调控和翻译水平调控［1］。细胞中存在一类与mRNA有高度亲和性的蛋白，直接或间接结合到顺式调控元件促进mRNA的脱腺苷化和降解，这类蛋白被称为RNA结合蛋白［2］。PUF(Pumilio和FBF的简称)家族蛋白是一类重要的高度保守的RNA结合蛋白，在多种生物中它们不仅结构相关联，并且能够结合到3＇UTRs上调节mRNA的翻译，它们也可以与其他调控蛋白结合起作用，促进mRNA的翻转或抑制翻译［3］。PUF蛋白是重要的转录后调控因子，但是目前PUF蛋白抑制mRNA翻译的机制还不明确。PUF蛋白在各个生物体中的表达体现了它们在生物体中具体的功能，但目前哺乳动物PUF蛋白表达的研究还很少。因此，系统性研究哺乳动物PUF蛋白的表达对明确PUF蛋白抑制mRNA翻译的机制具有重大的意义。

一、PUF蛋白的典型特征

1．多种生物中表达:Pumilio基因最早在果蝇中发现，并且果蝇只有一种Pumilio蛋白。线虫、酿酒酵母和拟南芥都有多种PUF蛋白，线虫有9个PUF蛋白，按照结构特点和功能分为四组:FBF组(FBF－1和FBF－2)、PUF－8/－9组(PUF－8和PUF－9)、PUF－5/－6/－7组(PUF－5、PUF－6和PUF－7)、PUF－3/－11组(PUF－3和PUF－11)［4］。哺乳动物—人和小鼠只有两个PUF蛋白(Pumilio1和Pumilio2)。到目前为止还没有在真细菌和古生菌中检测到PUF的存在［3］。PUF家族蛋白广泛存在，在很多真核生物，包括植物和动物，单细胞和多细胞生物体中都发现该家族成员，因此可以说该蛋白家族进化史悠久。

2．序列和结构高度保守:该家族蛋白从酵母到人类的进化中展现出高度的保守性，研究表明主要是因为在PUF蛋白中存在月牙形的RNA结合功能域(如图1)，即在两个相关序列Csp1和Csp2(与Puf重复结构相似的两个短序列)之间存在8个连续的Puf重复结构，每个重复结构都有一个含有芳香族和基本氨基酸残基组成的核心共识区，序列长度大约有40个氨基酸［5］。整个Puf重复结构在该蛋白结合RNA时是必须的，同时该区域也与共同调节蛋白存在相互作用，还可以用于挽救PUF蛋白突变造成的缺陷。最近发现果蝇Pumilio的Puf重复结构与人的PUF蛋白的该结构高度相似，均成延伸状的新月形(如图2)。每个重复结构折叠成一个三螺旋结构，这些螺旋结构堆积成一个占42半径圆周三分之一的月牙形。这种月牙形提供两种延伸的表面:一种结合RNA，一种结合其他的蛋白。RNA结合的位点在新月结构的内侧凹面上(含有保守芳香族和基本氨基酸)。Pumilio的内表面长约为90，与预测的含有20～30个核苷酸单体的结合位点长度相一致。作为RNA结合蛋白的Pumilio通常与生殖细胞增殖相关蛋白Nanos和脑肿瘤蛋白Brat共同作用来调节动物的生长发育，结合Nanos和Brat两个蛋白的位点位于新月结构的外侧，特别是7和8重复结构之间的弯曲结构对结合Nanos很重要［6］。

3．调控多种靶标mRNA:个别PUF蛋白调控多种mRNA，例如:果蝇中Pumilio至少结合两种mRNA—hunchbackmRNA(参与胚胎成形)和cyclinBmRNA(它的抑制延迟了极细胞周期)。线虫中FBF结合fem－3来影响精子－卵子转换，若缺失整个FBF蛋白就会扰乱有丝分裂和精子发生过程。同样地，酵母的puf5调节HOmRNA，从而调节交配类型的转变［7］。

4．与多种蛋白相互作用:目前已经知道PUF蛋白在生理上和其他三种蛋白相互作用，这三个家族的蛋白也都是由3＇UTR调节因子组成。PUF蛋白与它们相互作用形成特定的复合物，这种复合物可以区别不同的mRNA序列，进而引起不同的生物学变化。与PUF结合的三个家族蛋白如下:(1)Nanos(NOS)蛋白:Nanos蛋白具有两个不同的CCHC锌指结构，它能够在不存在PUF蛋白的情况下非特异性结合RNA。FBF可以结合NOS－3(3个线虫NOS蛋白之一)，果蝇的Pumilio可以与单个NOS相互作用。线虫的两个NOS蛋白NOS－1和NOS－2，选择性地和不同的PUF蛋白结合形成不同的PUF－NOS蛋白复合物。同样地，在非洲爪蟾蜍的卵母细胞中PUF蛋白结合XCAT－2(NOS同源)［8］。(2)细胞质聚腺苷酸化元件结合蛋白(CPEB):CPEB蛋白在CCCC和CCHC锌指结构(结合RNA所必须的)后有两个RRM区域，所有多细胞动物中都有它的同源染色体基因，它们结合到mRNA的3＇UTR中U很丰富的序列上，来调控mRNA的聚腺苷酸化和翻译。线虫的FBF与CPEB的同源基因CPB－1相互作用，两者中任何一个活性降低，都会导致精子发生过程受阻。蟾蜍的PUF蛋白在卵巢中结合CPEB，但这个复合物的功能目前还不清楚［9］。(3)Brat蛋白:果蝇的Brat蛋白是NHL家族成员之一，它有六个含有44个氨基酸残基的序列组成，每个序列都含有甘氨酸、疏水性残基和带电氨基酸集群［3］。Brat可以与Pumilio、Nanos和mRNA形成四元复合物，突变Brat蛋白中的单个氨基酸都不利于四元复合物的形成。线虫的两个典型的基因(ncl－1和lin－41)也含有NHL结构域，ncl－1调控核仁的大小和rRNA的数量;lin－41抑制分化和促进特异体细胞的有丝分裂，这与PUF在干细胞中的功能相似［8］。

二、PUF蛋白的生物功能

1．功能多样性:分析五种PUF蛋白(线虫FBF、网柄菌PufA、果蝇Pumilio、啤酒酵母的PUF3和PUF5)的生物功能，发现PUF蛋白的生物功能呈现显著多样性，例如:果蝇Pumilio通过抑制hunchback(弓背蛋白)的mRNA来调控早期胚胎出生前后的形态;线虫的FBF通过抑制fem－3来调控从精子发生到卵子发生的转变;酵母的PUF蛋白调控衰老、线粒体功能和交配类型的转换;网柄菌PufA促进植株的生长［10］。在一种物种中，单一的PUF蛋白可能调控多种mRNA，具有多种功能。例如:线虫的FBF不仅在精子和卵子的转换中起到重要的作用，而且还参与生殖干细胞的维持，在胚胎形成过程中与其他四种PUF蛋白一起调控生殖细胞系的存活、迁移和抑制生殖细胞的有丝分裂。因为果蝇的Pumilio在胚胎形成中生殖细胞的迁移和抑制有丝分裂方面也发挥作用，所以说这种生殖功能可能是遗传的［11］。

2．共同功能—维持干细胞:尽管PUF蛋白功能具有多样性，但是每个物种的PUF蛋白都有一个共同的作用———维持干细胞。如果没有Pumilio，雌果蝇生殖干细胞过早分化成包囊细胞;如果没有FBF，线虫生殖干细胞就进入减数分裂和完成精子发生过程。另外，盘基网柄菌的PufA和酵母的PUF5在正常情况下也可以维持干细胞的有丝分裂增殖。因此，在这几种遥远的多细胞动物中，PUF蛋白都促进生殖干细胞的增殖和抑制它们分化［5－7］。

三、生物体PUF蛋白表达及功能的研究进展

目前，有很多研究者研究了哺乳动物PUM蛋白的功能，例如:陈霞等［12］研究PUF家族基因(Pum1和Pum2)在雌性生殖能力和生殖细胞减数分裂过程中的作用，结果表明Pum蛋白不影响小鼠卵子发生生育过程;杨定等［13］建立了Pumilio1和Pumilio2双基因条件性敲除小鼠模型，为其后期进一步研究PUF家族在哺乳动物精子发生中生物学功能奠定基础;Chen等［14］研究表明在哺乳动物中，Pumilio1通过抑制p53的多个激活因子来保护精子发生的过程;DanislavS等［25］通过对人的RNA结合蛋白PUF家族—Pum1和Pum2基因的克隆和系列的对比分析，结果发现PUM1和PUM2蛋白的相似度达到83%，二者的RNA结合功能域相似度高达91%;JenniferA等［16］研究了人类的Pumilio蛋白可以通过直接或者间接的方式功能性调控一些靶标RNA的识别，同时又证实了Pumilio蛋白可以调控非编码RNA［17］;Liu等［18］研究报道PUM1是一种先天免疫基因的抑制因子，可以抑制LGP2基因(抗病毒先天免疫途径RLR家族成员之一)的表达。PUF家族在疾病方面的研究也有报道，CécileNaudin等［19］通过多种分子生物学实验研究发现PUMILIO/FOXP1信号通路会驱动造血干细胞/白血病细胞的扩增。Wu等［20］研究颞叶癫痫患者和锂－匹罗卡品癫痫大鼠模型中PUM蛋白的表达情况，发现Pumilio2蛋白的表达降低，说明Pumilio2蛋白表达与癫痫有关系。关于PUF家族基因在不同生物体中的表达，目前研究者们主要用NorthernBlot和RT－PCR实验从mRNA的角度来分析了该家族基因在酵母、果蝇、线虫、斑马鱼［21-22］、蟾蜍和侧褶蛙［23-24］、小鼠和人［25］的某一组织或某些组织中的表达水平，发现PUF家族蛋白在生殖发育和干细胞维持方面都起着重要的作用。但是目前在哺乳动物中关于PUF蛋白表达的研究还不多，从mRNA和蛋白水平系统性研究哺乳动物PUF蛋白的表达还未见报道。因此，系统性研究哺乳动物PUF蛋白的表达对明确PUF蛋白抑制mRNA翻译的机制具有重大的意义。

作者：王坤；任丽英；马允