丝切蛋白，癌症研究中的新宠

Cofilin是ADF/cofilin家族中广泛存在于真核细胞中的一种低分子量肌动结合蛋白，具有广泛的生物学效应，近年来逐渐成为研究热点。本文回顾了cofilin的结构特征、调节肌动蛋白的机制、生物学功能以及与临床疾病的关系，探讨了其在癌症、神经系统疾病、骨关节炎、心脏和肾脏疾病中的作用。使用cofilin磷酸化途径可以作为治疗上述疾病的主要作用靶向位点，为新药开发提供基础，例如Rho相关蛋白激酶抑制剂netarsudil可以有效防止癌症转移；neuroligin C端结构域(NLG1-CTD)肽具有高亲和力，可抑制LIM激酶，从而预防神经系统疾病；葡萄籽原花青素可抑制cofilin相关的氧化应激治疗心脏和肾脏疾病等。

 

发表杂志：Life Research.

 

研究背景

肌动蛋白解聚因子(ADF)/cofilin家族蛋白于1980年首次从鸡胚泡细胞中发现并纯化。ADF/cofilin家族蛋白存在于全部哺乳动物及大多数脊椎动物中。ADF/cofilin的基本功能是动态调节细胞内肌动蛋白丝的解聚，维持细胞形态、极性、迁移等功能。而ADF和cofilin的主要作用是结合肌动蛋白切断肌动蛋白丝，这对于细胞结构、生长、发育和分化极为关键。随着ADF/cofilin家族研究的进一步发展，发现它们在激活磷脂酶、携带肌动蛋白入核、诱导细胞凋亡、调节免疫等方面也发挥着重要作用。

 

分析解读：

Cofilin编码基因、结构、表达和生化特征

①人ADF/cofilin家族蛋白的理化特征

②ADF主要在神经细胞、上皮细胞和内皮细胞中表达；cofilin-1在全身各种组织中广泛表达，而cofilin-2在心脏和前列腺组织中高表达。

 

③cofilin与肌动蛋白的结合亲和力取决于蛋白质结构域之间间隙中的核苷酸结合类型。cofilin对ADP-actin的亲和力最强，而对ATP-actin的亲和力最弱，这会导致下游的cofilin积累的丝状区域发生水解和磷酸酶释放。

下图：ADF/cofilin蛋白的形态结构。

Cofilin介导的肌动蛋白丝动力学调控机制

 

①ADF/cofilin蛋白家族促进肌动蛋白聚合和F-肌动蛋白解聚，少量结合cofilin（亚微摩尔浓度）会导致肌动蛋白丝断裂和游离端增加。

 

下图：ADF/cofilin解聚和组合肌动蛋白过程：第一种方式是cofilin通过切割尖端的F-actin来加速肌动蛋白的解聚，增加细胞中G-actin的浓度，这也使得F-actin的周转率增加。第二种方法是cofilin，通过切割F-肌动蛋白来产生游离的倒刺末端，从而允许进一步聚合。

②Cofilin可以改变肌动蛋白的空间结构和与肌动蛋白丝结合时产生一定的扭矩，这也加速了肌动蛋白丝的解聚。

 

③除了调节肌动蛋白外，cofilin还调节Arp2/3蛋白复合物的活性，可直接与Arp2/3竞争肌动蛋白结合位点，或通过肌动蛋白丝的构象变化间接影响Arp2/3的结合。

Cofilin活性调节机制

（1）磷酸化和去磷酸化

①cofilin的Ser3（N端丝氨酸）位点的磷酸化使其失去解聚活性，不能与F-肌动蛋白结合以提高其稳定性，但去磷酸化恢复其解聚功能并在肌动蛋白组装和裂解过程中充当开关。Cofilin磷酸化酶包括LIM激酶(LIMK)和TES激酶(TESK)。

 

下图：cofilin的磷酸化和去磷酸化。

②Cofilin脱磷酸酶具有Slingshot家族去磷酸酶SSH和HAD-chronophin蛋白家族。SSH磷酸酶激活蛋白包括F-肌动蛋白、14-3-3蛋白、PKD家族蛋白、PLCβ/PI3Kγ-GSK3β信号通路蛋白、钙调蛋白磷酸酶等。chronophin是cofilin的另一种特异性磷酸酶，但尚未研究该蛋白质的更多作用。

 

（1）PIP2和PH调节

 

①PIP2分子主要分布在细胞膜上，细胞膜上PIP2分子的密度决定了cofilin分子的活性。由于PIP2与cofilin具有结构亲和力，它可以阻止cofilin与肌动蛋白结合，进而影响cofilin在肌动蛋白解聚中的周转效率。

 

下图：cofilin的PIP2和PH调节。

②表皮生长因子(EGF)可以通过磷脂酶C(PLC)促进PIP2的水解。同时，EGF与其各自可能的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(RTK)结合并激活PI3K，将PIP2转化为磷酸肌醇3激酶(PIP3)，使PIP2失去结合cofilin的活性。

 

③钠氢交换剂1(NHE1)在cofilin的活化中起重要作用，即细胞内的pH值对调节肌动蛋白解聚过程很重要。当细胞内pH值保持在6.5-8.0时，cofilin解聚肌动蛋白的效率最好。

 

（1）miRNA的调控及其他机制

 

①不同细胞中cofilin和其他肌动蛋白结合蛋白的活性受许多miRNA的调节。

 

②Cofilin也可以在Tyr68位点被病毒(v)-Src磷酸化，但这种磷酸化不能直接改变cofilin切断活性，这可以通过蛋白酶体途径改变其泛素化和降解。

 

cofilin的细胞学功能

 

（1）对细胞运动的影响

 

①ADF/cofilin富集在运动细胞的前缘，使肌动蛋白丝向固定方向延伸，促进细胞运动，细胞运动是神经生长锥迁移、胚胎发生和肿瘤细胞迁移的基础。

 

（2）转运肌动蛋白进入细胞核

 

①大多数ADF/cofilin家族蛋白在氨基末端NLS处至少有一个NLS，它们承担着将肌动蛋白转运到细胞核的任务。当细胞受到外部压力（例如热或化学压力）时，一部分ADF从细胞质转移到细胞核，ADF可能会以这种方式移动肌动蛋白。

（3）细胞凋亡

 

①中性粒细胞产生的生理氧化剂可氧化cofilin，氧化后的cofilin失去对肌动蛋白的亲和力并转移到线粒体，通过调节线粒体通透性转换孔的开放，释放细胞色素C诱导细胞凋亡。

 

（4）参与胞质分裂

 

①在细胞有丝分裂中，细胞内大量的cofilin被激活，F-actin被分解，这被认为是细胞分裂的重要步骤。当肌动蛋白丝被切断时，cofilin也限制了F-actin在细胞中的积累，因此cofilin去磷酸化是细胞成功分裂的关键因素。

 

（5）脂质代谢

 

①cofilin磷酸化一直被认为是无活性的，但p-cofilin可以直接激活PLD1，然后PLD1增加细胞内磷脂酸(PtdOH)水平。

 

②cofilin和moesin也与脂筏有关，脂筏是确定细胞吞噬过程早期阶段细胞膜扭曲所必需的，包括细胞膜折叠和吞噬杯形成。

 

（6）转录

 

①Cofilin-1主要通过影响RNA聚合酶II的功能来影响细胞核的转录活性，尤其是基因编码序列的延伸过程，与非翻译区的启动子序列无关。

 

②活性cofilin可以通过Src介导转录因子激活，如p-65、NF-κB和STAT1，进而影响细胞转录活性。

 

（7）其他功能

 

①通过调节细胞增殖来响应环境机械应力的变化。

 

②cofilin具有介导物质从细胞核转运的功能。

 

③cofilin与应激反应密切相关。

 

④cofili参与染色质重塑。

 

cofilin的临床意义

 

癌症

 

①激活的cofilin-1可诱导侵袭性伪足的形成，决定癌细胞的迁移方向，促进癌细胞的增殖和侵袭，敲除细胞系后激活游离cofilin-1，细胞侵袭性伪足的产生减少或成熟紊乱，癌细胞增殖、侵袭能力大大减弱。

 

②cofilin-1的高表达与肺腺癌和卵巢癌化疗后耐药机制的形成有关。

 

③ROCK/Lin11、ISL-1和LIMK/cofilin信号级联对于癌症转移的cofilin分子调控机制至关重要。这为ROCK/LIMK/cofilin信号蛋白作为癌症预防策略或治疗的良好候选者提供了理论基础。

 

神经系统疾病

 

①参与神经元分化。

 

②参与神经元运动。

 

③突触涉及的可塑性。

 

肾脏疾病

 

①Cofilin相关的肾脏疾病与肾小球上皮细胞和肾小管上皮细胞有关。

 

②cofilin和nephrin共同位于细胞膜上，可通过PI3K/SSH1L途径去磷酸化和激活，维持足细胞的正常形态和功能。

 

③cofilin在促进肌动蛋白解聚并在维持近端肾小管上皮细胞的极性和功能中起关键作用。

 

心脏疾病

 

①药物刺激的cofilin-2磷酸化和基因过表达的磷酸化蛋白会促进累积的“应激样”纤维和严重受损的心肌细胞收缩。

 

②Cofilin-1作为心房利钠肽也与心力衰竭的严重程度相关，cofilin-1在心肾衰竭中的双重作用也可能是cofilin-1可作为心肾综合征患者的生物标志物的原因。

 

③cofilin-2是miR-21的特异性靶标，硫化氢可通过诱导microRNA-21来保护心肌缺血后的缺血和炎症损伤。

 

④cofilin-2和Bax在心肌细胞中形成蛋白质复合物以响应氧化应激。

 

骨关节炎

①ADF/cofilin磷酸化/去磷酸化信号通路在细胞骨架参与软骨细胞的应激传导中发挥重要作用。

 

②cofilin基因和蛋白在骨关节炎早期机械力诱导的软骨细胞模型细胞中高表达，提示cofilin基因表达与骨关节炎早期软骨细胞的生物学特性有关。

 

③cofilin-1与许多炎症状况有关。一些研究表明cofilin-1的过度表达可以降低糖皮质激素受体表达和核因子kappa-B活性。

 

④hMSCs中的cofilin 1和destrin可增强体外细胞活力和成骨细胞的分化以及体内异位骨形成。

 

小结：

本文综述了cofilin最新的作用机制，发现其在肿瘤、神经系统疾病和心肾疾病的临床实践中具有一定的优势。另外，cofilin作为肌动结合蛋白可以将肌动蛋白丝与细胞运动分开，在软骨细胞和神经元的重排中非常重要，这也为骨关节病和神经系统疾病的靶向临床治疗提供了基础。