医药学论文：丝氨酸苏氨酸蛋白激酶4的研究进展

【摘要】 丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶4 (PAK4)是生物学界最新发现的一类蛋白因子，它在细胞信号转导过程中起很重要的作用，因而，PAK4在肿瘤的发生，发展过程中是一个特殊的预警分子。本文针对PAK4的主要生物学特性做一描述，以探索其在癌症早期诊断，早期治疗，抗癌抑癌等方面的作用。
【关键词】 PAK4 细胞信号转导 肿瘤治疗
1 PAKs家族概述
Pak(p21-activated protein kinases，Paks)丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶是Rho家族中GTP酶的重要效应物，它在细胞形态学和动力学以及细胞转化的调控方面起到了很重要的作用。当前，约有28种人类STE20激酶被分为10个亚族，这种划分是基于它们的调节区和催化区在系统发生及结构上的不同而进行的。人类的六种Paks激酶也已被区分为两个亚系。第一个亚系包括Pak1(Pakα)、Pak2(Pakγ)、Pak3(Pakβ)，它们的催化区中有80%-90%的序列同源性。近来才发现的第二亚系中含有Pak4、Pak5和Pak6，它们也彼此关系密切，但和第一亚系中的Pak1、Pak2和Pak3催化区序列同源性只有40%-50%。所有的Paks成员具有一个p21结合区域（PBD），它可以与Rho家族中的GTP酶结合。GTPases和PBD相互作用可使Paks的内在激酶活性脱抑制，从而导致活性环的自身磷酸化和全酶的激活。
Pak1-3的脯氨酸富集区是与Pak相互作用交换子PIX/Cool SH3作用的主要位点。除了PIX外，Paks还可以与Nck受体结合并且可以直接恢复为生长因子受体。由此看来，虽然Pak4-6没有明显的PIX/Cool结合基序，但两个Pak亚系在它们调节与催化区域的组成和结构方面具有很好的一致性。Paks作为GTPases的效应物，通过对肌动蛋白细胞构架的调节，在细胞形态学和动力学的调控上起到了重要的作用。
Paks和Rac/Cdc42相互作用，并且参与细胞粘附与迁移过程中Rac/Cdc42介导的肌动蛋白的合成（Daniels and Bokoch，1999）。Pak家族中的所有六个单体具有高度保守的C端激酶区和N端Cdc42/Rac相互作用粘附区（CRIB）（Burbelo et al.，1995），又名GTP酶结合区（GBD）（Symons et al.，1996）。Pak1-3与Cdc42和Rac结合，导致其构象的改变，这个过程会在较低的程度上缓解自我抑制和激活激酶的活性。与之相反，Pak4和Pak6与Cdc42高效地作用，但酶的激活并不依赖这个结合过程。Pak1-3在GBD的N末端含有一种SH3结合位点，它负责和接头蛋白Nck结合。另外，在GBD与C末端激酶区域之间也有一个SH3结合位点，它可以调节和PIX的结合，PIX是Rac的一种假设交换因子。Pak4则没有这种SH3结合位点，也不能与Nck和PIX作用，但它在GBD与激酶区域间有七个假设的SH3结合位点。
Paks的两个亚群均可以促使细胞中肌动蛋白的重新形成。例如：Pak1能诱导片状伪足的形成，还可以定位在成纤维细胞的膜皱褶上；Pak4被证明在内皮细胞上由Cdc42诱导的丝状伪足扩展方面有重要的作用；而Pak5可以导致轴突的延伸。Paks还可以对细胞进行调控，激活的Pak1，Pak2和Pak4的表达可以促进细胞变圆。
为了探讨Pak4在肿瘤遗传学方面的功用，国外学者分析了其在几种瘤细胞系中的表达情况。结果表明：Pak4经常在来源于人体的多种组织器官的肿瘤细胞系中呈现过表达，且丝氨酸位点（Ser-474）很可能是Pak4酶活性区域中的自身磷酸化位点，丝氨酸到谷氨酸位点的突变体（S474E）促使其获得了酶活性。PAK4和Cdc42在高尔基体膜中同时表达，我们可利用针对Ser-474位点的磷酸化特异性抗体来探查有活性Pak4的存在。进而，Pak4突变体（S474E）可导致NIH3T3细胞的不依赖贴壁生长。另一方面，无活性的PAK4(K350A，K351A)可以通过活性Ras来有效地阻止HCT116癌细胞克隆的转化和抑制其不依赖贴壁生长。综上所述：Pak4对细胞癌化和Ras驱动的瘤细胞不依赖性贴壁生长具有极其重要的影响。
越来越多的事实表明：Pak激酶在细胞癌化，Ras促使的不依赖贴壁细胞生长和细胞存活的调控方面具有很重要的影响。例如：无活性的Pak等位基因会抑制Rat1和施瓦尔贝核细胞的Ras转化。同样地，Pak2的功能缺失性等位基因也会干扰Ras介导的细胞周期。最新的一些研究也提供了关于Pak1在人类乳腺癌上皮细胞的不依赖贴壁细胞生长和侵袭力方面的重要证据。另外，Pak1还可以调节BAD的活性。Pak4也可以保护细胞免受外因导致的细胞凋亡，促进细胞粘附以及调节啮齿动物成纤维细胞的不依赖贴壁生长。
2 PAK4的生化结构
人源PAK4位于第19号染色体上，其转录结构大小约为53.59kb。PAK4基因上共有10个外显子，均位于正链上，中间由9个内含子所间隔。最大的外显子长979kb，最小的长73kb；内含子最长的为42310kb，最小的为139kb。
3 PAK4的生物学特性
3.1 Pak4是最新发现的Pak家族中的一员 它与别的Paks序列上有很大的差别，特别是在调节区域上的区别，但Pak4有一个GBD的修饰区。Pak4是Cdc42的一个靶点，它为Cdc42促进纤羽的形成提供了一种良好的途径。野生型的Pak42不能独立地促进明显的细胞构架的改变，只有Pak4和Cdc42的共同表达可以使纤羽的正常形成。与Pak1相比，Pak4调节细胞构架形成的过程更依赖于其酶活性和PBD区域的有无。近来，人们已经构建出一种Pak4的突变体Pak4(S445N)，它只能导致暂时性的纤羽形成。人们还发现在C2C12细胞中，Pak4还会促进弹性纤维的转动和溶解。除此之外，在C2C12细胞中Pak4（S445N）的高效表达会促进多聚肌动蛋白的形成。研究表明：Pak4和Pak4(S445N)都可使LIMK1高度磷酸化。实际上，它们磷酸化LIMK1的能力要远远地高于等量的野生型或具有普通活性的Pak1。激活的Pak4也可以提高LIMK1磷酸化cofilin的能力。Pak4或Pak4(S445N)的存在对肌动蛋白簇的刺激是必要的，LIMK1的缺失会抑制Pak4(S445N)对细胞构架改变的促进作用，一个非磷酸化的cofilin突变体在Pak4(S445N)的参与下也会阻止细胞骨架和形态的改变。