[中图分类号] R734.2 [文献标识码] A [文章编号] 1672-4208(2009)03-0032-03
在真核生物的细胞核中，存在一种主要由非组蛋白的纤维蛋白和大分子量的RNA组成的三维网架体系，这就是核基质。结合在核基质上的特异DNA序列称为核基质结合区(MAR)，MAR常常作为边界元件出现在转录单位的两侧以及像增强子这样的调节序列附近，大小在200 bp到几个kb之间，通常为500 bp左右。MAR是真核生物基因组的DNA序列中能特异地和核基质紧密结合的区域。它与真核基因中其它调控元件一起调节DNA复制、RNA合成和hnRNA加工等过程，在基因表达调控中起重要作用。近年来的研究发现，MAR能保护转录单位不受非相关反式作用因子的干扰，判断转录活跃的环结构域并促使其组蛋白乙酰化；在稳定整合的前提下，一些MAR能使所连接的异源报告基因的转录增加，并参与染色体的重塑(re-model)和去甲基化过程，以利于转录因子进入染色体。已经发现有几种蛋白质能与MAR在体外进行特异性结合；目前从动物和昆虫细胞中已经分离出一些与MAR相互作用的蛋白质，其中包括SATB1(special AT rich binding proteinl)，拓扑异构酶Ⅱ(topoisomeraseⅡ)、组蛋白Hl、HMG-I/Y(hishmobility group proteins I/Y)、核纤层蛋白A和B(lamin A.B)、核仁蛋白(nuceldin)、hnRNP－U、ARBP和SAF－B蛋白等等。MAR结合蛋白质参与了染色体的高级包装及转录与表达的调控。本文就SATB1的研究进展作一综述。
1 SATB1概述
SATB1是一种组织特异性表达的核基质结合蛋白(matnx attachment regions binding protem)，在胸腺细胞和前B细胞之中显著表达。Dickinson等利用免疫球蛋白重链u链基因增强子3端的MARs(matrix attachment regions)序列作为探针，从人类cDNA文库中筛选得到该基因。SATB1位于3号染色体p23区，全长763个氨基酸，包含有两个CUT基序，它可以通过形成类似PDZ结构的二聚体，以非常高的亲和力与MAR序列相结合。在其氨基酸序列的中部约有150个氨基酸，是和MAR发生结合的核心序列。SA/BI通过识别MAR的A—T丰富序列结合在DNA双螺旋的小沟上，与碱基很少直接接触，这与MAR序列的特异性有关。不同的MAR并没有同源序列，但通常都是富含A—T序列并含有高度碱基解配对(unpmring)倾向的区域(base unpairing regions，BUR)。BUR内有成簇的A—T丰富序列，包括混合的A、T、C并以G结尾，称为A7C序列，每个ATC序列都含有核心解旋元件(core unwinding elementCUE)。BUR的解配对倾向对MAR的活性来说非常重要，CUE的突变可以废除这种倾向。MAR与SATB1的结合能力也随之丧失。SA781有一个MAR结合结构域(氨基酸序列346---495)和一个同源结构域，两者共同识别结合MAR中的CUE，SATBl与MAR结合并位于染色体环的基底部。
2 SATB1在T细胞发育中的作用
Alvarezt等建立了SATB1基因敲除小鼠来观察SATB1在T细胞中的生物学功能，结果发现SATBI基因的敲除使T细胞的发育和功能受损，出现表达异常的基因占研究总数的2％。这项研究结果说明SATB1对T细胞的正常发育具有非常重要的意义，可以协调T细胞发育各个阶段的基因正常有序的表达。Cai等研究发现，SATBI 在胸腺细胞中具有一种独特的笼状(cage like)分布，这一特殊的笼状分布使得胸腺细胞的核成分对于高盐抽提和DNase I消化都表现出抗性，而且通过这一笼状结构。SATB1可以锚定特异性的DNA序列，而通过SATB1锚定的DNA序列与SBS(SATBI binding sequence)上下游的基因表达调控密切相关。这就表明一种新的调控模式，细胞核内高度表达的单一蛋白质通过在核内形成独特的空间结构，为特殊的DNA序列提供锚定位点，从而影响染色质开放结构的形成，即单一蛋白质通过影响染色质高级结构而调控多种组织特异性的基因表达。T细胞发育所必需的IL-2Ra和IL-TRa基因在敲除了SATB1基因的CD4+、CD8*细胞中高度表达，而在野生型胸腺细胞中这两个基因通常是不表达的。在IL-2Ra上游发现了两处SA781结合位点，这说明SATBl是作为抑制子来调节这个基因。很可能IL-7Ra和其它表达上调的基因也是SATB1调节的靶基因，SATB1在这些基因被阻遏到被诱导表达的过程中扮演了重要的角色。SATB1能协调T细胞发育过程中一系列基因的有序转录，其具体机制尚未明确，但很可能与SA781动员HDAC1，2等调节因子改变某些环结构域的结构而影响转录因子进入染色体有关。敲除SATB1基因使胸腺细胞中众多基因的正常表达受到了影响，而在不表达SATB1的肝脏细胞中，没有使任何基因的表达发生改变。SAT81可以通过募集去乙酰酶(histone deaeetylase 1.2：HDAC1，2)到IL-2Ra的SATBI结合位点，来抑制IL-2Ra的表达。但目前尚未有报道证明SATB1可以通过动员乙酰基来进行调控，所以，尚不能断言SATB1是通过何种机制促发SBST4区域的乙酰化现象。但是由于核小体的乙酰化是染色体转录激活的前提，以及它所表现出的长距离调控功能，证明了SATB1与SBST4的结合可以改变该区域染色质的三维结构，促进有利于该区域染色质的活化和开放结构的形成。进而影响到了该区域基因的表达。
3 SATB1在基因表达调控中的作用
MAR不仅参与某些基因的转录激活，也参与一些基因的转录抑制。Kohwi－ShigematsuL等发现SATB1在稳定整合的前提下抑制与免疫球蛋白重链u链增强子MAR相连的异源报告基因的表达。Shannont等则发现SATB1结合于sp91phox启动子内的多个位点，體系细胞分化末期伴随gp91ptlox的转录SATB1的转录下调。Liu等也发现SATB1结合于小鼠乳腺瘤病毒(mouse mamma tumor virus，MMrV)长末端重复序列(LTR)内的负调控元件(negative regulatoryelements，NRE)上。野生型MMTV基因并不在T细胞中表达，但NRE突变型的MMTV则表达并造成T细胞白血病。SATB1结合在NRE上抑制了病毒基因的转录，针对SATB1结合位点(p924)的突变可以提高T细胞内MMTV的表达
和MMTV启动子对报告基因的转录。
myc基因对于细胞的发育和成熟具有重要作用，c-myc缺失的B细胞无法有效地从G，期向S期过渡，并且失去对促凋亡信号的敏感性，而在胸腺细胞中，myc的缺失阻碍了通过负选择形成的DN(double negative)细胞向DP(double positwe)的转化。在野生胸腺细胞中，myc基因的表达在DN的晚期开始下调，但其转录水平会在有丝分裂原的刺激下出现显著的提高。而在SAT81缺失的胸腺细胞中，myc的表达水平对于有丝分裂原的刺激并不敏感，并且，多数细胞停滞在CD4*、CD8*(double positive)阶段。在离子霉素(mnomyein)的刺激下，野生型胸腺细胞myc的转录水平提高到刺激前的10倍并且持续4个小时；而SATB1敲除的胸腺细胞的myc的表达水平在刺激前是野生型的四倍，但在离子霉素刺激后，其转录水平迅速下降。通过对mye位点上下游的基因序列进行分析，在其转录起始位点上游1507～1531内发现了一段SATB1的结合序列(含有24 bp的核心ATC序列)。利用该序列作为探针进行FISH实验，发现荧光信号主要存在于DNA halos(荧光探针与散成长环状的DNA杂交所形成，形似日晕，称为ha-los)的中央并且对于DNase I表现抗性，而在SATB1～null的胸腺细胞中，荧光信号主要存在于DNA halo的边缘和膨胀区域，在DNase I的消化下，荧光信号完全丟失。这说明了在敲除SATBI之后，myc的SATB1结合序列已经不再处于染色质loop的基底部。由此，提示我们SATBI通过与mye的结合，可以改变该区域的染色质三维结构，促进了染色质loop的形成并进而对myc的表达产生了影响。而myc的表达变化又进一步的影响到了CD4+和CD8+细胞的成熟。这就对于更加深入的认识myc的调控途径提供了新的证据。
Yasui等研究了SATBl对白细胞介素2受体。基因的转录调控，IL-2Rot在SATBI基因敲除小鼠的胸腺细胞中异位(ectopieally)转录，而在野生型胸腺细胞中不表达。结果发现SATBI动员NURD复合体(nueleosome remodelling and histone deaeetylase complex，NURD complex)中的组蛋白去乙酰化酶1、2(histone deaeetylase 1、2 HDAC1、2)结合在IL-2Ra的SAT81结合位点上，并促使染色体中的组蛋白去乙酰化。SArBl还动员CHRAC和ACE核小体动员复合体的亚基：ACFl和ISWI聚集在这个位点上并调节长达50 kb之外的核小体进行重排。NURD复合体即核小体重塑和组蛋白去乙酰化复合体，包含了ATP依赖的重塑酶Mi-2，HDAC1、2，组蛋白去乙酰化酶辅助抑制子mSin3和MTA2，Mi-2使用ATP水解产生的能量来改变核小体的排列结构。CHRAC和ACE复合体则识别长距离之外的重排核小体。染色体转录激活的前提是核小体的乙酰化，SATB1募集众多抑制因子使核小体保持低水平的乙酰化并改变染色体的结构，使其无法处于转录激活的状态。
4 SATB1在凋亡中的作用
在凋亡过程中核基质和MAR结合蛋白质如拓扑异构酶11a等首先发生降解，然后DNA再发生降解。Caspases包含一个高度保守的半胱氨酸蛋白酶家族，这些蛋白酶可以通过核底物的分裂来调节细胞死亡和细胞炎症反应，从而导致靶蛋白的失活、激活或破坏。Galande等研究了胸腺细胞凋亡中SATB1的变化，发现SATBI在氨基酸254位点上被胱天蛋白酶6或胱天蛋白酶6样的蛋白酶水解，产生65 kD和20 kD的两个片段，65kD的片段中包含了SA781的MAR识别结构域和同源结构域。SATB1以二聚体的形式与MAR结合，胱天蛋白酶6对SAT81的降解恰使其二聚化结构域分裂，降解后的SATB1单体虽然其MAR识别结构域和同源结构域保持不变，却丧失了与MAR的结合能力并从染色体上解离。这个二聚化结构域与PDZ结构域具有同源性，PDZ结构域参与介导了蛋白质的相互作用。Fas抗体介导的T细胞凋亡中，随着SATBI的降解长达50kb的DNA片段从染色体上解离。这些结果提示，T细胞发育早期的选择性凋亡过程中，SATB1因二聚化结构域的分裂而失去了与MAR的结合能力，从环基底部解离后出现了环结构域的降解，加速了染色体的解体。在凋亡早期SATBl形成特殊的三维网状分布，它的这种分布改变伴随着蛋白质的分裂和核固缩；caspase-3介导的SATBl分裂是凋亡特有的。
5 SATB1在肿瘤中的作用
Han等在对细胞株和乳腺癌样本的检测中发现，SATB1表达水平与乳腺癌细胞的侵袭性密切相关，SATB1有望成为一个判断乳腺癌细胞侵袭程度的标志物。对24个乳腺上皮细胞株(包括正常人乳腺上皮细胞和不同侵袭性的乳腺癌细胞株)的检测发现，仅在高转移性乳腺癌细胞株中检出了SATB1 mRNA及蛋白，而正常乳腺上皮细胞和非侵袭性乳腺癌中都没有；对28个原发性乳腺癌样本的检测同样发现，所有16个低分化浸润性导管癌样本都表达SATB1蛋白，12个中等分化程度的肿瘤样本仅部分(7个)表达低水平SATB1，而肿瘤邻近组织样本都无SAT81表达。根据SATB1核染色强度由弱到强、SATB1阳性肿瘤细胞百分比由少到多，组织学样本被评为0分、1分和2分三个级别。纳入其中985例乳腺导管癌患者的Kaplan-Meier生存分析显示，SATB1表达水平较高与总生存期较短相关(P＜0.001)。同样的相关性也见于除髓样癌(髓样癌发病率低，且尽管分化程度较低，但预后相对较好)之外的其他所有乳腺癌类型。
多因素分析显示，SATB1表达独立于其他明确的预后因素(包括肿瘤分期、组织学分级和淋巴结累及状态)，是乳腺癌的独立预后因素。这就意味着，SATB1表达不仅仅限于临床晚期乳腺癌，而且也见于一些处于临床早期、尚未发生淋巴结转移的原发性乳腺癌，这时可用其来预测早期乳腺癌的进展危险。应用RNA干扰的方法来下调SATBl的表达，结果使高转移性细胞株MDA－MB-231和BT549的侵袭力大大下降。相反，异位SATB1表达却使非侵袭性细胞株SKBR3获得了侵袭力。这些都提示，SATB1是乳腺癌细胞获得和维持侵袭力、乳腺癌发生转移的关键因素。
SATB1改变了涉及肿瘤发生的多个方面的1000余个基因的表达。在与转移相关的基因方面，SATB1上调了许多促转移基因，包括在转移和血管发生中起作用的metasta，sin(S100A4)和VEGFB，降解细胞外基质和促进肿瘤侵袭的基质金属蛋白酶(MMP)2、3和9，刺激侵袭的转化生长因子β1(TGFBl)，以及血管发生和骨转移的结缔组织生长因子(CTGF)。值得一提的是，SATB1还上调了参与表皮生长因子(EGF)信号传导的一些基因，如EGF受体(EGFR)家族的ERBBl、ERBB2(HER-2或NEU)、ERBB3、ERBB4及配体NRG和AREG。相反，SATBI下调了转移抑制基因BRMS1、KAl1(CD82)、KISS1和NME1(NM23)。在细胞结构基因方面，SATB1上调了侵袭性乳腺癌中典型的细胞结构基因，包括纤维连接蛋白(FN)、波形蛋白(VIM)、ITGB4、OB-钙粘蛋白(CDHll)、VE-钙粘蛋白(CDH5)和N-钙粘蛋白(CDH2)。相反，SATB1下调了claudin 1(CLDN1)、β-连环蛋白(CTNNBl)和E－钙粘蛋白(CDHI)。总而言之，SATBl使肿瘤细胞的基因表达模式发生了显著改变，促使其获得了侵袭能力。研究者提出了肿瘤进展过程中的一种新的基因调节模式。在该模式中，SATBI这种核基质结合蛋白担任了“基因组组织者(serlomeorganizer)”的角色，它显著地改变了乳腺癌细胞的基因表达谱，诱导其出现侵袭性表型，从而促进肿瘤生长和转移。因为在发育中的胎儿脑和脊髓中已经发现了经紧密调节的SATB1表达，这些“基因组组织者”可以在中枢神经系统肿瘤生成中发挥作用。
总之，随着对SATBI功能研究的进一步深入，人们发现SAT81对染色体重塑，转录调节和T细胞发育方面的影响是相当复杂的，许多问题和机制有待于说明。而且还发现SATB1在某些肿瘤转移发生过程中具有重要作用；但也发现一些重要问题，关于SATB1调节组织特异性基因是怎样完成的和特异性基因或上调或抑制的机制，这也将是SATB1研究的新热点和新趋势。