基本介紹
- 中文名：muc1粘蛋白
- 外文名：mucl Protein
- 粘蛋白：是一類高分子量糖蛋白
- 目前：共發現9種
- 其分子：由肽核心和糖鏈組成
- 套用：診斷與治療乳腺癌
粘蛋白,MUC1的分子生物學和生物化學,1.1 MUC1基因,1.2 MUC1蛋白,1.3 MUC1及其同種型,1.4 MUC1基因表達的調控,MUC1的生物學功能,2.1 MUC1動物模型的建立,2.1.1 MUC1基因敲除（knock-out）小鼠,2.1.2 轉MUC1基因小鼠,2.2 MUC1在信號傳導中的作用,2.3 MUC1的粘附與抗粘附作用,2.4 MUC1在機體免疫調節中的作用,MUC1在腫瘤生物學治療中的套用,3.1 MUC1抗體在腫瘤治療中的套用,
粘蛋白
（mucins）是一類高分子量（>200 kD）糖蛋白，到目前共發現9種。分子由肽核心和糖鏈組成，其中糖鏈約占其重量的50%～90%，多以O型糖苷鍵與肽核心連線。MUC1粘蛋白（以下簡稱MUC1），是一種Ⅰ型跨膜蛋白，正常情況下主要表達於多種組織、器官中上皮細胞近管腔或腺腔面，呈頂端表達，極性分布。最近發現，MUC1在造血系統的多種細胞（T、B、樹突狀細胞等）中也有表達。在多種腫瘤中，MUC1異常表達，主要表現為：① 表達量增高，可達正常時的100倍以上；② 細胞表面分布的改變，極性分布喪失，整個細胞表面均表達；③ 結構改變，主要由於糖基化不全，出現新的糖鏈及肽表位。最近研究表明，MUC1的一種同種型MUC1/Y的表達具有腫瘤特異性，即在乳腺癌和卵巢癌組織中表達，而相應癌旁組織不表達。
由於MUC1在腫瘤組織中的異常表達，使其成為一種潛在的腫瘤生物學標誌物。目前已用於腫瘤的診斷和生物學治療。近幾年，有關MUC1的免疫生物學作用的研究取得了一定的進展，為尋找腫瘤生物學治療的新的切入點提供了重要依據。
MUC1的分子生物學和生物化學
1.1 MUC1基因
MUC1又名PEM(polymorphic epithelial mucin), PUM(peanut lectin binding urinary mucins), DF3, MAM-6, CA 15-3等, 其不同的命名是由於對其分離和檢測的方法等的不同而來, 其cDNA克隆是通過篩選從乳腺癌、胰腺癌等細胞系構建的cDNA表達文庫而得到的。人MUC1基因定位於染色體1q21, 含有7個外顯子。MUC1基因的一個重要特徵是其多態性(polymorphism), 即其第2個外顯子中含有許多連續重複序列(variable number of tandem repeats, VNTRs),每個VNTR含有60個鹼基, 富含GC, 不同人的VNTRs數量從20～125不等,最常見的2個等位基因分別含有41和85個VNTRs, 同一個體的不同等位基因其VNTRs的數量也可能不同, 而小鼠的MUC1基因無此多態性。MUC1的這一特徵表明它是一種典型的小衛星序列(minisatellite sequence)。近期研究結果推測, 小衛星重複單位數量的變化主要是由種系複合基因轉變事件造成的。
不同種屬的MUC1基因的差別主要表現在VNTRs的組成不同,但某些區域的組成卻是保守的, 如人和小鼠(MUC1)基因的比較研究表明, 轉錄起始位點上游500 bp內的轉錄起始區, 特別是TATA盒上游區域結構是高度保守的, 這可能與MUC1在上皮性細胞中的特異性表達有關。
1.2 MUC1蛋白
MUC1基因的編碼產物MUC1粘蛋白是一種高分子量糖蛋白（>200 kD）, 其基本特徵：① 糖鏈占整個粘蛋白含量的50%以上, 且多以O-糖苷鍵與多肽骨架上的Ser/Thr相連; ② 多肽骨架中含有PTS區, 即富含Pro(P),Thr(T)和Ser(S)3種胺基酸的區域, 這3種胺基酸占整個肽鏈胺基酸含量的20%～55%,此區內含有許多連續重複肽鏈序列, 所有的O-糖基化位點均位於這些序列中。
MUC1的多肽骨架由胞外段、跨膜段和胞內段3部分組成, 跨膜段和胞內段(含72個胺基酸)，在不同種間其結構是高度保守的, 表明它們在MUC1的功能發揮上可能起重要作用; 胞外段含有20～125個連續重複序列, 每個重複序列含有20個胺基酸, 即PDTRPAPGSTAPPAHGVTSA, 其中S，T，A，G，P 5種胺基酸占50%以上, P對MUC1空間結構的形成從而對其免疫原性的決定起重要作用。不同個體間連續重複序列數量的不同是由MUC1基因的多態性所決定的, 因此,胞外段長短可從400～2 500胺基酸不等, 每個連續重複序列中含有5個潛在的O-糖基化位點, 其中的4個可發生O-糖基化反應, S，T相鄰是糖基化的必要條件。
糖鏈多以O型糖苷鍵與多肽骨架連線。每條糖鏈含有1～20個單糖,以GalNAc(15.0%), GluNAc (19.8%), Gal(44.9%),Fuc(8.9%)和SA(11.4%)最為常見,由核心區、骨架區和外周區組成。核心區是指與多肽骨架上的Ser/Thr相連的GalNAc及直接與GalNAc相連的糖鏈部分; 骨架區分為Ⅰ型(Galα-3GlcNAc)和Ⅱ型(Galα-4GlcNAc1-3)2種, Ⅰ型結構一般單個存在, 而Ⅱ型可多個同時存在; 外周區是指骨架區末端以α-糖苷鍵連線的Gal, GalNAc, Fuc, SA及硫酸基, 這些基團在決定MUC1的生化特性(如電荷等)和功能方面起重要作用。末端糖基的加入對糖鏈的延伸起終止作用, 同時也產生了某些糖鍊表位, 如血型抗原A, B和H, Lea和Leb, X, Y及Cd抗原決定簇。由於含28個胺基酸的肽鏈O-糖基化後長度為7 nm, 因此, MUC1胞外段的長度約為240～630 nm, 是細胞表面最先與機體免疫系統接觸的膜表面分子之一。
1.3 MUC1及其同種型
由於MUC1基因轉錄後發生選擇性剪下（alternative splicing），形成不同cDNA產物，相應編碼產生不同的蛋白產物，即同種型（isoform）。目前共發現MUC1的5種同種型，即MUC1/REP，MUC1/SEC，MUC1/X，MUC1/Y和MUC1/Z。MUC1/REP是通常所說的膜結合型MUC1，MUC1/SEC是分泌型MUC1，二者均含連續重複序列，而MUC1/X，MUC1/Y和MUC1/Z蛋白序列中不含連續重複序列，因此不含O-糖鏈，分子量也小得多（33～45 kD），各含有兩個潛在的N糖基化位點。後三者的胺基酸序列之間相互有十幾個胺基酸的差別的。
1.4 MUC1基因表達的調控
研究表明，MUC1基因的表達主要在轉錄水平進行調控。這種調控作用是通過MUC1啟動子上的順式作用元件和細胞中的轉錄因子間的相互作用來實現的。MUC1的啟動子序列約2.9 kb，其中，發揮調控作用的順式作用元件主要位於5′開放區743 bp的序列範圍內。MUC1啟動子含有2個Sp1結合位點(GGGGC GGGG),分別位於-576/-568和-99/-90,另外,- 101/
-89處有1個SpA結合位點（AGGGGCGGGGTT），-84/-64有1個E-box(E-MUC1)。Sp1與其結合位點的相互作用可促進MUC1基因的表達，而SpA則下調其表達。Sp1和SpA的比例可能是決定MUC1基因表達水平的一個重要因素。腫瘤細胞MUC1的高水平表達，可能與二者之間的調控失調有關。Sp1位點與E-box(E-MUC1)可能與MUC1的組織特異性表達有關。最新分析表明，MUC1啟動子中含有乳腺特異性、造血細胞特異性、B細胞特異性、T細胞特異性、肝細胞特異性、肌細胞特異性順式作用元件，這與最近報導的MUC1在除上皮組織外的多種組織和細胞中表達是一致的，MUC1啟動子含有多樣性的順式作用元件，是目前已知真核啟動子中比較獨特的一種。對其結構及其與轉錄因子間相互作用的研究，對於闡明MUC1基因在腫瘤發生、發展中的作用並為腫瘤治療提供新的線索具有重要意義。
對於MUC1基因轉錄後的選擇性剪下而形成不同同種型的機制，目前還不清楚。由於MUC1/Y具有腫瘤特異性表達的特點，因此，這種選擇性剪下可能與細胞的癌變有一定的關係。
MUC1的生物學功能
早期對於MUC1生物學功能的認識主要局限於其潤滑、保護作用，隨著對MUC1研究的逐漸深入，發現MUC1是一種具有多種功能的分子，在不同情況下有時甚至表現出截然相反的功能，如同時具有粘附和抗粘附作用，免疫活化和免疫抑制作用等等。
2.1 MUC1動物模型的建立
合適的動物模型的建立對於研究蛋白的功能具有重要意義。
2.1.1 MUC1基因敲除（knock-out）小鼠
Spicer等（1995）最早建立了MUC1基因敲除小鼠模型，他們的研究發現，小鼠可正常發育，無異常形態學改變，因此，MUC1對於小鼠的發育並不是必須的。但研究同時還發現，與表達MUC1的小鼠相比，在MUC1基因敲除小鼠體內誘導產生的乳腺腫瘤的生長速度和發生轉移的趨勢均降低，提示MUC1在乳腺癌的發生髮展中起一定的作用。
2.1.2 轉MUC1基因小鼠
雖然有報導用人MUC1免疫小鼠、大鼠可在體內誘導出殺傷表達MUC1的人腫瘤細胞的免疫應答，但對於小鼠來說，人MUC1畢竟是一種異源蛋白，容易誘發免疫應答；但用於人體則有可能引起免疫耐受或自身免疫。因此，建立人MUC1轉基因小鼠將有助於探討上述問題。為此，Taylor-Papadimitrion等及Acres等先後建立了人MUC1轉基因小鼠模型。
2.2 MUC1在信號傳導中的作用
MUC1及其同種型表達於細胞表面，並且含有胞外段、跨膜段和胞內段，與多種細胞表面受體具有相似的結構，因此，它們有可能作為膜表面受體參與信號傳導。而酪氨酸（Tyr）磷酸化是膜受體參與信號傳導的一個關鍵步驟。Zrichan-Licht等的研究表明，MUC1及MUC1/Y胞內段上的Tyr可被磷酸化，其胞內段含有2個潛在的SH2 domain結合位點（pYVIP，pYEEV）和1個潛在的Grb-2結合位點（pYXNX）；體外實驗表明，磷酸化的胞內段可與src SH2 domain和Grb-2結合。隨後，Pandey等研究表明，MUC1胞內段的YTNP中的Tyr（Y）可被磷酸化，並可通過pYTNP與Grb-2上的SH2 domain結合，形成DF3/Grb-2複合物（DF3即MUC1），後者可通過Grb-2的SH3 domain與Sos蛋白結合，形成DF3/Grb-2/Sos複合物，而Sos與Ras信號通路的激活密切相關，從而提示MUC1，MUC1/Y可能參與Ras信號通路。同時，研究還發現，MUC1，MUC1/Y胞外段胺基酸序列與人生長激素受體（GHR）、人白細胞介素7受體（IL-7R）、小鼠的白細胞介素3受體（IL-3R）等細胞因子受體具有較高的同源性，提示MUC1可能是一類細胞因子受體。既然MUC1及其同種型可能作為細胞表面受體而起作用，那么，它們的配體可能是什麼呢？最近，Baruch等發現MUC1/SEC可與細胞表面的MUC1/Y結合，這種結合可引起MUC1/Y胞內段的磷酸化，同時引起細胞形態學的改變，表現為細胞變長，不易成簇。這種2種同種型之間相互作用在腫瘤發生髮展中有何意義，是否還存在其它可與MUC1及其同種型作用的分子，還有待於進一步研究。
2.3 MUC1的粘附與抗粘附作用
MUC1可使E-鈣粘蛋白(E-cadherin)下調錶達, 後者是一種鈣離子依賴的細胞粘附分子, 介導細胞間的結合, 在腫瘤轉移中起抑制作用, E-鈣粘蛋白的下調錶達是腫瘤細胞侵襲性增強的步驟之一。另有報導, 癌細胞膜表面高密度表達的絲狀MUC1分子可阻礙膜表面固定的配體與其受體的相互作用,可降低胞外基質內整合素介導的細胞間相互作用; MUC1上的Sialyl-Lewisx表位可作為E-選擇素的配體與損傷或有炎症的血管內皮細胞上的E-選擇素作用, 使瘤細胞易與血管內皮細胞粘附, 易於穿過血管壁, 從而利於瘤細胞的轉移。因此, MUC1表達和其表達定位的調節, 在抗粘附作用的調控中可能起一定作用。
2.4 MUC1在機體免疫調節中的作用
目前的研究表明，MUC1即可誘發抗鬃瘤的CTL免疫應答（MHC限制性和非MHC限制性），同時又可抑制免疫活性細胞對腫瘤的殺傷作用，高水平的MUC1表達與腫瘤患者的預後呈負相關，提示MUC1可能參與免疫應答的調節。
Finn的研究小組首先發現在乳腺癌、卵巢癌、胰腺癌患者體記憶體在可殺傷腫瘤細胞的CTL，其特點為非MHC限制性。隨後他們又在乳腺癌患者中發現了具有MHCⅠ限制性的識別MUC1表位的CTL。這些現象也在小鼠體內得到了進一步的驗證。正是上述發現使MUC1成為一種腫瘤生物治療的靶分子。
MUC1在腫瘤生物學治療中的套用
如上所述, MUC1在癌變時可發生量和質的改變, 出現新的抗原表位, 同時, 由於MUC1是最先與機體免疫系統接觸的細胞表面分子之一,腫瘤MUC1可以非MHC限制性和MHC限制性方式活化CTLs，這些活化的CTLs可殺傷表達MUC1的腫瘤細胞。因此, MUC1是腫瘤主動特異性免疫治療(active specific immunotherapy)理想的靶分子。
目前, 有多種基於MUC1的免疫原作為疫苗用於腫瘤治療的研究, 有些已經進入臨床實驗階段。
3.1 MUC1抗體在腫瘤治療中的套用
自MUC1發現以來，已有多家研究機構製備了多種MUC1單克隆抗體，其中56株已得到國際腫瘤生物醫學協會(ISOBM)的確認（見表1），這些抗體中的大多
表1 ISOBM確認的MUC1單克隆抗體
ISOBM編號 單抗名稱 研製單位 研究者 同種型
ISOBM-122 Ma 552 CanAg Nilsson, O. IgG1
ISOBM-123 BC3 Austin Research Institute McKenzie I. IgM
ISOBM-124 HMPV Austin Research Institute McKenzie I. IgM
ISOBM-125 VU- 3-C6 Univ. Hosp. “Vrije Universiteit” Hilgers, J. IgG1
ISOBM-126 VU-12-E1 Univ. Hosp. “Vrije Universiteit” Hilgers, J. IgG1
ISOBM-127 SH1 University of Copenhagen Clausen, H. IgG3-k
ISOBM-128 DH-1 Austin Research Institute McKenzie I. IgM
ISOBM-129 MF06 C.I.S. Biointernational Seguin, P. IgG1
ISOBM-130 VU-11-D1 Univ. Hosp. “Vrije Universiteit” Hilgers, J. IgG1
ISOBM-131 VA1 Austin Research Institute McKenzie I. IgG1
ISOBM-132 MF30 C.I.S. Biointernational Seguin, P. IgG1
ISOBM-133 BCP 8 Austin Research Institute McKenzie I. IgG2b
ISOBM-134 BW 835 Behringwerke AG Schelp, C. IgG1
ISOBM-135 SMA-1 Austin Research Institute McKenzie I. IgM
ISOBM-136 DF3 Centocor Cornillie, F. IgG1
ISOBM-137 27.1 Austin Research Institute McKenzie I. IgG1
ISOBM-138 BC2 Austin Research Institute McKenzie I. IgG1
ISOBM-139 B27.29 Biomira Inc. Craig, D. IgG1
ISOBM-140 VU- 3-D1 Univ. Hosp. “Vrije Universiteit” Hilgers, J. IgG1
ISOBM-141 BCP 7 Austin Research Institute McKenzie I. IgG2a
ISOBM-142 7540MR Bayer Yeung, K. IgG1
ISOBM-143 M26 Sanofi IgM+G1-k
ISOBM-144 VU- 4-H5 Univ. Hosp. “Vrije Universiteit” Hilgers, J. IgG1
ISOBM-145 3E1.2 Austin Research Institute McKenzie I. IgM
ISOBM-146 232A1 Netherlands Cancer Institute Hilkens, J. IgG1
ISOBM-147 BCP 9 Austin Research Institute McKenzie I. IgG1
ISOBM-148 115 D8 Centocor Cornillie, F. IgG2b-k
ISOBM-149 MF11 C.I.S. Biointernational Seguin, P. IgG1
ISOBM-150 KC4 Immunotech SA Agthoven, A. Van IgG3
ISOBM-151 5F4 University of Copenhagen Clausen, H. IgM
ISOBM-152 M29 Sanofi IgG1-k
ISOBM-153 BC4E549 Hybritech Inc. Rittenhouse, H. IgG1-k
ISOBM-154 Ma 695 CanAg Nilsson, O. IgG1
ISOBM-155 Sec1 Austin Research Institute McKenzie I. IgG2b
ISOBM-156 VU-11-E2 Univ. Hosp. “Vrije Universiteit” Hilgers, J. IgG1
ISOBM-157 HH 6 University of Copenhagen Clausen, H. IgG3-k
ISOBM-158 M38 Sanofi IgG1-k
ISOBM-159 E29 Dako A/S Askaa, J. IgG2a
ISOBM-160 HH14 University of Copenhagen Clausen, H. IgM
ISOBM-161 GP1.4 Immunotech SA Agthoven, A. van IgG1
ISOBM-162 214D4 Netherlands Cancer Institute Hilkens, J. IgG1
ISOBM-163 43 Austin Research Institute McKenzie I. IgM
ISOBM-164 CC2 Austin Research Institute McKenzie I. IgM
ISOBM-165 SM3 Imperial Cancer Research Fund Burchell, J. IgG1
ISOBM-166 12C10 Transgene SA Acres, B. IgG1-k
ISOBM-167 FH6 University of Copenhagen Clausen, H. IgM
ISOBM-168 BC5N154 Hybritech Inc. Rittenhouse, H. IgM
ISOBM-169 HMFG-1 Imperial Cancer Research Fund Burchell, J. IgG1
ISOBM-170 VA2 Austin Research Institute McKenzie I. IgG1
ISOBM-171 B12 Roche Diagnostic Systems Pfleiderer, P. IgG1
ISOBM-172 C595 University of Nothingham Price, M. IgG3
ISOBM-173 BCRU-G7 Norwegian Radium Hospital Rye, P. IgM
ISOBM-174 BCP10 Austin Research Institute McKenzie I. IgM
ISOBM-175 MC5 Immunotech SA Agthoven, A. van IgG1-k
ISOBM-176 7539MR Bayer Yeung, K. IgG2b
ISOBM-177 A76-A/C7 Max Delbrueck Centre f. Mol.Med. Karsten, U. IgG1+M-k
數的識別表位位於MUC1 VNTRs中的APDTRPAPG區域，如BC2識別APDTR，HMFG1識別PDTR等。由於MUC1在腫瘤細胞表面的高度異常表達，使其成為一種潛在的腫瘤靶向治療的靶分子。目前已有多個實驗室在利用MUC1單抗進行腫瘤治療的研究。
