P21WAF1/CIP1的研究进展

P21WAF1/CIP1的研究进展

赵劲松

赵劲松（四川乐山解放军42医院普胸外科四川乐山614000）

细胞周期的运行有两个主要调控点：一个是G1/S转折点，是控制细胞进入S期的控制点(G1期检测点)，另一个处于G2/M转折点，是控制细胞进入M期的控制点(G2期检测点)。如G1期关卡失控，就会使应该停止增殖或生理性凋亡的细胞不停地进入S期，导致细胞恶性增生及肿瘤的形成。参与细胞周期调控的主要因子有：细胞周期蛋白(cyclins)，周期蛋白依赖性激酶(cyclindependentkinase,CDK)，周期蛋白依赖性激酶抑制剂(CKI)。CDK与cyclin-CDK复合物促进细胞周期进程，而CKI通过与cyclin,CDK以及cyclin-CDK复合物的结合抑制并阻断细胞周期进程。P21WAF1/CIP1基因是细胞周期中主要的CKI,它参与细胞的多种活动，与肿瘤的发生、发展关系密切而被日益关注。

1P21WAF1/CIP1基因的命名和结构

P21的发现具有偶然性，Harper等[1]在从事细胞周期依赖性激酶的研究中发现一种可与CDK相互作用的蛋白，克隆后命名为（cyclin-dependentkinaseinteractingprotein1，CIP1），而EI-Dery等[2]在同一时期内因寻找p53蛋白转录基因时发现的可被野生型p53蛋白激活的基因，其表达产物对细胞周期有重要的调节作用，因而命名为野生型p53蛋白激活因子（wide-type53-activatedfactor1，WAF1），后来发现这些基因的序列基本一致，就按其编码蛋白的相对分子量统一命名为P21WAF1/CIP1。

P21WAF1/CIP1基因定位于人6号染色体p21.2，DNA全长85kb，由68k、450kb、1600kb三个外显子组成，该基因上游2.4kb和8kb处各有一个p53蛋白结合位点，在上游1kb-2kb核苷酸处有my-ogenicD（肌源性转录因子）结合区，P21WAF1/CIP1的cDNA长度2.1kb，其开放阅读框架长492bp，编码一个由164个氨基酸组成的蛋白质，相对分子量为21KD，富含精氨酸，是一个核内蛋白。

2P21对细胞周期的调节作用

P21WAF1/CIP1基因是p53基因的下游基因之一，野生型的p53蛋白能激活P21WAF1/CIP1基因，使其迅速表达，依赖p53的途径是P21WAF1/CIP1的主要作用机制。P21蛋白是目前所知的最广泛的细胞周期依赖性蛋白激酶抑制因子，在多种组织中均有表达，P21蛋白的13-41位氨基酸为胱氨酸富集区，存在类似锌指样的结构，可以与cyclin、CDK结合，使多数的cyclin-CDK复合物的激酶活性受到抑制，P21蛋白对cyclinD1-CDK4以及cyclinE-CDK2活性的抑制可以使Rb蛋白不发生磷酸化，E2F不能释放，是细胞生长停滞于G1期。P21对cyclin-CDK复合物激酶活性的抑制目前认为是呈数量级的关系[3]，在具有蛋白激酶活性的cyclin-CDK复合物上仍然结合有单个P21，但是结合了多个的P21后，cyclin-CDK复合物的激酶活性受到抑制。p53基因突变后，P21WAF1/CIP1基因的表达明显降低，可能导致细胞生长失控，这是肿瘤的形成机制之一。但是P21WAF1/CIP1也能通过非p53的途径调节细胞生长，例如STAT-1[4]，一种细胞信号传导通路的蛋白，其一级结构上有三个位点可以与P21WAF1/CIP1基因的启动子结合，启动P21蛋白的编码。

在细胞周期中除了cyclin-CDK复合物受P21蛋白作用以外，DNA复制的必须因子PCNA也是P21蛋白的靶目标之一。PCNA是DNA聚合酶的亚单位，P21WAF1/CIP1基因在羧基末端与PCNA以1：1或者1：3的比例结合，使DNA全酶不能在DNA单链上滑动，从而抑制DNA的复制。P21羧基末端第124-164个氨基酸的位置可以与PCNA竞争结合，由此可见P21蛋白在细胞周期不同阶段发生的DNA损伤的应对机制是不同的。

3P21与DNA损伤修复的关系

DNA损伤后p53蛋白水平会明显的升高，启动下游的细胞修复机制，如P21蛋白的表达会上调，使细胞周期停滞于G1期，对损伤的DNA进行修复，如果修复成功，则细胞周期进入s期，失败了则启动Bax基因使损伤细胞进入细胞程序性死亡，即凋亡的阶段。但是在p53依赖的途径中，P21WAF1/CIP1基因只是间接的参与了DNA修复的步骤，在细胞凋亡的过程中则是非必需的因素，Myc基因可以在细胞凋亡的过程中选择性的调节P21蛋白表达，以有利于p53基因介导的细胞凋亡，而在非p53依赖的途径中，P21参与DNA损伤的修复机制尚有待于进一步研究。P21蛋白可以通过与PCNA的结合调节细胞DNA的复制，PCNA也参与了DNA损伤的修复，但是在DNA修复过程中PCNA却不受这种抑制作用的影响[5]，一般来说P21与PCNA的相互作用更有利于DNA复制和损伤修复机制在细胞周期中保持一种平衡。

4P21基因多态性与肿瘤发生的关系

基因的多态性目前已经成为了肿瘤研究的热点，P21WAF1/CIP1在恶性肿瘤中极少恶变[6]，目前报道的P21基因多态性主要有两种：一是第二外显子第31密码子（p21c31）的多态性，核苷酸出现C向A的转变[7]，另一是在外显子3的非翻译区第20碱基对，核苷酸出现C向T的转变，可能与mRNA的稳定性有关，其他发现的一些基因中非翻译区还与细胞的增殖、抑制肿瘤的生长以及转移有关。目前还有报道了第三个多态性的位点位于第2内含子下游16个碱基对处C向G的多态，可能影响mRNA的剪切和拼接。

每一种的基因多态性都被认为可以改变P21的功能，其中的高风险基因型被认为与肺癌、乳腺癌的发生有关[8]。在很多的对P21WAF1/CIP1基因多态性的研究中几乎都有31位密码子多态性的报道，其中包括最常见的肺癌、乳腺癌、卵巢癌、子宫内膜癌和子宫颈癌等[9-10]，目前为止31位密码子在P21WAF1/CIP1基因中的多态性表现为丝氨酸到精氨酸的改变，31位密码子在CDK结合区的下游，位于高度保守区内。Lukas等检测了53例侵润性乳腺癌的P21WAF1/CIP1基因多态性，并与20位正常的血液DNA进行对照，显示病例组和对照组的P21WAF1/CIP1基因多态性无明显差异，P21蛋白的表达在病例组增多，说明P21蛋白的表达与乳腺癌有关，而P21WAF1/CIP1基因的多态性与乳腺癌的易感性无关。综合目前研究表明P21WAF1/CIP1是一种高度保守基因，仅有少数几种的基因多态性存在。

5P21WAF1/CIP1蛋白表达的意义

多数的研究显示P21WAF1/CIP1基因的表达与肿瘤的发生、发展有关，可能成为评估肿瘤恶性行为指标以及具有预后价值。在对289例肠腺瘤与370例肠腺癌的研究中显示，肠腺癌P21蛋白表达阳性率27％，明显高于肠腺瘤的18％，而且P21蛋白的表达与肠腺癌临床分期、肿瘤浸润深度以及有无淋巴结转移有关。Tsuyoshi等对230例非小细胞肺癌P21蛋白表达的研究发现其阳性率51.5％，从5年生存率来说，P21蛋白阳性表达者高于阴性表达者，说明P21蛋白的表达具有保护作用，与预后有关。

但是有学者也提出了不同的看法，Lukas等在P21WAF1/CIP1基因多态性的研究中发现P21的表达与不同类型肿瘤而异，发现乳腺导管原位癌P21阳性高于周围间质，而卵巢癌间质P21的表达则高于癌组织，还有研究表明结肠癌P21的表达与临床病理特征无关，可见P21在不同肿瘤组织中的表达不恒定，还有待于进一步研究。

6展望

P21WAF1/CIP1蛋白是目前已知的最广泛表达的CKIs，随着对抑癌基因和细胞周期作用机制研究的不断深入，人们对P21WAF1/CIP1基因的认识不断加深，对于其在细胞周期中的重要作用有了更深入的认识，今后它能否成为恶性肿瘤治疗的靶点和预后指标正引起人们的广泛兴趣，这也是进一步研究的重点和难点。

参考文献

[1]HarperJW，AdamiGR，WeiN，etal.Thep21Cdk-interactingproteinCip1isapotentinhibitorofG1cyclin-dependentkinases[J].Cell,1993,75：805-816.

[2]EI-DeryWS，TokinoY，VelculescuVE，etal.WAF1，apotentialmediatorofp53tumorsuppression[J].Cell,1993,75：817-825.

[3]HarperJW，etal.MolBiol,Cell,1995,6：387.

[4]ChinYE,KitagawaM,SuWS,etal,Cellgrowtharrestandinductionofcyclin-dependentkinaseinhibitorP21meSTAT-1.Science，1996,272：719-722.

[5]LIR,etal.Nature,1994,37：534.

[6]ShioharaM,EI-DeiryWS,WadaM,etal.AbsenceofWAF1mutationsinavarietyofhumanmalignancies.Blood,1994,84：3781-3784.

[7]FacherEA,BecichMJ,etal.Associationbetweenhumancancerandtwopolymorphismsoccurringtogetherinthep21cyclin-dependentkinaseinhibitorgene[J].Cancer,1997,79：2424-2429.

[8]MoussesS,OzcelikH,LeePD,etal.TwovariantsoftheCIP1/WAF1geneoccurtogetherandareassociatedwithhumancancer.HumMolGenet,1995，4：1089-1092.

[9]ShiY,ZouM,FaridNR,etal.Evidenceofgenedeletionofp21,acyclin-dependentproteinkinaseinhibitor,inthyroidcarcinomas[J].BrJCancer,1996，74：1336-1341.

[10]BalbinM,HannonGJ,PendasAM,etal.Functionanalysisofap21/SDⅡmutantidentifiedinahumanbreastcarcinoma[J].JBiolChem,1996，271：15782-15786.