趙元莘，翟巖輝 綜述，師粒晶，李子義 審校

1.吉林大學(xué)白求恩第一醫(yī)院器官再生與移植教育部重點實驗室，吉林 長春 130021；2.吉林大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130062

Ets 轉(zhuǎn)錄因子ELK1 是在HeLa 細胞中發(fā)現(xiàn)的Ets轉(zhuǎn)錄因子家族中三元復(fù)合物（ternary complex factor，TCF）亞家族成員之一。最初認為，ELK1是血清反應(yīng)元件（serum response element，SRE）的激活基因，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，ELK1 是MEK／ERK 信號的執(zhí)行者，在細胞的多種生物功能（如有絲分裂）中發(fā)揮重要作用，也是維持腫瘤細胞增殖和遷移的重要基因之一。另外，ELK1 在神經(jīng)細胞功能中也具有重要作用。本文就ELK1 的主要結(jié)構(gòu)及基本生物學(xué)特性、ELK1 在腫瘤細胞、干細胞和神經(jīng)細胞中的功能及其作用機制的研究進展作一綜述，以期為后續(xù)相關(guān)研究提供新思路。

1 ELK1的主要結(jié)構(gòu)及基本生物學(xué)特性

ELK1 屬于Ets 轉(zhuǎn)錄因子家族，其特征是包含1個保守的Ets 結(jié)構(gòu)域［1-2］，見圖1。ELK1 相對分子質(zhì)量約62 000，含有4 個結(jié)構(gòu)域（A～D）［3］，結(jié)構(gòu)域A 是位于N-末端的Ets結(jié)構(gòu)域，其既可激活轉(zhuǎn)錄也具有抑制轉(zhuǎn)錄的作用；結(jié)構(gòu)域B 是將ELK1 與血清反應(yīng)因子（serum response factor，SRF）連接起來的蛋白結(jié)合域［4］；結(jié)構(gòu)域C 包含多個S／TP 基序，可作為絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）的磷酸化位點發(fā)揮激活轉(zhuǎn)錄的作用［5］；結(jié)構(gòu)域D 則是MAPK的結(jié)合位點［6］。ELK1結(jié)構(gòu)域B與SRF的相互作用可增強與SRE的結(jié)合活性，其3個芳香族殘基Tyr-153、Tyr-159、Phe-162 是SRF 結(jié)合的關(guān)鍵［7］，若結(jié)構(gòu)域B缺失，ELK1則無法被招募至SRE上［8］。ELK1與SRE特異性結(jié)合的關(guān)鍵是SRE螺旋末端的Asp-69可特異性識別結(jié)合位點GGAA／T 核心中的T 殘基［9］。TCF的形成可通過多種方式調(diào)節(jié)，如磷酸化ELK1可刺激TCF 的形成［10-11］；與螺旋-環(huán)-螺旋蛋白的Id 亞家族相互作用則既可抑制TCF 的形成，又可抑制ELK1 與DNA的自主結(jié)合［12］。

圖1 ELK1的分子結(jié)構(gòu)域Fig.1 Molecular domain of ELK1

ELK1 是MAPK 的直接靶點，在MAPK 通路中，ELK1 受ERK 和JNK 兩條通路的調(diào)控［13-15］。ERK 介導(dǎo)ELK1 磷酸化，增強了ELK1 與DNA 的結(jié)合能力及其激活轉(zhuǎn)錄的活性。ELK1的D結(jié)構(gòu)域和FxF基序形成2 段對接結(jié)構(gòu)，使其被ERK 和JNK MAPK 特異性磷酸化，F(xiàn)xF基序還可引發(fā)ELK1中功能最重要因子Ser-383 殘基的優(yōu)先磷酸化。MEK 磷酸化ELK1 C 段調(diào)節(jié)域，引發(fā)一系列關(guān)鍵事件，使ELK1的二、三級結(jié)構(gòu)均發(fā)生改變［16］，該構(gòu)象改變引起了ELK1 與DNA 結(jié)合活性的增強及TCF 的轉(zhuǎn)錄活性增強。由MEK 介導(dǎo)的ELK1 磷酸化可調(diào)節(jié)其與mSin3A-HDAC 共抑制復(fù)合物之間的相互作用，該復(fù)合物在生長因子刺激后被招募至ELK1靶基因的啟動子上，并將其關(guān)閉［17］。ELK1 不但有轉(zhuǎn)錄激活作用還有轉(zhuǎn)錄抑制作用，ELK1 包含2 個轉(zhuǎn)錄抑制結(jié)構(gòu)，一個是Ets 結(jié)構(gòu)域，可招募mSin3A-HDAC 復(fù)合物用于在ELK1 誘導(dǎo)激活后關(guān)閉靶基因；另一個抑制結(jié)構(gòu)是R 基序，其可抑制C-末端的轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域（transcription activation domain，TAD）活性。ELK1的轉(zhuǎn)錄活性可通過與不同的分子結(jié)合而發(fā)揮不同作用，如在人胚胎干細胞中，ELK1 可激活代謝、細胞周期、翻譯等相關(guān)基因，抑制分化相關(guān)基因，從而維持干細胞狀態(tài)［18］。ERK 通路下游的ELK1 作為該信號的執(zhí)行者在腫瘤及干細胞中發(fā)揮重要作用，對細胞維持增殖和抑制細胞凋亡也至關(guān)重要。ELK1 在干細胞尤其是神經(jīng)干細胞的產(chǎn)生中同樣發(fā)揮至關(guān)重要的作用，其在多種腫瘤中呈高表達，因此，ELK1 也成為研究腫瘤發(fā)生發(fā)展及治療的方向之一。另外，磷酸化的ELK1也參與了神經(jīng)細胞執(zhí)行功能。

2 ELK1在腫瘤細胞中的作用

在多種腫瘤細胞中，ELK1 呈高表達和過度激活狀態(tài)，如胃癌、尿路上皮癌、肝癌、宮頸癌和子宮內(nèi)膜癌及結(jié)直腸癌等［19-23］。因此，ELK1 在腫瘤細胞中的功能成為研究熱點。在結(jié)直腸癌相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)，ELK1 可促進腸癌細胞的黏附、遷移和侵襲，通過c-kit-ERK1／2 通路激活的ELK1 還可促進癌胚抗原的表達［23］；在宮頸癌中，ELK1 也呈高表達，且可增強腫瘤細胞的增殖和侵襲，抑制凋亡和自噬；miR-326 可靶向ELK1 抑制細胞增殖遷移的能力，從而抑制細胞周期，并促進宮頸癌細胞凋亡［24-25］；在胰腺癌研究中發(fā)現(xiàn)，ELK1 可通過豆蛋白促進胰腺癌的發(fā)展及導(dǎo)致預(yù)后不良，ELK1 敲除可抑制腫瘤細胞增殖、侵襲和存活［26］；在胃癌研究中發(fā)現(xiàn)，ELK1可通過CCL7-CCR1途徑介導(dǎo)SRY-box轉(zhuǎn)錄因子18（SRY-box transcription factor 18，SOX18）增強腫瘤細胞的侵襲和轉(zhuǎn)移［27］；ELK1 在非小細胞肺癌中表達量升高，且在KRAS 驅(qū)動的肺癌發(fā)生中發(fā)揮作用［28］；在依賴雄激素受體的前列腺癌細胞中，ELK1 對于其生長和存活是必須的［26］。由此可見，ELK1 在多種腫瘤細胞的侵襲、增殖、遷移和抗凋亡中發(fā)揮重要作用。

ELK1 參與有絲分裂和壓力信號與c-fos、ERG-1和NUR77 等即刻早期（immediate early，IE）基因之間的介導(dǎo)，ELK1 在TCF 響應(yīng)有絲分裂信號促進細胞進入細胞周期及增殖時，以抑制基因表達的構(gòu)相發(fā)揮作用［29］。ELK1 的靶基因包括大量與遷移相關(guān)和肌動蛋白細胞骨架相關(guān)蛋白（PTGS2、CTGF、HIF1A、ACTB、CDH3、PFN1、LIMA1、IQGAP1、ACTN1）基 因［30］，ELK1 還對參與細胞外基質(zhì)蛋白水解蛋白的表達水平有調(diào)節(jié)作用，包括纖溶酶原激活物抑制物-1、金屬蛋白酶-2 和金屬蛋白酶-9，這些基因及蛋白在腫瘤的發(fā)展和遷移中起重要作用。

3 ELK1在干細胞中的作用

在早期胚胎和多能干細胞中，需要成纖維細胞生長因子2（fibroblast growth factor 2，F(xiàn)GF2）通過ERK通路介導(dǎo)信號來維持多能性［31］，而ELK1 是MAPK／ERK 通路的直接下游基因，經(jīng)ERK 磷酸化后轉(zhuǎn)化為激活狀態(tài)，從而發(fā)揮將ERK 通路信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)錄譜的作用。另有研究發(fā)現(xiàn)，在人胚胎干細胞中，ERK 與ELK1 的染色質(zhì)結(jié)合高度重疊且位置處于活躍的染色質(zhì)區(qū)域，與ELK1的轉(zhuǎn)錄激活功能一致［18］；而ELK1的另一組結(jié)合位點與多疏抑制復(fù)合物（polycomb repressive complexes，PRC）共同占據(jù)，起到抑制轉(zhuǎn)錄的作用。研究發(fā)現(xiàn)，ELK1是通過招募SIN3轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子家族成員A（SIN3 transcription regulator family member A，SIN3A）響應(yīng)生長因子信號及招募小泛素樣修飾（small ubiquitin like modification，SUMO）修飾后的組蛋白去乙酰化酶2（histone deacetylase 2，HDAC2）發(fā)揮轉(zhuǎn)錄抑制作用。SIN3A 抑制是ELK1 被磷酸化激活后的關(guān)閉信號，而HDAC2 則是在生長因子刺激前維持ELK1的抑制狀態(tài)。ELK1還可通過與心肌素和其他MRTF 家族競爭SRF 的結(jié)合位點而發(fā)揮抑制作用，如在骨髓間充質(zhì)干細胞中，血小板衍生生長因子（platelet derived growth factor，PDGF）通過ERK 途徑激活ELK1，取代與SRF 結(jié)合的心肌素從而達到抑制分化和促進增殖的作用［32-33］。ELK1 也可通過與其他TS家族成員競爭DNA位點從而發(fā)揮抑制作用［34］。

在造血干細胞的研究中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GFR-1 激活的ELK1 可調(diào)控細胞周期蛋白cycilnD1 的表達，促進造血干細胞增殖［35］；抑制重組膜聯(lián)蛋白A1（recombinant annexin A1，rAnxA1）誘導(dǎo)的ERK1／2 和ELK1 磷酸化則會促進造血干細胞的分化［36］。在骨髓間充質(zhì)干細胞中，上調(diào)Park7 可增加ERK1／2-ELK1 通路基因的表達量，從而提高抗氧化應(yīng)激能力和存活率［37］。研究表明，淫羊藿苷可通過MEK／ERK 通路刺激ELK1 增強骨髓間充質(zhì)干細胞增殖能力［38］；另一方面，C-X-C基序趨化因子受體2（C-X-C motif chemokine receptor 2，CXCR2）也可通過p38／ERK-ELK1 通路控制骨髓間充質(zhì)干細胞的成脂分化［39］。ELK1 還與神經(jīng)干細胞發(fā)育有關(guān)［40］，也是藥物誘導(dǎo)神經(jīng)干細胞中的一個重要激活通路［41］。ELK1 也與牙髓干細胞的增殖分化相關(guān)［42］；缺氧刺激導(dǎo)致的ERK 磷酸化，也可經(jīng)ELK1增強脂肪干細胞的增殖和遷移［43］。

上述結(jié)果表明，ELK1 在干細胞中的主要作用是促進增殖的同時抑制分化干細胞維持多能性。在多種干細胞中，不同的刺激均可通過激活ERK／ELK1通路的方式刺激細胞的增殖和遷移，抑制ELK1則會促進干細胞的分化。

4 ELK1在神經(jīng)細胞中的作用

ELK1 還在哺乳動物神經(jīng)細胞中具有重要作用。ELK1 在人和嚙齒類動物的腦中呈高表達，且多數(shù)情況下集中于神經(jīng)細胞而非膠質(zhì)細胞［44-45］。雖然在非神經(jīng)細胞中ELK1只在細胞核中表達，但在成熟神經(jīng)細胞中，ELK1還在細胞質(zhì)和神經(jīng)元室中表達［46］。神經(jīng)細胞中存在一種特異性ELK1 亞型，稱為SELK1，其在ELK1 基礎(chǔ)上缺失了54 個氨基酸，可阻止ELK1介導(dǎo)SRE 激活，從而促進神經(jīng)細胞分化［47］。ELK1在核外表達的功能之一是與線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔（mitochondrial permeability transition pore，mPTP）相互作用，從而促進細胞凋亡［48］。

神經(jīng)細胞中ERK 可被神經(jīng)遞質(zhì)、神經(jīng)調(diào)節(jié)劑和神經(jīng)營養(yǎng)因子激活，該通路可能與學(xué)習(xí)和記憶有關(guān)［49］。電刺激皮質(zhì)紋路通路時，注射可卡因的神經(jīng)細胞中出現(xiàn)了被ERK 磷酸化的ELK1［50］，使ELK1 在胞質(zhì)位移至細胞核［51］。長期阻斷ELK1 磷酸化時，SRF 和肌動蛋白的表達均被抑制，并出現(xiàn)生長錐缺陷［52］。ELK1是ERK、JNK 和P38 MAPK 的靶基因，均參與神經(jīng)元的塑形。研究表明，ERK和ELK1的磷酸化與神經(jīng)元的長時程增長（long-term potentiation，LTP）和可塑性密切相關(guān)［53-54］。ELK1 還參與了學(xué)習(xí)功能，味覺學(xué)習(xí)誘導(dǎo)了島葉皮質(zhì)中ERK、JNK 和ELK1 的磷酸化，通過MEK 抑制劑消除ELK1 的磷酸化會對該學(xué)習(xí)過程造成損害［55］。后續(xù)研究表明，在味覺學(xué)習(xí)中，ERK／ELK1 的磷酸化有助于獲得長期味覺記憶，在視覺學(xué)習(xí)中也有類似效果［56］?；乇軐W(xué)習(xí)同樣與海馬區(qū)ELK1 和ERK 的磷酸化相關(guān)［57］，雖然有研究發(fā)現(xiàn)，SRF 的阻斷可以干擾長期空間記憶，但目前尚無法證明ELK1與長期記憶的直接相關(guān)性［58］。

ERK 通路是成癮性的關(guān)鍵［55］，藥物成癮的共同特征是紋狀體和延伸的杏仁核中ERK 的短暫激活［59］。尼古丁、△9-THC（大麻活性分子）、嗎啡和苯丙胺均以多巴胺依賴的方式激活ERK，沉默ELK1和cAMP 反應(yīng)元件結(jié)合蛋白1（cAMP responsive element binding protein 1，CREB）會降低細胞對戒斷信號和慢性阿片類藥物的反應(yīng)［60］。ELK1 的磷酸化在神經(jīng)細胞中具有重要作用，而ELK1 的異常磷酸化調(diào)控同樣與多種中樞神經(jīng)疾病密切相關(guān)，如阿爾茲海默癥、亨廷頓病、共核蛋白病、唐氏綜合征及抑郁癥［61-65］。

5 小結(jié)

ELK1 作為MAPK／ERK 信號通路的直接下游轉(zhuǎn)錄因子，在細胞中承擔(dān)著將ERK 信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)錄譜的變化，進而控制細胞的有絲分裂等功能。ELK1在與不同的蛋白組合時可發(fā)揮抑制基因表達的作用，一方面是關(guān)閉被ELK1 激活的基因，另一方面抑制分化及凋亡相關(guān)基因，并激活與細胞周期、蛋白合成等相關(guān)的基因，共同起到維持干細胞狀態(tài)的功能。作為響應(yīng)MAPK 的轉(zhuǎn)錄因子，ELK1 過量表達會導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生，ELK1 的過量高表達可促進增殖和遷移的同時抑制分化。ELK1 的沉默會顯著降低腫瘤細胞的增殖和遷移，這也是通過關(guān)閉ERK通路達到的。由此證明，雖然ELK1 對干細胞的維持至關(guān)重要，但過量表達會導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生。在神經(jīng)細胞中，ELK1除了具有在核中表達，發(fā)揮促進細胞發(fā)育的功能外，還在胞質(zhì)中表達，接受外界刺激，通過ERK 被磷酸化，在神經(jīng)細胞的可塑性、長期記憶、學(xué)習(xí)和成癮性中發(fā)揮作用。另外，ELK1 還參與了許多中樞神經(jīng)疾病的發(fā)生。

綜上所述，ELK1參與了大量ERK通路介導(dǎo)的生物學(xué)事件，與其他Ets 家族轉(zhuǎn)錄因子不同，其同時具有激活和抑制基因表達的功能，起到促進增殖和遷移，抑制凋亡和分化的作用，在神經(jīng)細胞功能中也具有重要作用。