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【摘要】 P21活化的蛋白激酶（p21-activated kinase），简称paks，自20世纪90年代中期被人们发现以后，逐渐进入各国细胞生物学、基础医学、临床医学学者的研究视线，尤其是近年来关于pak的报道大幅增加，其中Ⅰ类pak，包括pak1、pak 2 和pak 3,因其参与一系列的细胞内生物学活动，而被较为广泛地研究和报道。笔者在研读近年来相关文献的基础上发现，现今对于pak1的研究已较为深入，而对于pak2及pak3的研究则相对较少。故本文主要针对pak2和pak3的生物学特性及研究进展进行系统概述，如在激活机制，细胞骨架动力学，细胞机动性，细胞凋亡，信号转导，以及神经系统相关疾病，肿瘤发生及转移，遗传性疾病等诸多方面的生物学效应及相关研究情况予以综述
【关键词】 pak2；pak3；Rho GTPase；生物学特性
1 Ⅰ类pak概述
paks(p21-activated protein kinases，paks)属丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，是Rho家族中GTP酶的重要效应物。GTP酶（主要是Rac/Cdc42）通过与多种效应物的作用而行使其下游生物学功能，pak是其中最重要的靶效应物。目前文献报道Rac/Cdc42可激活paks的理论已被基本证实。pak1～3是具有高度，严格序列同源性的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，称为Ⅰ类pak，它们都具有一个作为调节/粘附区域的N端，以及一个进化上高度保守的，具有催化功能的C端结构域，而pak1～3的催化区域被证明具有80%～90%的同源性。pak的N端粘附区域与GTP酶（Rac/Cdc42）作用，故又称GTP结合域（P21-binding domain），简称PBD。pak1～3与Rac及Cdc42结合，致使其自身构象转变，启动自身磷酸化过程，解除pak酶活性的抑制机制，继而使酶得以激活。
pak1～3在结构上极为相似，但却具有较明显的组织分布差异：pak1在脑、肌肉和脾脏中表达较高，pak2则在各组织器官中广泛表达，pak3在生理状况下仅仅在脑组织中有所表达。正是依据它们具有的结构相似性我们将其划分为Ⅰ类pak。近年来，pak4～6亦被发现，而且它们已被归为Ⅱ类pak。虽然也被称为pak，但Ⅱ类pak在结构、生物学特性及调节功能上与Ⅰ类pak有较大分别。这里我们概述的重点是归属于Ⅰ类pak的成员pak2和pak3的生物学结构，特点以及调节功能。
2 结构特点
pak1～3之间存在着高度且严格的序列同源性，它们均含有作为调节/粘附区域的N末端，以及一个进化上高度保守的催化区域C端（见图1）。根据Zahara M.Jaffer等人的报道，GTP酶结合位点区域（PBD）通常可以在每个蛋白的N端找到，并且对于pak1～3来说，至少有88%的PBD区域是一致的。而处在C端的激酶功能/催化区域，三者之间则有大约93%的一致性。这与Ⅱ类pak在结构上存在相对较大的差异［1，2］。
图1 两类pak结构比较
引自参考文献2
现今国内外的研究已经证明，Ⅰ类pak的结构特点是在其N端存在有脯氨酸富集区（proline-rich motifs）［3］。另外，pak1～3在PBD的N末端含有一种SH3结合位点，它负责和接头蛋白Nck结合，在PBD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。Ⅱ类pak则无此种SH3结合位点。Ⅰ类pak的结构使其可以很好的与Rac/Cdc42结合，并得以激活［3，4］。
G.M.Bokoch等研究报道，pak1～3的脯氨酸富集区位于N端与激酶功能区域（C端）之间，是Pix/Cool SH3的结合区，与PBD共同决定着结合全过程的亲和作用。而Rac/Cdc42则最小限度地结合在被称为CRIB（for Rac and Cdc42 interactive binding）的区域内［3～5］。
而在pak1～3中对其活性起调控作用的是其自我抑制区（83aa～149aa）［2，3，5］。
3 pak2,pak3的生物学特性及效应
3.1 活化机制 pak2及pak3属于Ⅰ类pak范畴，其主要活化机制是通过与具有活性的GTP酶（Rac/Cdc42）结合后,产生一系列的构象变化，使其活性抑制区域的折叠结构遭到破坏而打开，继而pak在相应的苏氨酸位点发生自身磷酸化（研究表明pak1为Thr432，pak2,pak3则在其活性环上），随后GTP酶将从pak上解离，使激酶活性域向催化状态转化，致使pak酶活化［1，3］。
pak2在凋亡过程中的激活：伴随对细胞凋亡研究的不断深入，pak2被发现可以作为caspase酶的效应底物而在凋亡的过程中被激活。目前的发现是pak2可以被caspase裂解从而显示出催化活性，而具体的内在机制尚不明确。还有文献报道pak2可在许多外界刺激条件下，如放射线或化学诱导DNA损坏，鞘氨醇存在，血清匮乏等条件下被激活，特别是在高渗透压的条件下。pak2表现了明显的细胞稳定性［6］。
HIV-1 Nef诱导的pak2活化：HIV-1Nef蛋白具有不依赖蛋白激酶A而使抑癌因子Merlin发生自身磷酸化的生物学效应。Merlin可作为pak2的底物，在Rac信号转导通路中发挥信号分子的作用。Nef可以通过诱导Merlin磷酸化活化而为pak2在HIV感染及其病理过程中的活化创造可能条件，进一步诱导pak2的活化［7］。
pak2及pak3还可在不同情况下与多种生物分子作用而产生不同的生物学效应，根据文献总结，表1列出了可与pak2及pak3作用的生物分子及功能类别。表1 与Pak2、Pak3作用的生物分子及功能类别
3.2 pak2与pak3的多重生物学效应
3.2.1 pak2，pak3与细胞骨架动力学 大多数文献报道，pak1可能参与细胞骨架调节，并有许多证据从多方面支持了这一假设。然而对于pak2及pak3，则更多报道它们在调节细胞机动性，神经系统发生以及肿瘤转移等过程中所产生的效应。
(1)调节细胞机动性：Knaus UG等人报道，在人类中性粒细胞中pak1和pak2可由化学趋化因子N甲酸甲壳胺酸苯丙酸(Fmlp)和中性粒细胞的CXC趋化因子CXCL1强烈地激活。在转染人类微血管上皮细胞的实验中他们发现，与pak1和pak2的相互作用可使CXCL1的趋化特性受到阻断，继而减慢细胞运动，使得细胞机动性明显降低［3，4］。
(2)pak3对神经系统的影响：Clemens Hofmann等人的报道显示pak3是pak家族里唯一一个与人类遗传疾病相关的成员。pak3基因的突变与MRX综合征的发生（nonsyndromic mental retardation syndromes ,X-linked）密切相关，这是一种伴有精神发育延迟，智力发育低下，大脑发育异常的综合征［16,17］。
MRX的具体发病原因可能是这样的：pak3对于神经元轴突接头正常发育是必不可少的，由于pak3基因的突变，在MRX患者的神经系统内存在大量发育不正常的轴突接头。另外，pak3对于树突以及树突棘细胞骨架的快速构建也是尤为重要的。pak3在大脑中可能还具有促进神经元DNA合成及调节凋亡，与类淀粉样物质作用的功能。pak3还可能与阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease）有所关联，但具体机制还不明确［17］。
Meng等人的研究还发现， pak3基因敲除的小鼠存在明显的突触发育异常（可塑性不足），特别是在海马后回（主管学习记忆）存在有明显的发育不全现象［16］。
(3)肿瘤转移：由于pak在调节细胞机动性上的效应，容易推测其在肿瘤细胞运动和转移的过程中所扮演的重要角色。在Rac及Cdc42存在的条件下,大量的乳腺癌患者表现出了pak1和pak2活性的增高［3］。还有报道显示pak2可在受离子辐射的3T3-L1成纤维细胞和U937白血病细胞中被激活。此外，pak2的激活对某些条件具有剂量和时间依赖性，紫外线强度(80 J/m2)，DNA损坏类抗肿瘤药物beta-D-AraC及cis-platinum，iamine dichloride (cis-platin)均可诱导pak2活化［18］。
国内学者研究发现pak3不仅与细胞分裂相关，并且在甲状腺假瘤的组织中高表达，但正常的情况下pak3在甲状腺组织中是没有分布的，进一步研究显示，pak3对于神经内分泌系统的肿瘤具有高度的组织特异性。这项发现可能有助于神经内分泌系统肿瘤的检测与发病机制的研究［17,19］。
3.2．2 pak2与细胞凋亡
(1)pak2在细胞凋亡中的作用:现已证明pak2既是凋亡的促进因子，又是凋亡的抑制因子。pak2在凋亡中所起的作用取决于它被激活的方式和途径。在凋亡过程中caspases裂解pak2,而使pak2和JNK(Jun N-terminal )激活，继而调节凋亡过程。pak2通过蛋白水解方式活化可使得细胞形态发生变化而诱导凋亡发生［20］。据报道pak2还参与凋亡小体的形成［21］。
(2)凋亡过程中pak2的主要活化机制:许多研究指出pak2在凋亡过程中作为caspase酶（主要是caspase 3）的底物出现，caspases 3可以在Asp212处切割pak2,形成一个28-kDa的N端片段和一个34-kDa的C端片段.后者含有完整的激酶功能域，所以pak2可以表现出活性。这个过程的发生不仅可以促进pak2活化，而且为凋亡提供了必要的形态学和生物化学改变［22］。
最新文献报道caspase8、caspase10也可特异性裂解激活pak2［23］。
3．2.3 pak2,pak3与信号转导
pak2:(1)据报道pak2(或pak1)还与TCR信号转导通路相关。现已认识到pak2是TCR诱导CD69表达的重要调节者之一［24,25］。(2)在某些生理条件下，pak2可能会特异性地磷酸化Merlin或 Raf-1，从而加入Ras/ERK/pak2通路，这是成纤维细胞生长因子诱导突起生长所必须的，但具体机制至今尚不明确［23～25］。(3)最新的研究还表明，在细胞凋亡的过程中，pak2还可以作为底物，caspase8和caspase10都能够特异地激活pak2，并以此种方式在凋亡信号转导过程中发挥特定的作用［23］。(4)在细胞转化过程中，依赖pak2的Ab1酪氨酸激酶信号转导途径中pak2的作用原理还不明确［24］。
pak3:研究指出paks与细胞外信号调节蛋白激酶(extracellular regulated proteinkinase，ERK)信号转导通路的活化(Ras-Raf-MEK-ERK)有关，因而可调控细胞增生；pak又可影响细胞骨架，对细胞的许多生理作用十分重要，但是这些功能主要是由pak1完成的。对于pak2和pak3，则协同pak1刺激p38 MAP激酶和JNK(Jun N-terminal )的活化。pak3还参与ERK活化的过程中由Ras到Raf的一段，这可能是由于pak3可以使得Raf-1上的丝氨酸（s338）磷酸化的缘故［25］。
3.3 pak2和pak3与先天性疾病及遗传病
pak2:Clemens Hofmann等人的报告显示Pak2的过度活化可能造成先天形态缺陷［26］。
近期报道还显示，pak2具有在放射线或化学诱导DNA损坏，鞘氨醇存在，血清匮乏，高渗透压等条件下被激活的特性［6,27］，这与基因翻译过程出发所需的条件类似。pak2可以竞争性地与eIF4G结合，从而抑制eIF4G与m(7)GTP的结合，使翻译过程的启动受阻，进而影响翻译过程进行［28］。
pak3:pak3是pak家族成员中唯一一个被报道与人类遗传病相关联的因子。Pak3基因的突变与MRX综合征密切相关. 最新报道显示OPHN1, PAK3, ARHGEF6, FGD1及TM4SF2基因可以编码能与Rho GTP酶相互作用的效应物蛋白，在细胞内外信号转导过程中发挥重要作用，在调控神经元轴突和树突发育方面也扮演不可或缺的角色［29］。而MRX的发病原因可能就是由于这些基因的突变所造成的。目前已在数百MRX患者中检测到了pak3基因的突变。其中以激酶死亡基因（R419Stop），GTP酶结合控制基因（R67C）以及激酶功能调控基因（A365E）的突变最为显著［17,26,29］。
近期报道还表明已经发现了一个信号转导复合体，它包括GIT1、 PIX、 Rac以及pak3,它们在调控树突棘和突触形成方面有重要的作用。另外这项研究还阐述了pak3基因突变所造成的神经系统发育不健全的可能机制［30］。
3.4 pak2，pak3与HIV
pak2与HIV：HIV附属的Nef蛋白已被证明在HIV病毒感染过程中发挥重要作用，Nef可以调控树突状细胞（DC）的功能。实验表明Nef可以通过活化的pak2而发挥作用，对DC的成熟和抗原表达产生抑制性的作用，进而在HIV早期感染阶段起到抗病毒的作用［31,33］。
pak3与HIV：Nguyen等人采用色谱技术研究了可能与HIV感染治疗相关的5000余个人类基因之后报道，pak3已经基本被确认可以作为HIV病毒的抑制剂［32,33］。
4 展望
目前国内外学者对pak家族中的pak2以及pak3的研究正在一步步深入，有关此二者的若干不明生物学效应和机制也逐渐得到人们的关注。例如pak2和pak3在调节细胞骨架动力学中效应还有待更深一步的研究和阐述。对于多种蛋白对pak活性的调节机制及作用效果的进一步研究也较为迫切。同时，作为Rho GTP酶(Rac/Cdc42)的重要效应物，pak2和pak3在包括信号转导，细胞运动，细胞死亡/凋亡等在内的多种细胞内外生物学活动中都有一定的效应，对这些问题的深入研究势必会为pak在各种生理和病理条件下所产生的作用开拓新的视野，并十分利于pak的临床应用。现已有望利用pak3表达的组织特异性作为检测神经内分泌系统肿瘤的生化指标。总之，生物科学学者应以多维的视角和前瞻性的目光对pak2、pak3以及pak家族的生物学特性，作用及其应用前途领域进行有价值的探索和研究。
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作者单位：110001 辽宁沈阳，中国医科大学七年制临床医学89期6班