β-Catenin的磷酸化修饰与其生物学意义

β-Catenin的磷酸化修饰与其生物学意义
刘奕君，吴军舟，于宇，张宏权
（北京大学基础医学院，北京100191）
5 10 15 20 25 30 35 摘要：β-Catenin 在细胞的社会性中承担了两个很关键的角色：其一是参与cadherin 介导
的细胞间的粘附作用；其二是参与Wnt 介导的细胞间信号传递，调控基因转录。

β-catenin
的翻译后修饰是其功能的一种重要的调控机制。

其中β-catenin 的磷酸化修饰可以调节β
-catenin 自身的稳定性，并且改变其在细胞内的定位，从而实现对其自身功能的调控。

异
常的β-catenin 磷酸化修饰将导致β-catenin 生物学功能失常，可能与癌症、肥胖、糖尿
病等多种疾病的发生有密切联系。

关于β-catenin 磷酸化修饰在不同生物学过程中的作用
和意义已经成为当今研究的热点。

关键词：分子生物学；β-catenin；磷酸化修饰；蛋白质稳定性；转录调控
中图分类号：R34
Phosphorylation of β-catenin and its biological function LIU Yijun, WU Junzhou, YU Yu, ZHANG Hongquan
(School of Basic Medical Sciences, Peking University, Beijing 100191)
Abstract:β-Catenin plays a major role in the regulation of cell adhesion and gene transcription.
β-catenin is not only as a component of cell-cell adhesion complexes, but also as a key effector of canonical Wnt signalling. Post-translational modification is an important regulation mechanism of
β-catenin. Phosphorylated state of β-catenin is significant for enhancing its own stability and inducing cellular translocation. Abnormal phosphorylation of β-catenin shows strong correlations with cancer, obesity and diabetes. It has attracted much attention to investigate the roles and significances of β-catenin phosphorylation in different biological process.
Key words:Molecular biology; β-catenin; phosphorylation; protein stability; transcription regualtion
0引言
Wnt/β-catenin 通路作为生物进化过程中高度保守的一条信号通路，参与调控细胞增殖、存活以及命运决定，在胚胎发育中有着很重要的作用，其异常激活也和许多疾病，如恶性肿
瘤的发生发展密切相关。

该通路主要通过调节β-catenin 在细胞内的水平来实现对靶基因转
录活性的调控，因而β-catenin 也自然成为了人们关注的焦点。

β-catenin 是在上世纪80 年代末被两个研究团队先后发现的。

Ozawa 等分离出了β
-catenin 和另外两种蛋白，他们发现这三种分子与E-cadherin 结合，介导E-cadherin 与细胞骨架的连接，故将其命名为连环素（catenin）[1]。

Wieschaus 等通过对果蝇的研究发现了β
-catenin 参与信号传导的潜能，他们发现β-catenin 的同源类似物Armadillo 突变对果蝇胚胎
的体节发育所产生的影响类似于wingless基因缺陷的突变体[2]。

随后，Riggleman 等证实Armadillo 对体节发育的调节作用受到Wingless 的调控[3]，Wnt/β-catenin 通路开始逐渐被人们认识。

因此，β-catenin 在细胞内具有双重作用，不仅是Wnt/β-catenin 通路的效应分子，
它还参与了cadherin 介导的细胞间的粘附作用。

基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（20110001120024，20100001110046）；国家自然科学基金（81101495）
作者简介：刘奕君（1992-），女，本科生，主要研究方向：蛋白质翻译后修饰
通信联系人：于宇（1980-），女，副教授，主要研究方向：肿瘤侵袭转移的机制研究.
40 45 50 55
60 65 70
β-catenin 有结合态和游离态两种形式，前者与不同的蛋白质相互作用，定位于相应的
亚细胞结构中；后者作为一个缓冲池，其稳定性对于细胞的正常生理功能有着举足轻重的作
用。

众多信号通路通过对β-catenin 进行翻译后修饰，改变该蛋白与其它分子的结合状态,
实现对β-catenin 细胞定位与功能的调控。

其中，对β-catenin 的磷酸化修饰是最主要的一种
调节方式。

本文拟对β-catenin 的磷酸化修饰作一综述，希望对进一步认识和理解β-catenin
分子有所裨益。

1 β-catenin蛋白的结构与功能
β-catenin 蛋白由氨基端、羧基端以及12 个arm 基序（R1-R12）所组成的中间区域构
成，共含781 个氨基酸，包括42 个丝氨酸（Ser）、48 个苏氨酸（Thr）、17 个酪氨酸（Tyr）以及26 个赖氨酸（Lys）（图1）。

其氨基端富含丝/苏氨酸残基，这些残基经过某些特定的
激酶casein kinase 1α（CK1α）和glycogen synthase kinase-3（GSK-3β）磷酸化后可使β
-catenin 的赖氨酸残基被泛素化，进而被蛋白酶体降解。

羧基端约含100 个氨基酸，有活化
相应靶基因转录的功能。

中间区域为12 个重复的arm 基序，是β-catenin 发挥其功能的核心
区域。

每个arm 基序由42 个氨基酸组成，形成 3 个α螺旋，多个α螺旋进一步排列形成一
个超螺旋，多数正电荷位于由超螺旋形成的浅沟中，为许多带负电荷的蛋白提供了结合位点。

β-catenin 通过其中间区域与E-cadherin、α-catenin、Axin/APC 降解复合体以及T cell factor (TCF)/Lymphoid enhancer factor-1 (LEF-1)转录因子等蛋白结合，发挥其细胞粘附与传导细胞
间信号的功能。

图 1 β-catenin 结构示意图
Fig.1 The structure of β-catenin
β-catenin 可分布于细胞膜、细胞质与细胞核中，与不同的分子相互作用，发挥相应的
功能。

在细胞膜处，β-catenin 参与粘合连接的形成；在细胞核内，β-catenin 通过与其他转
录因子的结合，调控Wnt 信号靶基因的表达；而在细胞质中，β-catenin 可被Axin/APC 降
解复合体磷酸化，随后经泛素-蛋白酶体途径被降解。

当细胞受到Wnt 信号刺激时，降解复
合体被破坏，细胞内的β-catenin 稳定性增加，继而进入细胞核内参与对靶基因转录的调控。

其他分子对β-catenin 的稳定性、细胞定位以及相应功能的调控主要通过蛋白质的翻译后修
饰得以实现，这些翻译后修饰有的发生于β-catenin 分子，有的则针对与之结合的分子。

β
-catenin 与cadherin、α-catenin 的结合状态受到磷酸化修饰的调控，细胞质内游离的β-catenin
被磷酸化、泛素化后可进一步被降解，β-catenin 由细胞质转移至细胞核的过程也受到磷酸
化修饰的控制，而在进入细胞核后，β-catenin 的磷酸化与乙酰化可对靶基因的转录产生影
响。

2 β-catenin的磷酸化修饰
目前研究发现，β-catenin 有20 个位点可以被磷酸化修饰，其中丝氨酸10 个、苏氨酸
4 个、酪氨酸6 个。

在细胞膜的粘附连接处，β-catenin 与cadherin、α-catenin 的结合状态7
5 受到磷酸化修饰的调控，酪氨酸残基的磷酸化是最主要的途径，在多数情况下β-catenin 的
磷酸化会破坏粘附连接，但Thr112、Thr120 的磷酸化则产生相反的作用。

在细胞质内，APC/Axin 降解复合体对β-catenin 的磷酸化修饰会促进其降解，而β-catenin 某些位点的磷酸化可以阻止该过程的发生，增强其稳定性。

此外，还有一些氨基酸残基的磷酸化可以促进β-catenin 进入细胞核，并与转录因子结合（表1）。

80 表1 β-catenin 的磷酸化修饰与其生物学意义
Tab.1 Phosphorylati on of β-catenin and its biological function
2.1 2.1.1
改变β-catenin的细胞内定位
调控β-catenin与细胞膜的结合状态
经典cadherin 为单次跨膜的糖蛋白，β-catenin 与其胞质端连接，α-catenin 则连接于β
85 90 95 100 105 110 -catenin 的氨基端，α-catenin 可直接与actin 连接，也可与一些actin 结合蛋白如α-actinin,
ZO-1, vinculin 和formin 等蛋白结合。

Roura 等研究发现，c-src 可磷酸化Tyr86 和Tyr654 两个位点，虽然Tyr86 是c-src 更好的底物，但真正起到降低β-catenin 与E-cadherin 亲和力作用的是Tyr654 的磷酸化[4]。

Tyr654 位于β-catenin 的第12 个arm 基序（R12），被磷酸化后带负电荷，抑制了E-cadherin 与β
-catenin 的结合。

Tyr654 的磷酸化还会促进β-catenin 与TATA-binding protein（TBP）的相
互作用[5]。

此外，与β-catenin 在细胞膜结合的hepatocyte growth factor（HGF）受体Met 在
受到HGF 的刺激后会磷酸化Tyr654 和Tyr670，促进β-catenin 与细胞膜分离[6]。

神经轴突
导向分子Slit 对神经轴突导向、神经细胞迁移、神经细胞形态分化等多种生命活动具有调节
作用，其功能主要通过与受体Roundabout（Robo）相结合而实现[7]。

Rhee 等研究发现，当
Slit 与Robo 结合后，衔接蛋白Cables 招募与Robo 结合的酪氨酸激酶Abelson（Abl），并形成复合物直接磷酸化与N-cadherin 相结合的β-catenin 的Tyr489 位点，使得β-catenin 与
N-cadherin 的亲和力降低，抑制N-cadherin 介导的细胞粘附作用[8, 9]。

β-catenin 与α-catenin
的结合受到Tyr142 磷酸化状态的影响，该残基可被Fer、Fyn 等酪氨酸激酶修饰。

Fer、Fyn
在细胞内与p120 catenin 结合，K-ras 的表达可诱导p120 catenin 酪氨酸残基的磷酸化，增强
其与E-cadherin 的亲和力，促进Fer、Fyn 与粘合连接复合体之间的相互作用。

Fer、Fyn 进
而磷酸化β-catenin 的Tyr142，使β-catenin 与α-catenin 的亲和力降低[10]。

原癌基因产物
BCL-9 的同源类似物BCL9-2 可以促进上皮-间质变迁，增加β-catenin 依赖的转录活性。

当
Tyr142 被磷酸化后，β-catenin 与BCL9-2 的相互作用增强，β-catenin 与α-catenin 的结合
被进一步抑制[11]。

由于α-catenin 与β-catenin 氨基端的结合对Ser45 磷酸化有抑制作用，故
Tyr142 的磷酸化还可进一步促进casein kinase I(CKI)对Ser45 的磷酸化，进而促进β-catenin
的降解[12]。

蛋白激酶除了通过对酪氨酸的磷酸化调控E-cadherin-β-catenin 复合体的结合状态，丝、
苏氨酸的磷酸化也会影响粘附作用。

EGFR 受体激活Akt 后，Ser552 可被Akt 磷酸化，β
-catenin 与细胞膜的相互作用减弱[13]。

CKII 可磷酸化Thr112，促进β-catenin 与α-catenin
的结合，此外CKII 也参与了对细胞质内β-catenin 稳定性的调控[14]。

protein kinase D1（PKD1）是信号传导蛋白PKD 家族的重要成员，它可与E-cadherin 结合，还可磷酸化β-catenin 的
Thr112 和Thr120。

当Thr120 被突变后，β-catenin 与α-catenin 的结合被破坏，说明PKD1
对Thr120 的磷酸化可以维持细胞间的粘附作用[15]。

2.1.2 调控β-catenin的质-核运输及其与转录因子的结合
115 120
β-catenin 在胞浆和细胞核之间的分布是动态的，胞浆内游离β-catenin 的增多是其向细
胞核转移增多的先决条件。

β-catenin 并非通过核定位信号介导的方式进行跨膜运输，而是
直接与不同的核孔复合体成员相互作用实现质-核间运输。

进入细胞核内的β-catenin 也可再
离开细胞核，APC 即参与了此过程。

R10-R12 基序与β-catenin 核转移密切相关，当位于R12 的Tyr654 发生类似于磷酸化的突变后，β-catenin 的核转移明显增强[16]。

Wnt3a 可以通过G αq/11βγ和PI3K 激活Rac1，而c-Jun NH2-terminal kinase 2（JNK2）作为该信号通路的
下游分子，磷酸化β-catenin 的Ser191 和Ser605，促进其向细胞核转移[17]。

上文提到的c-src
除了可磷酸化Tyr86 和Tyr654 两个位点之外，还可对Tyr333 进行磷酸化，促进其与embryonic pyruvate kinase M2 (PKM2)结合，并向细胞核转移[18]。

Cdk5/p53 复合体可以对Ser191 和
Ser246 进行磷酸化，促进Pin1 直接与被磷酸化的Ser246-Pro 基序结合，由于该基序靠近APC
125 130 与β-catenin 结合的部位，故β-catenin 与APC 的相互作用被抑制，β-catenin 被转移出细胞
核的过程减弱[19]。

β-catenin 并不含有DNA 结合域，故当其进入细胞核以后，需与相关的转录因子结合
发挥对靶基因的调控。

Tyr654 的磷酸化不仅可促进β-catenin 与转录因子TBP 的结合，还可易化PKA 对Ser675 的磷酸化过程，Ser675 的磷酸化可促进β-catenin 与TCF4、TBP 等一系列转录因子的相互作用[20]。

此外，Rac1 下游的分子P21-activated kinase 1 (PAK1)也可对
Ser675 进行磷酸化[21]。

2.2 调控β-catenin的稳定性
游离态β-catenin 被降解的关键步骤是其泛素化过程，目前已明确有两种泛素化途径参
与其中。

虽然β-catenin 可不依赖于磷酸化，直接与F-Box 蛋白Ebi 结合，泛素连接酶
135 Siah-1-SIP-Skp1-Ebi 复合体作为骨架分子将泛素耦联酶UcbH5 上的泛素转移到β-catenin 上，但经典的泛素化途径是依赖于β-catenin 磷酸化的。

在未受Wnt 信号刺激的细胞中，β
-catenin 在由多种蛋白质组成的降解复合体磷酸化后，经由泛素-蛋白酶体途径被降解。

Axin-APC-GSK-3β降解复合体是β-catenin 磷酸化的主要途径，而许多其他信号通路也汇聚
于此，通过对β-catenin 磷酸化的调节来实现信息的交流。

140 2.2.1 降低β-catenin稳定性
细胞内的β-catenin 降解复合体主要由Axin、APC、APC membrane recruitment 1（Amer1，又称WTX）、CK1α、GSK-3β等构成。

Axin 是一种支架蛋白，具有多个与其他蛋白相互
作用的位点，能将APC、Amer1、CK1α、GSK-3β以及β-catenin 结合在一起。

APC 和Amer1 的主要作用是增强降解复合体与β-catenin 的亲和力[22]。

CK1α与GSK-3β发挥着蛋白激酶
145 150 155 的作用，在CK1α使β-catenin 氨基端的Ser45 磷酸化的基础上GSK-3β进一步将Thr41、
Ser37 和Ser33 磷酸化，磷酸化的Ser37 和Ser33 被β-transducin repeat–containing protein 2 （β-TrCP）识别，受泛素连接酶复合体的共价修饰，最后被26S 蛋白酶体降解[23]。

此外，Ser23 和Ser29 的磷酸化可能也与β-catenin 的降解有关，但具体机制还有待阐明[24]。

早老素（Presenilin 1，PS1）是首先在阿尔兹海默病患者中发现的一种早老蛋白，它是
参与细胞命运决定的Notch 信号通路中的重要分子。

PS1 不仅可以通过PKA-PS1-GSK-3β
复合体对β-catenin 的Ser45 进行磷酸化，促进其降解[25]，也能不依赖于GSK-3β，通过促
进β-catenin 核转移，增强转录活性[26]。

Ca2+/PKC 途径通过蛋白激酶C（protein-kinase-C，PKC）对β-catenin 的磷酸化作用下
调其稳定性。

当细胞内的Ca2+浓度升高时，蛋白激酶C（protein-kinase-C，PKC）被激活，
活化的PKC 可以直接磷酸化β-catenin 氨基端的Ser 33、Ser37 和Ser 45，促进其被β-TrCP 识别，最终被蛋白酶体降解。

由于Wnt5a 可以激发细胞内Ca2+的释放，该途径可能在Wnt5a 诱导的β-catenin 稳定性下调的过程中也发挥了一定的作用[27]。

NF-κB通路中的IκB kinase（IKK）-β能对β-catenin 的氨基端进行磷酸化，促进其被
β-TrCP 识别，进而被泛素化降解[28]。

160 2.2.2 增强β-catenin稳定性
与IKK-β不同，IKK-α可以对β-catenin 的多个区域进行磷酸化，包括与β-catenin 降解直接相关的Ser45 和Thr41，但该磷酸化修饰并不引起β-catenin 的降解，反而增加了其稳定性和转录活性，这可能是由于磷酸化导致β-catenin 的构象发生改变，使其难以被进一步泛素化[29]。

蛋白激酶CK2 是一种在细胞中广泛存且非常保守的丝/苏氨酸激酶，研究发现
165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 CK2 可以对位于R7 的Thr393 进行磷酸化，抑制β-catenin 与APC 的相互作用。

在慢性髓性白血病细胞中，Bcr-Abl 融合蛋白,可对β-catenin 的Tyr86 和Tyr654 进行磷酸化，抑制β
-catenin 与降解复合体的结合[30]。

上文提到的Ser246 的磷酸化可通过Pin-1 实现对β-catenin
与APC 相互作用的抑制，在胞浆内该过程可以抑制β-catenin 的降解[19, 31]。

3结论
本文给出了β-catenin 磷酸化修饰及其生物学意义，揭示了β-catenin 作为细胞内外信号
交流的桥梁，既参与了细胞的社会性活动——细胞连接、细胞通讯与信号转导，也影响着细
胞的基本生命活动——增殖、分化和凋亡细胞迁移等过程。

大量针对β-catenin 表达调控的
研究从分子生物学水平对β-catenin 翻译后修饰特别是磷酸化修饰进行了阐释，而β-catenin
磷酸化修饰的生物学意义对整个生命活动所产生的影响，还有待人们去进一步的探索、发现
和讲述。

[参考文献] (References)
[1] Ozawa, M., H. Baribault and R. Kemler, The cytoplasmic domain of the cell adhesion molecule uvomorulin associates with three independent proteins structurally related in different species. EMBO J, 1989. 8(6): p. 1711-7. [2] Wieschaus, E. and R. Riggleman, Autonomous requirements for the segment polarity gene armadillo during Drosophila embryogenesis. Cell, 1987. 49(2): p. 177-84.
[3] Riggleman, B., P. Schedl and E. Wieschaus, Spatial expression of the Drosophila segment polarity gene armadillo is posttranscriptionally regulated by wingless. Cell, 1990. 63(3): p. 549-60.
[4] Piedra, J., et al., Regulation of beta-catenin structure and activity by tyrosine phosphorylation. J Biol Chem, 2001. 276(23): p. 20436-43.
[5] Piedra, J., et al., Regulation of beta-catenin structure and activity by tyrosine phosphorylation. J Biol Chem, 2001. 276(23): p. 20436-43.
[6] Zeng, G., et al., Tyrosine residues 654 and 670 in beta-catenin are crucial in regulation of Met-beta-catenin interactions. Exp Cell Res, 2006. 312(18): p. 3620-30.
[7] 于奇等, 神经轴突导向分子Slit 的功能及其分子作用机制研究进展. 生理学报, 2012(02): 第220-230 页.
[8] Rhee, J., et al., Activation of the repulsive receptor Roundabout inhibits N-cadherin-mediated cell adhesion.
Nat Cell Biol, 2002. 4(10): p. 798-805.
[9] Rhee, J., et al., Cables links Robo-bound Abl kinase to N-cadherin-bound beta-catenin to mediate Slit-induced modulation of adhesion and transcription. Nat Cell Biol, 2007. 9(8): p. 883-92.
[10] Piedra, J., et al., p120 Catenin-associated Fer and Fyn tyrosine kinases regulate beta-catenin Tyr-142 phosphorylation and beta-catenin-alpha-catenin Interaction. Mol Cell Biol, 2003. 23(7): p. 2287-97.
[11] Brembeck, F.H., et al., Essential role of BCL9-2 in the switch between beta-catenin's adhesive and transcriptional functions. Genes Dev, 2004. 18(18): p. 2225-30.
[12] Bustos, V.H., et al., The first armadillo repeat is involved in the recognition and regulation of beta-catenin phosphorylation by protein kinase CK1. Proc Natl Acad Sci U S A, 2006. 103(52): p. 19725-30.
[13] Fang, D., et al., Phosphorylation of beta-catenin by AKT promotes beta-catenin transcriptional activity. J Biol Chem, 2007. 282(15): p. 11221-9.
[14] Bek, S. and R. Kemler, Protein kinase CKII regulates the interaction of beta-catenin with alpha-catenin and
its protein stability. J Cell Sci, 2002. 115(Pt 24): p. 4743-53.
[15] Du C, et al., Protein kinase D1-mediated phosphorylation and subcellular localization of beta-catenin. Cancer Res, 2009. 69(3): p. 1117-24.
[16] Sharma, M., et al., Specific armadillo repeat sequences facilitate beta-catenin nuclear transport in live cells
via direct binding to nucleoporins Nup62, Nup153, and RanBP2/Nup358. J Biol Chem, 2012. 287(2): p. 819-31. [17] Wu, X., et al., Rac1 activation controls nuclear localization of beta-catenin during canonical Wnt signaling. Cell, 2008. 133(2): p. 340-53.
[18] Yang, W., et al., Nuclear PKM2 regulates beta-catenin transactivation upon EGFR activation. Nature, 2011. 480(7375): p. 118-22.
[19] Ryo, A., et al., Pin1 regulates turnover and subcellular localization of beta-catenin by inhibiting its interaction
215 220 225 230 235 with APC. Nat Cell Biol, 2001. 3(9): p. 793-801.
[20] van Veelen, W., et al., beta-catenin tyrosine 654 phosphorylation increases Wnt signalling and intestinal tumorigenesis. Gut, 2011. 60(9): p. 1204-12.
[21] Zhu, G., et al., A Rac1/PAK1 cascade controls beta-catenin activation in colon cancer cells. Oncogene, 2012. 31(8): p. 1001-12.
[22] Tanneberger, K., et al., Structural and functional characterization of the Wnt inhibitor APC membrane recruitment 1 (Amer1). J Biol Chem, 2011. 286(22): p. 19204-14.
[23] Liu, C., et al., Control of beta-catenin phosphorylation/degradation by a dual-kinase mechanism. Cell, 2002. 108(6): p. 837-47.
[24] van Noort, M., M. van de Wetering and H. Clevers, Identification of two novel regulated serines in the N terminus of beta-catenin. Exp Cell Res, 2002. 276(2): p. 264-72.
[25] Kang, D.E., et al., Presenilin couples the paired phosphorylation of beta-catenin independent of axin: implications for beta-catenin activation in tumorigenesis. Cell, 2002. 110(6): p. 751-62.
[26] Palacino, J.J., et al., Presenilin 1 regulates beta-catenin-mediated transcription in a glycogen synthase
kinase-3-independent fashion. J Biol Chem, 2001. 276(42): p. 38563-9.
[27] Gwak, J., et al., Protein-kinase-C-mediated beta-catenin phosphorylation negatively regulates the
Wnt/beta-catenin pathway. J Cell Sci, 2006. 119(Pt 22): p. 4702-9.
[28] Lamberti, C., et al., Regulation of beta-catenin function by the IkappaB kinases. J Biol Chem, 2001. 276(45): p. 42276-86.
[29] Provost, E., et al., Functional correlates of mutations in beta-catenin exon 3 phosphorylation sites. J Biol Chem, 2003. 278(34): p. 31781-9.
[30] Coluccia, A.M., et al., Bcr-Abl stabilizes beta-catenin in chronic myeloid leukemia through its tyrosine phosphorylation. EMBO J, 2007. 26(5): p. 1456-66.
[31] Munoz, J.P., et al., cdk5 modulates beta- and delta-catenin/Pin1 interactions in neuronal cells. J Cell Biochem, 2007. 100(3): p. 738-49.
240。