[科普中國]-信號通路

信號通路是指當(dāng)細(xì)胞里要發(fā)生某種反應(yīng)時，信號從細(xì)胞外到細(xì)胞內(nèi)傳遞了一種信息，細(xì)胞要根據(jù)這種信息來做出反應(yīng)的現(xiàn)象。信號通路（signal pathway）的提出最早可以追溯到1972年，不過那時被稱為信號轉(zhuǎn)換（signal transmission）。1980年，M. Rodbell在一篇綜述中提到信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（signal transduction），此后這個概念就被廣泛使用了。信號通路是指能將細(xì)胞外的分子信號經(jīng)細(xì)胞膜傳入細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮效應(yīng)的一系列酶促反應(yīng)通路。這些細(xì)胞外的分子信號（稱為配體，ligand）包括激素、生長因子、細(xì)胞因子、神經(jīng)遞質(zhì)以及其它小分子化合物等。

簡介當(dāng)配體特異性地結(jié)合到細(xì)胞膜或細(xì)胞內(nèi)的受體（receptor）后，在細(xì)胞內(nèi)的信號又是如何傳遞的呢？

細(xì)胞內(nèi)各種不同的生化反應(yīng)途徑都是由一系列不同的蛋白組成的，執(zhí)行著不同的生理生化功能。各個信號通路中上游蛋白對下游蛋白活性的調(diào)節(jié)（包括激活或抑制作用）主要是通過添加或去除磷酸基團(tuán)，從而改變下游蛋白的立體構(gòu)象完成的。所以，構(gòu)成信號通路的主要成員是蛋白激酶和磷酸酶，它們能夠快速改變和恢復(fù)下游蛋白的構(gòu)象。從細(xì)胞受體接收外界信號到最后做出綜合性應(yīng)答，不僅是一個信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，更重要的是將外界信號進(jìn)行逐步放大的過程。受體蛋白將細(xì)胞外信號轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞內(nèi)信號，經(jīng)信號級聯(lián)放大、分散和調(diào)節(jié)，最終產(chǎn)生一系列綜合性的細(xì)胞應(yīng)答，包括下游基因表達(dá)的調(diào)節(jié)、細(xì)胞內(nèi)酶活性的變化、細(xì)胞骨架構(gòu)型和DNA合成的改變等（如圖3）。這些變化并非都是由一種信號引起的，也可以通過幾種信號的不同組合產(chǎn)生不同的反應(yīng)。

分類一是當(dāng)信號分子是膽固醇等脂質(zhì)時，它們可以輕易穿過細(xì)胞膜，在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)與目的受體相結(jié)合；

二是當(dāng)信號分子是多肽時，它們只能與細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)等受體結(jié)合，這些受體大都是跨膜蛋白，通過構(gòu)象變化，將信號從膜外domain傳到膜內(nèi)的domain，然后再與下一級別受體作用，通過磷酸化等修飾化激活下一級別通路。

常見的幾種信號通路1. NF-κB信號

NF-kB（nuclear factor-kappa B）是1986年從B淋巴細(xì)胞的細(xì)胞核抽提物中找到的轉(zhuǎn)錄因子，它能與免疫球蛋白kappa輕鏈基因的增強(qiáng)子B序列GGGACTTTCC特異性結(jié)合，促進(jìn)κ輕鏈基因表達(dá)，故而得名。它是真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子Rel家族成員之一，廣泛存在于各種哺乳動物細(xì)胞中[1]。迄今為止，在哺乳動物細(xì)胞內(nèi)共發(fā)現(xiàn)5種NF-kB/Rel家族成員，它們分別是RelA（即p65）、RelB、C-Rel、p50/NF-kB1（即p50/RelA）和p52/NF-kB2。這些成員均有一個約300個氨基酸的Rel同源結(jié)構(gòu)域（Rel homology domain, RHD）。這個高度保守的結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)Rel蛋白形成同源或異源二聚體，該結(jié)構(gòu)域也是NF-kB與靶基因DNA序列的特異性結(jié)合區(qū)域。 細(xì)胞內(nèi)NF-kB的活化過程受到精細(xì)調(diào)控。通常情況下，在細(xì)胞質(zhì)中的NF-kB處于失活狀態(tài)，與抑制蛋白IkB（inhibitory protein of NF-kB）結(jié)合成三聚體復(fù)合物。當(dāng)出現(xiàn)TNF-a信號、炎癥因子以及LPS、紫外線等外界刺激時，細(xì)胞因子與細(xì)胞膜表面的TNF受體結(jié)合后，TNF受體發(fā)生多聚化并與細(xì)胞質(zhì)中TRADD分子發(fā)生相互作用。TRADD招募TRAF（TNFR-associated factor）和激酶RIP（receptor interacting protein），由RIP將信號傳遞給IKK（IkB kinase）。在NF-kB信號通路中IKK扮演了非常重要的角色，盡管上游信號路徑的不同，但是最終都匯集到IKK。IKK由a、b和g三個亞基組成，作為激酶的IKK能使IkB的a亞基的Ser32和Ser36殘基和b亞基的Ser19和Ser23殘基磷酸化。IkB隨即從p50/p65/IkB異源三聚體中解離出來，經(jīng)泛素化修飾后通過蛋白酶體降解。于是，受到IkB抑制的NF-kB得以暴露其核定位序列（nuclear localization signals, NLS），迅速從細(xì)胞質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)，與核內(nèi)DNA上的特異序列相結(jié)合，從而啟動或增強(qiáng)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄[2]。

2.JAK-STAT信號通路

1) JAK與STAT蛋白

JAK-STAT信號通路是近年來發(fā)現(xiàn)的一條由細(xì)胞因子刺激的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，參與細(xì)胞的增殖、分化、凋亡以及免疫調(diào)節(jié)等許多重要的生物學(xué)過程。與其它信號通路相比，這條信號通路的傳遞過程相對簡單，它主要由三個成分組成，即酪氨酸激酶相關(guān)受體、酪氨酸激酶JAK和轉(zhuǎn)錄因子STAT。

2) JAK-STAT信號通路

與其它信號通路相比，JAK-STAT信號通路的傳遞過程相對簡單。信號傳遞過程如下：細(xì)胞因子與相應(yīng)的受體結(jié)合后引起受體分子的二聚化，這使得與受體偶聯(lián)的JAK激酶相互接近并通過交互的酪氨酸磷酸化作用而活化。JAK激活后催化受體上的酪氨酸殘基發(fā)生磷酸化修飾，繼而這些磷酸化的酪氨酸位點與周圍的氨基酸序列形成“停泊位點”（docking site），同時含有SH2結(jié)構(gòu)域的STAT蛋白被招募到這個“停泊位點”。最后，激酶JAK催化結(jié)合在受體上的STAT蛋白發(fā)生磷酸化修飾，活化的STAT蛋白以二聚體的形式進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)與靶基因結(jié)合，調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄。值得一提的是，一種JAK激酶可以參與多種細(xì)胞因子的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，一種細(xì)胞因子的信號通路也可以激活多個JAK激酶，但細(xì)胞因子對激活的STAT分子卻具有一定的選擇性。例如IL-4激活STAT6，而IL-12卻特異性激活STAT4[3]。

3.Ras、PI(3)K和mTOR信號

隨著人類基因組測序的完成，目前已發(fā)現(xiàn)了幾百種蛋白激酶。根據(jù)它們結(jié)構(gòu)上的相似性，這些激酶可分為多個蛋白家族，在細(xì)胞的增殖、生長、分化和凋亡等過程中發(fā)揮重要的生物學(xué)功能。Ras、PI(3)K和mTOR就是一類與細(xì)胞增殖緊密相關(guān)的蛋白激酶。真核細(xì)胞的正常生長受到周圍環(huán)境所提供的養(yǎng)分的限制。Ras和PI(3)K信號通過調(diào)控下游分子mTOR，在調(diào)控細(xì)胞生長方面起著關(guān)鍵作用。在絕大多數(shù)的人腫瘤細(xì)胞中，Ras和PI(3)K信號通路中的關(guān)鍵調(diào)控因子都發(fā)生了明顯的突變。究其原因，人們發(fā)現(xiàn)這條信號通路如果發(fā)生突變，就會導(dǎo)致細(xì)胞的存活和生長不再受到養(yǎng)分等環(huán)境條件的限制，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞癌變。值得注意的是，一些腫瘤抑制因子，如TSC1、TSC2和LKB1在營養(yǎng)匱乏的條件下減弱了mTOR信號通路的強(qiáng)度。相應(yīng)地，TSC1、TSC2或者LKB1的失活突變，就會導(dǎo)致相似的癌癥癥狀，并具有共同的臨床表現(xiàn)。因此，這條確保細(xì)胞在環(huán)境適宜條件下發(fā)生增殖的信號通路，在被癌細(xì)胞利用后就可以使癌細(xì)胞在養(yǎng)料匱乏的條件下存活并生長。在篩選激酶抑制劑的過程中，人們設(shè)計了一系列針對mTOR、PI(3)K、RTKs和Raf等激酶的藥物。在癌癥的分子機(jī)理研究中，盡管這條信號通路研究得最透徹，但這些激酶在細(xì)胞和生物體內(nèi)的生理功能遠(yuǎn)比我們想象的要復(fù)雜[4]。

4.Wnt信號

Wnt信號通路廣泛存在于無脊椎動物和脊椎動物中，是一類在物種進(jìn)化過程中高度保守的信號通路。Wnt信號在動物胚胎的早期發(fā)育、器官形成、組織再生和其它生理過程中，具有至關(guān)重要的作用。如果這條信號通路中的關(guān)鍵蛋白發(fā)生突變，導(dǎo)致信號異?；罨?，就可能誘導(dǎo)癌癥的發(fā)生[5]。1982年，R. Nusse和H.E. Varmus在小鼠乳腺癌細(xì)胞中克隆得到第一個Wnt基因，最初它被命名為Int1（integration 1）。后來的研究發(fā)現(xiàn)小鼠Int基因與果蠅的無翅基因wg（wingless）為同源基因，因而將兩者合稱為Wnt。H.E. Varmus 本人也因他在癌癥研究中的杰出貢獻(xiàn)而獲得1989年的諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。Wnt是一類分泌型糖蛋白，通過自分泌或旁分泌發(fā)揮作用。Wnt信號通路的主要成分包括：分泌蛋白Wnt家族、跨膜受體Frizzled家族、CK1、Deshevelled、GSK3、APC、Axin、β-Catenin、以及轉(zhuǎn)錄因子TCF/LEF家族。Wnt信號通路是一個復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，目前認(rèn)為它包括三個分支：經(jīng)典Wnt信號通路，通過β-Catenin激活基因轉(zhuǎn)錄；Wnt/PCP通路（planner cell polarity pathway），通過小G蛋白激活JNK（c-Jun N-terminal kinase）來調(diào)控細(xì)胞骨架重排；Wnt/Ca2+通路，通過釋放胞內(nèi)Ca2+來影響細(xì)胞粘連和相關(guān)基因表達(dá)。 一般提到Wnt信號通路主要指的是由β-Catenin介導(dǎo)的經(jīng)典Wnt信號通路。

5. BMP信號通路

BMP（bone morphogenetic protein，骨形態(tài)發(fā)生蛋白）是TGF-β（轉(zhuǎn)化生長因子，transforming growth factor-β）超家族中的重要成員[6]。通過調(diào)節(jié)一系列下游基因的活性，控制著諸如中胚層形成、神經(jīng)系統(tǒng)分化、牙齒和骨骼發(fā)育以及癌癥發(fā)生等許多重要的生物學(xué)過程。BMP信號的傳遞主要通過配體BMP與細(xì)胞膜上的絲氨酸/蘇氨酸激酶受體（BMP receptor, BMPR）特異性結(jié)合，形成配體受體二元復(fù)合物。同時，Ⅱ型受體（BMPR2）能夠活化I型受體（BMPR1），并進(jìn)一步將信號傳遞給細(xì)胞內(nèi)的Smad分子。在BMP和TGF-β信號由細(xì)胞膜傳遞至細(xì)胞核的過程中，Smad蛋白起到了關(guān)鍵性的作用?；罨腎型受體（BMPR1）進(jìn)一步磷酸化Smad蛋白（Smad1、Smad5和Smad8），促使Smad分子從細(xì)胞膜受體上脫離下來，并在胞質(zhì)內(nèi)結(jié)合Smad4分子（common Smad，Co-Smad）后進(jìn)入細(xì)胞核。在細(xì)胞核內(nèi)，Smad多元復(fù)合物在其它DNA結(jié)合蛋白的參與下作用于特異的靶基因，調(diào)控靶基因的轉(zhuǎn)錄。

6. Ras2MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

1) Ras上游通路

Ras能被復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)激活。首先,被磷酸化激活的受體,如PDGFR,EGFR直接結(jié)合生長因子受體結(jié)合蛋白(Grb2), 這些受體也可以間接結(jié)合并磷酸化含有src同源區(qū)2(SH2) 結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)(例如Shc,Syp)后,再激活Grb2.另外,Grb2的src同源區(qū)3(SH3)結(jié)構(gòu)域與靶蛋白如mSos1, mSos2,C3G及發(fā)動蛋白(dynamin)結(jié)合.C3G與連接蛋白 Crk的SH3結(jié)構(gòu)域結(jié)合后耦聯(lián)酪氨酸磷酸化而激活Ras. Crk也能結(jié)合mSos1激活Ras.Grb2與激活的受體結(jié)合促 進(jìn)鳥苷酸交換因子(Sos)蛋白定位在與Ras相鄰的細(xì)胞膜上.這樣,Sos與Ras形成復(fù)合體,GTP取代GDP與Ras結(jié)合后,Ras被激活,當(dāng)GTP水解成GDP后Ras失活.Ras具有內(nèi)在GTPase活性,它的活性可被RasGAPs調(diào)節(jié),因而 RasGAPs扮演Ras活性調(diào)節(jié)劑的角色.另外,Ras失活也受 到高度調(diào)節(jié).目前,有三種蛋白質(zhì)能水解GTP使Ras失活, 它們分別是P120GAP, neurofibromin和GAP1m,統(tǒng)稱為RasGAPs[7].

2) Ras下游通路

目前，Ras/Raf通路是最明確的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路.當(dāng)GTP取代GDP與Ras結(jié)合,Ras被激活后, 再激活絲蘇氨酸激酶級聯(lián)放大效應(yīng),招集細(xì)胞漿內(nèi)Raf1絲 蘇氨酸激酶至細(xì)胞膜上,Raf激酶磷酸化MAPK激酶 (MAPKK), MAPKK激活MAPK. MAPK被激活后,轉(zhuǎn)至細(xì)胞核內(nèi),直接激活轉(zhuǎn)錄因子.另外,MAPK刺激Fos,Jun轉(zhuǎn)錄因子形成轉(zhuǎn)錄因子AP1,該因子與myc基因旁的特異 的DNA序列結(jié)合,從而啟動轉(zhuǎn)錄.myc基因產(chǎn)物也是轉(zhuǎn)錄 因子,它能激活其他基因.最終,這些信號集中起來誘導(dǎo)D 型Cyclin的表達(dá)和活性.D型Cyclin與Cyclin依賴性激酶 (如CDK4和CDK6)形成復(fù)合體,該復(fù)合體的形成促使細(xì)胞 從G1期進(jìn)入S期.因此,Ras/Raf通路在受體信號和G1期 進(jìn)展之間起著關(guān)鍵作用,然而, Ras/Raf通路不是調(diào)控G1 期進(jìn)展的惟一通路.Ras與Raf單獨結(jié)合不能促進(jìn)Raf激酶活性,同時,Raf能被不依賴Ras的機(jī)制所激活(例如能被Src酪氨酸激酶和PKC所激活),MAPK也能被不依賴Ras機(jī)制(如通過調(diào)節(jié)整合素的活性)所激活.表明級聯(lián)反應(yīng)每一個信號蛋白質(zhì)都能被多個上游蛋白質(zhì)所激活,而它們也可能有另外的靶蛋白[8]。

參考文獻(xiàn)：1. Sen R, Baltimore D. Inducibility of kappa immunoglobulin enhancer-binding protein Nf-kappa B by a posttranslational mechanism. Cell.1986, 26;47(6):921-8.

2. Lenardo MJ, Baltimore D. NF-kappa B: a pleiotropic mediator of inducible and tissue-specific gene control. Cell. 1989 Jul 28;58(2):227-9.

3. Darnell JE Jr, Kerr IM, Stark GR.Jak-STATpathways and transcriptional activation in response to IFNs and other extracellular signaling proteins. Science. 1994, 264(5164):1415-21.

4. Shaw RJ, Cantley LC. Ras,PI(3)KandmTORsignalling controls tumour cell growth. Nature. 2006. 441(7092):424-30.

5. Moon RT, DeMarais A, Olson DJ. Responses toWntsignals in vertebrate embryos may involve changes in cell adhesion and cell movement. J Cell Sci Suppl. 1993;17: 183-8.

6. BMPsignaling turns up in fragile X syndrome: FMRP represses BMPR2. Broihier HT. Sci Signal. 2016; 9(431):fs12.

7. Mazzucchelli C, Brambilla R. Ras-related andMAPKsignalling in neuronal plasticity and memory formation. Cell Mol Life Sci. 2000;57(4):604-11.

8. Avruch J, Zhang XF, Kyriakis JM. RafmeetsRas: completing the framework of a signal transductionpathway.Trends Biochem Sci. 1994.19(7):279-83.