Notch信號通路在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用

顧 盼 綜述，易祥華 審校

(同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院病理科，上海 200065)

1 Notch信號通路的生物學(xué)特性

1.1 Notch信號通路組成

Notch信號通路由受體、配體以及細(xì)胞內(nèi)效應(yīng)分子CSL蛋白所組成［1］，CSL為三種轉(zhuǎn)錄因子的縮寫分別為脊椎動(dòng)物中的 CBF－1、果蠅中的 SuH(Suppressor of Hairless)以及線蟲中 Lag－1。

Notch受體是一個(gè)單次I型跨膜蛋白，主要由胞外部分及胞內(nèi)部分組成。胞外部分包含36個(gè)表皮生長因子樣重復(fù)序列(tandem epidermal growth factor－like repeats'EGFR)和三個(gè)富含半胱氨酸的LNR－12重復(fù)序列，EGFR重復(fù)序列是與配體集合的關(guān)鍵部位，LNR重復(fù)序列能促進(jìn)與配體結(jié)合后的蛋白二聚化。胞內(nèi)部分含多個(gè)功能結(jié)構(gòu)區(qū)域:從近包膜處向胞內(nèi)依次為一個(gè) RAM23(RBP－J kappa associated molecular)區(qū)域、6個(gè)錨蛋白(cdc10/ankyrin，ANK)重復(fù)序列、二個(gè)核定位序列 NSL(NSL1、NSL2)和一個(gè) C 末端的 PEST 序列［2］。RAM結(jié)構(gòu)域是與CSL結(jié)合的區(qū)域，PEST結(jié)構(gòu)區(qū)域與Notch蛋白降解有關(guān)［3］。在哺乳動(dòng)物中Notch的受體可以分成Notch1－4四種類型。

Notch的配體同樣是 I型跨膜蛋白，果蠅中Notch受體為 Delta和 Serrate，線蟲中為 Lag2，故Notch配體又被成為DSL蛋白［4］。目前發(fā)現(xiàn)人類的Notch配體種類有 Delta－like1，3 和 4(或 Dll1、3 和4，與 Delta同源)以及 Jagged 1、2(與 Serrate同源)。Delta的胞外序列包含一個(gè)N端DSL區(qū)域和數(shù)目不等的EGFR重復(fù)序列，DSL區(qū)域是調(diào)控特異性結(jié)合Notch受體的區(qū)域。Jagged1、2的胞外區(qū)同樣含有以上兩個(gè)區(qū)域，同時(shí)Jagged配體還含有一個(gè)半胱氨酸富集區(qū)域 CR(cysteine－rich)，而 Delta配體無此區(qū)域。

細(xì)胞內(nèi)效應(yīng)因子CSL為轉(zhuǎn)錄因子，能識別并結(jié)合特定的DNA序列(GTGGGAA，位于Notch誘導(dǎo)基因的啟動(dòng)子上)，從而誘導(dǎo)相關(guān)基因的表達(dá)。Notch信號的靶基因多為堿性螺旋－環(huán)－螺旋類轉(zhuǎn)錄因子(basic helix－loop－h(huán)elix，bHLH)，它們又調(diào)節(jié)其他與細(xì)胞分化直接相關(guān)的基因的轉(zhuǎn)錄，如哺乳動(dòng)物中的 HES1/5(hairy/enhancer of split1/5)等［5］。

1.2 Notch信號通路的作用機(jī)制

Notch受體被合成為單次前提蛋白，它高爾基體里被弗林樣轉(zhuǎn)化酶(Furin－like covertase)剪切成兩段，并由邊緣糖基轉(zhuǎn)移酶(Fringe glycosyltransferases)介導(dǎo)在EGFR重復(fù)序列上加上n－乙酰氨基葡萄糖(N－acetylglucosamine)，然后被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞表面以異質(zhì)二聚體形式表達(dá)。被弗林樣轉(zhuǎn)化酶修飾過的Notch受體不能與Jagged配體結(jié)合激活信號通路，而可與Delta配體結(jié)合。

當(dāng)Notch配體與受體結(jié)合后，Notch受體相繼發(fā)生2次蛋白水解。第一次水解發(fā)生在細(xì)胞外靠近跨膜區(qū)(TM，transmembrane)由金屬蛋白酶腫瘤壞死因子 α 轉(zhuǎn)化酶(TACE，metalloproteasetumor necrosis factor－α－converting enzyme)介導(dǎo)切割為 2個(gè)片段，水解下的胞外區(qū)被配體表達(dá)細(xì)胞內(nèi)吞。第二次水解發(fā)生在跨膜區(qū)(TM)，由一個(gè)多蛋白復(fù)合物介導(dǎo)，其包含早老素(presenilins)、Nicastrin、APH1、PEN2和γ－分泌酶。第二次水解后，Notch受體細(xì)胞內(nèi)區(qū)域(NICD)被水解下并轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核內(nèi)，并與下游的轉(zhuǎn)錄因子CSL結(jié)合，構(gòu)成轉(zhuǎn)錄活化復(fù)合體從而啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。在NICN缺失的情況下，CSL表現(xiàn)為轉(zhuǎn)錄抑制狀態(tài)，與NICN結(jié)合后，CSL被激活并開始轉(zhuǎn)錄。通過CSL與轉(zhuǎn)錄抑制因子CoR(corepressors)解離與此同時(shí)與共激活物 CoA(coactivators)以及 MAML1(mastermind－like)蛋白結(jié)合構(gòu)成轉(zhuǎn)錄活化復(fù)合體從而啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。近年來，有報(bào)道指出還存在一種CSL非依賴的Notch信號激活途徑，機(jī)制尚未研究清楚。Notch信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的特點(diǎn)是不需要第二信使和蛋白激酶的參與，可以直接接受臨近細(xì)胞的信號并傳遞到細(xì)胞核，從而激活相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，此種方式雖不能放大信號，但對于細(xì)胞分化起始過程起到了精確調(diào)控的作用［6］。

2 Notch信號通路與腫瘤的關(guān)系

2.1 Notch信號通路與乳腺癌

異常的Notch信號通路在實(shí)體瘤中，被發(fā)現(xiàn)有促癌作用最早的數(shù)據(jù)與小鼠乳腺癌腫瘤病毒(mousemammarytumorvirus，MMTV)有 關(guān)。MMTV的插入導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄出一個(gè)縮短且缺少大部分胞外段的Notch4。轉(zhuǎn)基因小鼠表達(dá)Notch4/int3基因編碼出來的縮短版Notch4活化形式被證明是異常的Notch信號通路導(dǎo)致乳腺癌發(fā)生發(fā)展的主要原因同時(shí)Notch4基因已被證明涉及正常乳腺的發(fā)育［7］。目前，被激活的Notch2在正常乳腺上皮細(xì)胞中的作用還沒有被報(bào)道過［8］。最近發(fā)現(xiàn)［9］，在乳腺癌細(xì)胞中，用穩(wěn)定的發(fā)卡結(jié)構(gòu)干擾降低Notch3表達(dá)后可以降低由成骨細(xì)胞和轉(zhuǎn)化生長因子(transforming growth factor，TGF－β1)介導(dǎo)的細(xì)胞轉(zhuǎn)移。這些結(jié)果表明敲掉Notch3可以作為一個(gè)減少乳腺癌骨轉(zhuǎn)移的機(jī)制。又由于小鼠的Notch1和Notch2是其本身乳腺瘤病毒(MMTV病毒)插入和重組的靶位點(diǎn)，該位點(diǎn)的突變可以促進(jìn)上皮乳頭狀瘤的發(fā)生。另外，乳房上皮細(xì)胞持續(xù)激活Notch4的表達(dá)能抑制上皮細(xì)胞分化從而導(dǎo)致該組織腫瘤的產(chǎn)生。這些數(shù)據(jù)都說明了Notch家族的信號通路的確在乳癌的發(fā)生過程中起作用，但是在正常乳腺發(fā)育中的作用還并不是很清晰，需要進(jìn)一步的研究。

在上述的Notch信號在癌癥發(fā)生的機(jī)制，Notch在乳腺癌中促癌的作用。然而Notch信號就像一把雙刃劍，在一些組織中Notch卻通過促進(jìn)細(xì)胞分化對一些癌癥有抑制作用。肺癌及皮膚癌是Notch抑癌作用的兩個(gè)顯著例子。

2.2 Notch信號通路與肺癌

在肺癌中，Notch被認(rèn)為與具有典型神經(jīng)內(nèi)分泌表征的小細(xì)胞肺癌(small cell lung cancer，SCLC)致病機(jī)理有關(guān)。與乳腺癌相同，Notch信號通路在正常肺組織的發(fā)育以及癌變過程中均有作用。在人胚胎細(xì)胞發(fā)育過程中，肺神經(jīng)內(nèi)分泌細(xì)胞(PNEC)選擇性地表達(dá)一種高度保守的bHLH蛋白，其與 Achaete－scute homologue－1(ASH1)，其促進(jìn)NE細(xì)胞分化。在此過程中，Notch信號途徑通過激活HES基因來控制肺上皮細(xì)胞的命運(yùn)，HES基因是抑制NE細(xì)胞分化過程中所必須的ASH1蛋白表達(dá)的基因。人類ASH1基因(hASH1)在多數(shù)SCLC細(xì)胞株中高表達(dá)，但在NSCLC細(xì)胞中卻幾乎不見。SCLC的發(fā)展與一條特異的通路上調(diào)有關(guān)，而該路徑在正常情況下是被Notch信號所抵抗的，在SCLC細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中，過表達(dá)的ICN1或ICN2可以使細(xì)胞周期依賴激酶抑制劑(CDKI，cyclin－dependent kinase inhibitors)p21Cip1和p21Kip1表達(dá)上調(diào)，從而使細(xì)胞停滯在GI期，證明Notch信號抑制了hASH1基因表達(dá)［10］。因此，Notch信號對于SCLC的產(chǎn)生有抵抗和抑制作用。

但是Notch的激活相反又加速了非小細(xì)胞腫瘤(non－small cell lung carcinoma，NSCLC)的生長。在NSCLC中，包括肺腺癌、鱗狀細(xì)胞癌、大細(xì)胞未分化癌、細(xì)支氣管肺泡癌，都含有 HES1的高表達(dá)［11］。Sriuranpong.V 等研究表明，一個(gè)關(guān)于染色體19號的平衡易位被用來鑒別那些NSCLC患者，而這些患者則表現(xiàn)為具有反常的高水平Notch3表達(dá)，以及伴隨有 HES系列 Notch上流靶向基因Notch3的過表達(dá)［12］。Westhoff B 等人證明，Notch信號在1/3的NSCLC中發(fā)生了變異，而NSCLC又是肺癌致死的關(guān)鍵因素。NUMB表達(dá)的缺失和Notch1基因的雜合突變作為Notch信號變異的兩個(gè)主要特征，使得Notch信號的變異導(dǎo)致最終癌癥的發(fā)生［13］。

2.3 Notch信號與皮膚惡性腫瘤

異常的Notch信號能夠?qū)е缕つw癌的發(fā)生。在體外實(shí)驗(yàn)中，無論是對人類或是小鼠角質(zhì)細(xì)胞，Notch信號誘導(dǎo)了其細(xì)胞分化，進(jìn)而細(xì)胞分裂周期停滯。那些Notch1缺陷的動(dòng)物很自然的就生長出高度血管化的基底細(xì)胞癌類似腫瘤。這是因?yàn)樵谛∈笃つw中由于Notch1缺陷而導(dǎo)致了Gli2的過度表達(dá)，其中Gli2則是在調(diào)節(jié)脊椎動(dòng)物器官發(fā)育中起關(guān)鍵作用的音猬因子(Shh)路徑的下游組成成分［14］。因此，Notch1在Notch信號家族抑癌功能中起到主要作用。另一方面，化學(xué)誘癌實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明Notch1缺陷的皮膚更容易生成皮膚癌。從分子學(xué)的角度上分析，Notch信號導(dǎo)致的皮膚癌的發(fā)病機(jī)制是多樣性的，并且至今仍未被完全解釋完全。

黑素瘤是皮膚惡性腫瘤中致死率最高的惡性腫瘤。黑素瘤的產(chǎn)生是由于存在表皮基底層的黑色素細(xì)胞的轉(zhuǎn)化，并且最終分散到表皮的黑色素單元。微列陣(Microarray)技術(shù)研究表明黑素瘤的生長與Notch活化有關(guān)，相比于痣以及普通黑色素細(xì)胞，Notch2 mRNA在高侵略性的黑素瘤細(xì)胞系中過表答。在有高侵略性黑素瘤細(xì)胞中Jagged－2 mRNA表達(dá)上調(diào)。γ－分泌酶，作為一種Notch信號通路中重要酶，它的抑制能導(dǎo)致黑素瘤細(xì)胞凋亡，但對普通黑色素細(xì)胞無影響，這說明Notch信號通路對于黑素瘤細(xì)胞的存活非常必要。另外，針對一系列良性和惡性的黑色素細(xì)胞性病變中對Notch通路的研究發(fā)現(xiàn)，Notch通路的激活對于黑色素瘤生長具有重大意義，并且Notch信號的上調(diào)還能維持黑素瘤的發(fā)展。Notch作為一種抗細(xì)胞凋亡的信號，在黑素瘤中起促癌作用［15］。

此外，目前有研究發(fā)現(xiàn)Notch信號通路與很多其他信號通路在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中有交叉作用，如:與Wnt信號通路在肺癌、皮膚癌、乳腺癌等多種腫瘤中有交叉作用對腫瘤細(xì)胞的生長、轉(zhuǎn)移、侵襲、血管再生和新城代謝等都起著重要的作用［16］;另外，活化的Notch1也參與了NSCLC吉非替尼靶向治療獲得性耐藥的發(fā)生機(jī)制;其與PI3K信號通路及MAPK信號通路也存在串活作用，并可能與NSCLC吉非替尼的原發(fā)性耐藥有關(guān)［17－18］。鑒于Notch最近信號通路與腫瘤的關(guān)系如此密切，有研究將Notch作為新的靶向治療的位點(diǎn)用來抗癌，γ－分泌酶抑制劑(Gamma－Secretase Inhibitor，GSI)作為 Notch 的抑制劑已進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，GSI MK－0572已進(jìn)行了一期的臨床實(shí)驗(yàn)取得了一定的效果，現(xiàn)仍有其他種類的Notch抑制劑正在被研究，期待有朝一日可以投入臨床為癌癥病人帶來新的希望。

3 展 望

由于Notch信號通路在正常組織發(fā)育及在腫瘤發(fā)生發(fā)展中都起著很重要的作用，隨著研究的廣泛進(jìn)展，對了解Notch也越來越深入:已清楚了哺乳動(dòng)物中Notch受體與配體的基本構(gòu)型及其與在于昆蟲或其他動(dòng)物體內(nèi)的Notch受體或配體的異同;Notch信號通路的一種激活途徑(即CSL依賴途徑)、傳遞方式以及作用基因等，同時(shí)發(fā)現(xiàn)Notch與部分腫瘤有密切的關(guān)系并在不同的腫瘤中起不同的作用等等。除此之外仍存在一些未解決的問題，比如:Notch本身受體及配體類型較多，相關(guān)配體的作用尚不完全清楚;另外在Notch信號通路激活過程中，存在的CSL非依賴途徑其機(jī)制及激活傳導(dǎo)過程尚未完全闡明;Notch與更多的腫瘤的關(guān)系以及在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中Notch與其他信號通路的相互作用的機(jī)制也尚未完全闡明，還有待日后對其的深入研究和探討等等。

在實(shí)際臨床中，Notch與腫瘤的抗藥性相關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)Notch信號通路促進(jìn)腫瘤干細(xì)胞的形成和上皮間質(zhì)化，它們都與腫瘤的抗藥性密切相關(guān)［19］，其機(jī)制仍需進(jìn)一步研究并為以后腫瘤耐藥性研究做出新的貢獻(xiàn)。Notch與腫瘤的轉(zhuǎn)移和侵襲能力也有密切的關(guān)系。今后對于Notch通路的研究應(yīng)該有以下幾個(gè)方面:首先，逐步完善對Notch信號生物學(xué)特性、在腫瘤中的作用以及Notch與其他信號通路的相互作用等的研究;另外，Notch與腫瘤的轉(zhuǎn)移、侵襲的關(guān)系，與腫瘤化療藥物的耐藥機(jī)理、與腫瘤基因靶向治療等都具有很大的研究前景。由于Wnt信號通路與EGFR信號通路在NSCLC中有串活［20］，并參與NSCLC吉非替尼耐藥機(jī)制，而Notch與Wnt信號通路存在串活，因此是否 Notch也參與了NSCLC吉非替尼的耐藥作用等等。這些都是臨床上急待解決的問題。通過對Notch的遺傳學(xué)及分子生物學(xué)的進(jìn)一步研究，將有助于在科研上及臨床上對疾病的發(fā)生、發(fā)展及治療和預(yù)防上提供更多的參考，在實(shí)踐中發(fā)揮最大的作用并獲得最大的價(jià)值。

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