Notch信號通路與胸腺T細(xì)胞分化發(fā)育

Notch信號通路與胸腺T細(xì)胞分化發(fā)育

馮小兵1，李月敏1

綜述；李楊2審校

(1.解放軍第309醫(yī)院腫瘤放療科，北京 100091；2.軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射與輻射醫(yī)學(xué)研究所，北京 100850)

[關(guān)鍵詞]Notch信號通路；T細(xì)胞；胸腺細(xì)胞；分化發(fā)育

DOI:10.3969/j.issn.1673-5412.2015.01.035

[中圖分類號]R392.2；R730.3

收稿日期：(2014-05-13)

Notch于1917年被發(fā)現(xiàn)，1985年果蠅Notch基因被克隆。目前，Notch家族成員及其傳導(dǎo)機(jī)制也逐漸被闡明。Notch信號廣泛參與胚胎分化發(fā)育、組織更新以及多個成人組織器官的穩(wěn)定運行。近年來的研究[1-5]表明，Notch信號通路在組織形成和胚胎正常發(fā)育、急性淋巴細(xì)胞白血病和各種惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展、胸腺前體細(xì)胞向胸腺募集以及T細(xì)胞發(fā)育的陰性和陽性選擇等病理生理過程中發(fā)揮重要作用。闡明T細(xì)胞分化發(fā)育的機(jī)制以及Notch信號所發(fā)揮的作用，對于治療因T細(xì)胞分化發(fā)育異常引起的疾病具有指導(dǎo)作用。本文重點對Notch信號通路結(jié)構(gòu)特點及其在T細(xì)胞分化發(fā)育調(diào)控中作用的研究進(jìn)展綜述如下。

1Notch信號通路

Notch信號通路由跨膜的受體、配體和核內(nèi)結(jié)合蛋白及靶基因組成。目前，哺乳動物體內(nèi)共發(fā)現(xiàn)4種Notch受體，即Notch-1、Notch-2、Notch-3和Notch-4。Notch受體廣泛分布于造血細(xì)胞和淋巴細(xì)胞等多種細(xì)胞的細(xì)胞膜表面，是一個相對分子質(zhì)量為300 000的單鏈跨膜蛋白，具有細(xì)胞表面受體和核內(nèi)轉(zhuǎn)錄調(diào)控雙重功能。Notch受體由胞外結(jié)構(gòu)域(Notch extracellular domain，NEC)、跨膜區(qū)(Notch transmembrane subunit，NTM)和胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域(Notch intracellular domain，NICD)3個部分組成。所有Notch受體的NEC都包含29～36個相鄰的表皮生長因子(epidermal growth factor，EGF)樣重復(fù)序列和一個獨特的抑制激活區(qū)域(negative regulatory region，NRR)，NRR包含3個富含半朧氨酸的Lin-12-Notch重復(fù)區(qū)和異源二聚化結(jié)構(gòu)域。Notch受體的NICD包括RAM結(jié)構(gòu)域、ANK結(jié)構(gòu)域，即7個錨蛋白重復(fù)序列TAD結(jié)構(gòu)域以及脯氨酸-谷氨酸-絲氨酸-蘇氨富集結(jié)構(gòu)區(qū)[6-7]。

Notch配體也是表達(dá)于細(xì)胞表面的單鏈跨膜蛋白，Notch配體包括2個家族，即Jagged家族和Delta樣家族。Jagged家族包括Jagged-l和Jagged-2，Delta樣家族包括DLL-l、DLL-3和DLL-4[8-9]。5種配體與相鄰細(xì)胞Notch受體結(jié)合，導(dǎo)致Notch受體活化，進(jìn)而在轉(zhuǎn)錄因子的作用下對下游靶基因產(chǎn)生調(diào)控作用。Notch配體具有3個相關(guān)特征性結(jié)構(gòu)：一個帶有N末端DSL結(jié)構(gòu)區(qū)、DOS結(jié)構(gòu)域和EGF樣重復(fù)序列[10]。

在哺乳動物中，Notch信號通路激活的過程是一系列蛋白水解的過程。首先，Notch配體與Notch受體結(jié)合，引起ADAM蛋白水解酶在S2部位(包含NRR區(qū)域)將其裂解。Notch裂解形成胞外斷端部分NEXT，其被γ分泌物酶裂解后，Notch胞內(nèi)部分NICD結(jié)構(gòu)域發(fā)生內(nèi)吞。這個過程最初通過RAM結(jié)構(gòu)域中DNA結(jié)合蛋白CSL的相互作用，還需要ANK結(jié)構(gòu)域聯(lián)合CSL募集共激活分子Mastermind/lag-3。DSL配體的內(nèi)吞及運輸在提高信號通路激活中發(fā)揮關(guān)鍵作用，其發(fā)生泛素化才可引發(fā)后續(xù)傳導(dǎo)，這一過程由可以識別Delta和Serrate/jagged配體的E3泛素連接酶Neuralized介導(dǎo)?；罨腘ICD進(jìn)入細(xì)胞核與CSL蛋白結(jié)合形成復(fù)合體，在細(xì)胞核內(nèi)MAM、MAML-1等轉(zhuǎn)錄因子的協(xié)助下，最終調(diào)控靶基因表達(dá)[10-11]。

2Notch信號通路對T細(xì)胞分化發(fā)育的影響

2.1T細(xì)胞分化發(fā)育過程T細(xì)胞是在胸腺內(nèi)分化并發(fā)育成熟的，因此也稱之為胸腺依賴淋巴細(xì)胞。胸腺為T細(xì)胞分化發(fā)育提供了適宜的微環(huán)境，如胸腺基質(zhì)細(xì)胞(胸腺上皮細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、成纖維細(xì)胞等)和細(xì)胞外基質(zhì)(膠原蛋白、彈性蛋白和糖蛋白等)。骨髓起源的多能前體細(xì)胞進(jìn)入胸腺，在胸腺微環(huán)境的作用下分裂、增殖、發(fā)育,并從皮質(zhì)遷移入髓質(zhì),成為成熟的T細(xì)胞。在胸腺內(nèi)T細(xì)胞分化是一個連續(xù)的過程，但被人為劃分為雙陰性(CD4-CD8-)、雙陽性(CD4+CD8+)和單陽性(CD4-CD8+或CD4+CD8-)3個階段[12]。胸腺細(xì)胞的分化和成熟過程實質(zhì)上是一種選擇過程，經(jīng)胸腺的陽性選擇和陰性選擇作用后,成熟的胸腺細(xì)胞CD4-CD8+或 CD4+CD8-對自身抗原耐受,同時對自身主要組織相溶性復(fù)合物具有限制性識別作用,輸出胸腺后到外周組織執(zhí)行免疫功能[13]。

2.2Notch信號通路調(diào)節(jié)早期T系祖細(xì)胞分化來源于骨髓的前體細(xì)胞進(jìn)入胸腺，最終發(fā)育成具有免疫功能的成熟T細(xì)胞。早期T系祖細(xì)胞典型的表型類似于骨髓多能前體細(xì)胞。Notch信號通路在早期T系祖細(xì)胞發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用[14-16]。

Han等[17]的研究發(fā)現(xiàn)敲除Notch-1或者Rbp-j基因后可以導(dǎo)致T細(xì)胞發(fā)育停滯，同時也發(fā)現(xiàn)在胸腺內(nèi)出現(xiàn)B細(xì)胞。Bell等[18]和Feyerabend等[19]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)Notch-1不僅能夠阻止髓樣細(xì)胞和B細(xì)胞在胸腺內(nèi)發(fā)育，還可阻止?jié){細(xì)胞樣樹突狀細(xì)胞的潛能，以保證T細(xì)胞的有效發(fā)育。有研究[8,20-21]通過現(xiàn)代生物技術(shù)實現(xiàn)某種基因表達(dá)增加或缺失，認(rèn)為Notch-1信號通路是通過抑制B細(xì)胞、髓系樹突狀細(xì)胞和NK細(xì)胞群，從而促進(jìn)胸腺前體細(xì)胞分化發(fā)育。Hozumi等[22]和Koch等[23]通過對Notch配體DLL-1和DLL-4的研究，發(fā)現(xiàn)在僅抑制胸腺上皮細(xì)胞中DLL-4表達(dá)就能完全阻滯T細(xì)胞發(fā)育，同時伴隨異位B細(xì)胞發(fā)育。值得注意的是，近年的研究[24]發(fā)現(xiàn)，Notch信號通路能夠誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子1(transcription factor 1,TCF1)的表達(dá)，而TCF1又能夠上調(diào)與早期T細(xì)胞分化發(fā)育息息相關(guān)的其他轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)。

可見Notch-1表達(dá)于胸腺前體細(xì)胞，是T細(xì)胞分化發(fā)育的關(guān)鍵受體。同時，皮質(zhì)胸腺上皮細(xì)胞與胸腺細(xì)胞之間存在交互調(diào)節(jié)作用，皮質(zhì)胸腺上皮細(xì)胞可能下調(diào)DLL-4的表達(dá)而介導(dǎo)胸腺細(xì)胞的陰性和陽性選擇過程。另外，Notch信號通路能夠誘導(dǎo)TCF1的表達(dá)，從而影響T細(xì)胞分化發(fā)育。

2.3Notch信號通路調(diào)節(jié)αβT細(xì)胞和γδT細(xì)胞發(fā)育T細(xì)胞發(fā)育分化過程也是功能性T細(xì)胞受體(T cell receptor，TCR)形成的過程，同時也存在其他信號參與這一過程[25]。胸腺前體細(xì)胞在向T細(xì)胞定向分化后，即形成原T細(xì)胞，并進(jìn)行TCRγ、δ、β基因的表達(dá)與重排。TCR為所有T細(xì)胞表面的特征性標(biāo)志，是由2條不同肽鏈構(gòu)成的異二聚體。根據(jù)所含肽鏈的不同，TCR分為TCRαβ和TCRγδ，大多數(shù)T細(xì)胞表達(dá)前者(αβT細(xì)胞)，僅少數(shù)T細(xì)胞表達(dá)后者(γδT細(xì)胞)。研究[26-28]證實，αβT細(xì)胞的發(fā)育需要持續(xù)的Notch信號，Notch信號通路在pre-TCRβ選擇及胸腺細(xì)胞進(jìn)一步發(fā)育過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。同時，也有研究表明γδT細(xì)胞的發(fā)育并不依賴于Notch信號通路，但需要ID2分子的誘導(dǎo)。

通過基因敲除實驗發(fā)現(xiàn)，Notch信號在早期胸腺細(xì)胞發(fā)育階段是不可缺少的[18-19,22-23]。不過僅有Notch信號而無pre-TCR信號，胸腺細(xì)胞無法發(fā)育至雙陽性階段[29-30]。后續(xù)研究[31]發(fā)現(xiàn)，Notch-1和(或)Notch-3可以直接激活pTα基因轉(zhuǎn)錄，還可間接調(diào)控pTα基因的表達(dá)。當(dāng)胸腺細(xì)胞完成β選擇后，發(fā)現(xiàn)Notch信號受抑制，可能不僅僅是因為Notch表達(dá)減少，還可能涉及其他負(fù)調(diào)控因子，如Ikaros等[32]。

Notch信號通路調(diào)節(jié)胸腺細(xì)胞β選擇機(jī)制較為復(fù)雜，可能不僅僅與pre-TCR信號共同調(diào)節(jié)，還存在其他通路或分子參與，需要更多的實驗去研究發(fā)現(xiàn)。

2.4Notch信號通路調(diào)節(jié)CD8+細(xì)胞發(fā)育早期實驗研究[33-34]表明，在胸腺細(xì)胞發(fā)育為單陽性細(xì)胞的階段，若胸腺細(xì)胞接受了Notch信號則發(fā)育成CD8+細(xì)胞，而未接受Notch信號則發(fā)育成CD4+細(xì)胞，也就是說Notch信號通路可能抑制CD4+細(xì)胞發(fā)育。而近年的一些研究[35]結(jié)果表明激活Notch信號通路并不能改變CD4+和CD8+細(xì)胞發(fā)育過程中的選擇，認(rèn)為Notch信號通路能夠影響CD4+和CD8+細(xì)胞的生存，但沒有直接的證據(jù)表明Notch能夠決定CD4+和CD8+細(xì)胞的定向發(fā)育，這還需要更多的實驗去進(jìn)一步闡明。還有研究[36]表明Notch信號通路能夠調(diào)節(jié)CD8+T細(xì)胞表達(dá)Eomes、穿孔素和顆粒酶B，而這些與T細(xì)胞發(fā)揮免疫作用相關(guān),該實驗認(rèn)為幼稚CD+細(xì)胞發(fā)育分化為效應(yīng)T細(xì)胞需要Notch信號。研究[37]表明，Notch可能通過調(diào)節(jié)程序性死亡受體1(programmed cell death 1，PD-1)介導(dǎo)這一過程，PD-1是一種抑制受體，參與T細(xì)胞激活和耐受等過程。

3結(jié)語

Notch信號通路對T細(xì)胞發(fā)育的各個階段均有調(diào)控作用。Notch信號通路發(fā)生異常，可導(dǎo)致各種免疫疾病以及腫瘤的發(fā)生。Notch信號通路與血液、消化系統(tǒng)疾病和各種惡性腫瘤等的發(fā)生發(fā)展有著密切的聯(lián)系。因此，Notch信號通路的研究成為當(dāng)前醫(yī)學(xué)研究的熱點問題，尤其是對未來各種惡性腫瘤的靶向治療提供新的方向，對于腫瘤的根治具有深遠(yuǎn)的意義。然而不同信號通路之間具有相互調(diào)節(jié)作用，信號通路研究較為復(fù)雜，需要更多的實驗去闡述其機(jī)制。

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