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1、常见信号通路常见的几种信号通路1JAK-STAT信号通路1)JAK与STAT蛋白JAK-STAT信号通路是近年来发现的一条由细胞因子刺激的信号转导通路，参与细胞的增 殖、分化、凋亡以及免疫调节等许多重要的生物学过程。 与其它信号通路相比，这条信号通路的传递过程相对简单， 它主要由三个成分组成， 即酪氨酸激酶相关受体、 酪氨酸激酶JAK和转录因子STAT。(1)酪氨酸激酶相关受体(tyrosine kinase associated receptor )许多细胞因子和生长因子通过 JAK-STAT信号通路来传导信号，这包括白介素2?7(IL-2?7 )、GM-CSF (粒细胞/巨噬细胞集落刺激因

2、子)、 GH (生长激素)、EGF (表皮生长因子)、PDGF (血小板衍生因子)以及 IFN (干扰素)等等。这些细胞因子和生长因子在细胞膜上 有相应的受体。这些受体的共同特点是受体本身不具有激酶活性， 但胞内段具有酪氨酸激酶JAK的结合位点。受体与配体结合后，通过与之相结合的 JAK的活化，来磷酸化各种靶蛋白的酪氨酸残基以实现信号从胞外到胞内的转递。(2)酪氨酸激酶 JAK (Janus kinase )很多酪氨酸激酶都是细胞膜受体，它们统称为酪氨酸激酶受体( receptortyrosine kinase, RTK )，而JAK却是一类非跨膜型的酪氨酸激酶。 JAK是英文Janus ki

3、nase的缩写，Jan us在罗马神话中是掌管开始和终结的两面神。之所以称为两面神激酶，是因为JAK既能磷酸化与其相结合的细胞因子受体，又能磷酸化多个含特定 SH2结构域的信号分子。JAK蛋白家族共包括 4个成员：JAK1、JAK2、JAK3以及Tyk2，它们在结构上有 7个 JAK同源结构域(JAK homology domain, JH )，其中JH1结构域为激酶区、 JH2结构域是“假”激酶区、JH6和JH7是受体结合区域。(3)转录因子 STAT (signal transducer and activator of transcription ) STAT 被称为“信号转导子和转录激

4、活子”。顾名思义，STAT在信号转导和转录激活上发挥了关键性的作用。目前已发现STAT家族的六个成员，即 STAT1-STAT6。STAT蛋白在结构上可分为以下几 个功能区段：N-端保守序列、DNA结合区、SH3结构域、SH2结构域及C-端的转录激活 区。其中，序列上最保守和功能上最重要的区段是 SH2结构域，它具有与酪氨酸激酶 Src的SH2结构域完全相同的核心序列“ GTFLLRFSS ”。2)JAK-STAT信号通路共享知识 分享快乐与其它信号通路相比，JAK-STAT信号通路的传递过程相对简单。信号传递过程如下：细胞 因子与相应的受体结合后引起受体分子的二聚化，这使得与受体偶联的 JA

5、K激酶相互接近并通过交互的酪氨酸磷酸化作用而活化。 JAK激活后催化受体上的酪氨酸残基发生磷酸化修4旧4 込 “fm ii d nimpiiv “Ed*饰，继而这些磷酸化的酪氨酸位点与周围的氨基酸序列形成 停泊位点” (docking site )r IX同时含有SH2结构域的STAT蛋白被招募到这个“停泊位点”。最后，激酶 JAK催化结合在受体上的STAT蛋白发生磷酸化修饰， 活化的STAT蛋白以二聚体的形式进入细胞核内与T JA I靶基因结合，调控基因的转录。值得一提的是，一种 JAK激酶可以参与多种细胞因子的信臣駆 z I号转导过程，一种细胞因子的信号通路也可以激活多个 JAK激酶，但细

6、胞因子对激活的 STA分子却具有一定的选择性。例如 IL-4激活STAT6，而IL-12却特异性激活 STAT4。7 +L ”当口兀“2p53信号1)p53基因的发现p53基因是迄今发现与肿瘤相关性最高的基因。 1979年，Lane和Crawford 在感染了 SV40的小鼠细胞内分离获得一个与 SV40大T抗原相互作用的蛋白，因其分子量为 53 kDa，故而取名为p53 (人的基因称为 TP53)3。起初，p53被误认为是癌基因，直到上个世纪 90年代，人们才认识到引起肿瘤形成或细胞癌变的 p53蛋白是p53基因的突变产物。野生型p53基因是一种重要的抑癌基因， 它是细胞生长周期中的负调节因

7、子， 在细胞周期调控、DNA损伤修复、细胞分化、凋亡和衰老等许多过程中发挥了重要的生物学功能，因而被誉 为“细胞卫士”。随着研究的深入，人、猴、鸡、大鼠、非洲爪蟾和斑马鱼等多种模式动物 的p53基因也相继被克隆。其中，人类TP53基因定位于染色体 17P13.1，小鼠p53基因被定位在11号染色体上，并 在14号染色体上发现无功能的假基因。 在这些进化程度迥异的动物中， 它们的p53基因结构却异常保守，基因全长 16-20kb ，都由11个外显子和10个内含子组成。其中第 1个外显子不编码结构域，外显子 2、4、5、7、8则分别编码5个进化上高度保守的结构域，转 录形成约2.5 kb的mRNA

8、。之后，在基因同源性的基础上又陆续发现了 p53家族的其它成员，分别是p73和p63，它们也因各自的分子量而得名， 具有和p53相似的结构和功能。2)p53信号通路p53基因受多种信号因子的调控。 例如：当细胞中的 DNA损伤或细胞增殖异常时，p53基因被激活，导致细胞周期停滞并启动 DNA修复机制，使损伤的 DNA得以修复。然而，当DNA损伤过度而无法被修复时， 作为转录因子的p53还可进一步激活下游促凋亡基因的转录，诱导细胞凋亡并杀死有 DNA损伤的细胞。不然，这些 DNA损伤的细胞就可能逐渐脱离正常的调控，有可能最终形成肿瘤。虽然正常状态下p53的mRNA水平很高，而且有大量蛋白质合成，

9、但 p53蛋白容易降解，所以正常细胞内p53蛋白水平很低。蛋白的泛素化( ubiquitination )修饰是细胞内蛋白代谢过程中的最普通的降解方式， p53蛋白的降解也是通过泛素化来实现的。 MDM2是一种特异性针对p53的泛素化E3连接酶，它可直接与 p53蛋白结合来促进 p53蛋白的泛素 化降解，并在细胞内 p53蛋白动态平衡中发挥关键的作用。 MDM2本身也可被p53蛋白激活，因此MDM2 是p53通路中重要的负反馈调节因子 (negative feedback regulator )。3)p53与肿瘤 p53基因敲除小鼠虽然可以产生后代，但其生长发育过程中会出现高频率的自发性肿瘤，

10、这提示p53蛋白与肿瘤之间存在密切的关系。事实上，目前 TP53基因是与人类肿瘤的相 关性最高的基因，与50%以上的人类恶性肿瘤有关， 而且现正已在超过 51种人类肿瘤病例中发现TP53基因的异常表达和功能失活。 TP53基因突变是其功能失活的主要原因，至今已发现400多种TP53基因突变类型，其中 147种与胃肠道肿瘤有关，而最常见的突变方式是点突变。通过分析大量肿瘤病例中的 TP53突变位点，证实肿瘤中 95.1%的p53点突变位点发生在高度保守的 DNA结合区，尤以第175、245、248、249、273和282位点 的突变率最高。此外，某些点突变改变了 p53的空间构象，影响了 p53

11、蛋白与MDM2和p300等蛋白的相互作用。另一些点突变发生在 p53的核定位信号区，使 p53无法进入细胞核发挥转录激活的功能。不同肿瘤的 TP53基因突变位点并不一致，例如：结肠癌中 G:CtA:T转换占到79% ;在乳腺癌中，GtT颠换占到1/4 ,而这种突变在结肠癌十分少见；淋巴瘤和白血 病的TP53基因突变方式与结肠癌相似；在肺癌中 G:CtT:A突变最普遍，而食道癌中发生GtT颠换的频率很咼。目前看来，在肿瘤形成的复杂网络和调控体系中， p53是最主要的因素。有人认为 p53是p53基因的重要作用很好的肿瘤诊断标志物，可以作为癌症早期诊断的重要指标。认识到后，全世界数以千计的分子生物

12、学家正在抛开原来的课题转而研究 p53，希望以此作为攻克癌症的突破口。科学家相信，禾U用p53基因发现并治疗癌症的前景非常广阔。除了基因p53基因上下游调控的小分子化合物。罗氏制药公司开 物， 能够干扰p53和MDM2之间的调控关系，有望成3NF- K信号1975年，E. A. Carswell和L. J. Old等人发现已接种卡介苗的小鼠注射脂多糖后，小鼠血 清中产生了一种可引起动物肿瘤组织出血坏死的物质， 该物质对体外培养的多种肿瘤细胞株都具有细胞杀伤作用， 于是他们将这种物质命名为肿瘤坏死因子 (tumour necrosis factor,TNF )TNF是迄今发现的抗肿瘤效果最强的细

13、胞因子。 1984年起，欧美国家就开始把 TNF的基因工程产品应用到癌症临床治疗中， 并一度取得轰动的成果，然而最终由于毒副作用严重而被迫终止。九十年代末以来，随着基础研究的深入和基因工程技术的发展， 科学家研制出一些高效、低毒的 TNF变构体，从而重新确立了 TNF在抗肿瘤中的重要地位，掀开了TNF在肿瘤研究和治疗中的新篇章。1)TNF简介TNF是一种糖蛋白，它以两种形式存在： TNF-a和TNF-b 。TNF-a由单核细胞和巨噬细胞产生，它可引起肿瘤组织出血坏死，而脂多糖( Lipopolysaccharides, LPS )是较强的刺激 剂。TNF-b是一种淋巴因子，又称淋巴毒素(lym

14、photoxin, LT )。抗原或丝裂原均可刺激T淋巴细胞分泌TNF-b，具有肿瘤杀伤及免疫调节功能。 人的TNF-a基因长2.76 kb，由4个外显子和3个内含子组成，定位在第六号染色体上。人 TNF-a前体由233个氨基酸组成，含有76个氨基酸残基的信号肽， 切除信号肽后形成157个氨基酸的成熟型非糖基化的TNF-a。通过基因工程方法改造后的 TNF-a具有更好的生物学活性和抗肿瘤效果。2)TNF与NF-kB 信号通路TNF-a与TNF-b分子结构相似，所发挥的生物学效应相近。 胞外因子TNF- a以三聚体形式发挥信号转导功能，与 TNF受体(TNF receptor, TNFR )结合

15、引起受体多聚化，这种多聚 化使得TNF受体与细胞质中TRADD分子发生相互作用。TRADD招募相应蛋白后介导两 条转导通路：一条是通过 TRAF2和RIP分子诱导NF-kB的活化，参与抗凋亡；另一条是 通过FADD分子导致细胞凋亡。TNFR只有在蛋白合成受阻的情况下才会诱导凋亡，下面 我们将着重介绍由 TNF激活的NF-kB信号通路。NF-kB (nu clear factor-kappa B)是1986年从B淋巴细胞的细胞核抽提物中找到的转录B序列GGGACTTTCC 特异性结合，促Rel家族成员之一，广泛存在于各种5种NF-kB/Rel家族成员，它们分(即 p50/RelA )和 p52/

16、NF-kB2 。这因子，它能与免疫球蛋白 kappa轻链基因的增强子些成员均有一个约 300个氨基酸的Rel同源结构域Rel homology doma in, RHD)。这进K轻链基因表达，故而得名。它是真核细胞转录因子 哺乳动物细胞中。迄今为止，在哺乳动物细胞内共发现 别是 RelA (即 p65 )、RelB、C-Rel、p50/NF-kB1个高度保守的结构域介导 Rel蛋白形成同源或异源二聚体，该结构域也是 NF-kB与靶基因DNA序列的特异性结合区域。 细胞内NF-kB的活化过程受到精细调控。通常情况下，在细胞质中的NF-kB处于失活状态， 与抑制蛋白IkB (inhibitory

17、protein of NF-kB )结合成 三聚体复合物。当出现 TNF-a信号、炎症因子以及 LPS、紫外线等外界刺激时，细胞因子与细胞膜表面的TNF受体结合后，TNF受体发生多聚化并与细胞质中 TRADD分子发生相互作用。TRADD 招募 TRAF( TNFR-associated factor )和激酶 RIP( receptor interacting protein )，由RIP将信号传递给IKK( IkB kinase )。在NF-kB 信号通路中IKK扮演了非 常重要的角色，尽管上游信号路径的不同，但是最终都汇集到 IKK。IKK由a、b和g三个亚基组成，作为激酶的IKK能使Ik

18、B的a亚基的Ser32和Ser36残基和b亚基的Ser19和 Ser23残基磷酸化。IkB随即从p50/p65/lkB 异源三聚体中解离出来，经泛素化修饰后通过蛋白酶体降解。 于是，受到IkB抑制的NF-kB得以暴露其核定位序列(nuclear localization signals, NLS )，迅速从细胞质进入细胞核内，与核内 DNA上的特异序列相结合，从而启动或增强相关基因的转录。3)NF-kB信号通路与癌症NF-kB具有明显的抑制细胞凋亡的功能，与肿瘤的发生、生长和转移等多个过程密切相关。在人类肿瘤尤其是淋巴系统的恶性肿瘤中，常可发现 NF-kB家族基因的突变。NF-kB家族与癌症相

19、关性的第一个线索是 c-Rel基因的发现，它是禽类逆转录病毒癌基因 v-Rel在细胞 内的同源基因。该病毒在鸡体中造成多种造血细胞恶性转化，引起淋巴癌的发生。由于NF-kB的下游基因包括 CyclinD1和c-Myc，因此NF-kB的持续激活会刺激细胞生长，导 致细胞增殖失控。NF-kB在很多癌细胞中表达异常，如在 75 %的乳腺癌样品中 NF-kB2的表达比邻近的正常组织高很多倍。肿瘤细胞迁移并浸润到周围组织是肿瘤扩散和转移的前提 条件。NF-kB对肿瘤转移具有明显的促进作用，它能促进肿瘤转移相关基因 ICAM-1、VCAM-1、MMP-9 等的表达。NF-kB还能诱导血管内皮生长因子 VE

20、GF的表达，促进血管形成。此外，NF-kB还能通过调节 COX2等基因的表达来促进肿瘤生长。NF-kB 与肿瘤治疗息息相关。IFN-a、IFN-b、TNF-a、IL-2、G-CSF、GM-CSF 和 EPO 是 迄今为止被批准用于临床肿瘤治疗的几种细胞因子， 其中前6种生长因子已被证实与 NF-kB的信号通路有关。目前，国内外主要以NF-kB为靶点，使用抗氧化剂抑制 NF-kB活性以及 针对p65和p50设计小分子干扰 RNA (siRNA )抑制NF-kB合成等方法作为癌症的治疗 策略，而且在动物实验及细胞培养中取得不同程度的疗效，但是离临床应用还有很大距离。由于TNF-a具有很好的抗肿瘤作

21、用和多种免疫调节功能， 许多国家开展了用 TNF治疗癌症的临床研究。动物实验和临床实验均表明， TNF-a对某些肿瘤具有明显的抑制作用，但是由于不能很好地区分癌细胞和正常细胞，使用 TNF-a后副作用较大，这为其大规模临床应用造成困难。应用基因工程改造得到低毒高效的 TNF-a变构体，对某些肿瘤的治疗效果尤佳。将TNF-a与其它具有肿瘤抑制作用的细胞因子，如 IL-2、IFN-g等联合使用，既可减少用药量、降低毒副作用，又可提高疗效，因而有望更快地大量应用于临床。4Ras、PI(3)K 和 mTOR 信号1)控制肿瘤生长的 Ras、PI(3)K和mTOR信号随着人类基因组测序的完成， 目前已发

22、现了几百种蛋白激酶。 根据它们结构上的相似性， 这些激酶可分为多个蛋白家族，在细胞的增殖、生长、分化和凋亡等过程中发挥重要的生物学 功能。Ras、PI(3)K和mTOR就是一类与细胞增殖紧密相关的蛋白激酶。真核细胞的正常生长受到周围环境所提供的养分的限制。 Ras和PI(3)K信号通过调控下游分子mTOR，在调控细胞生长方面起着关键作用。 在绝大多数的人肿瘤细胞中，Ras和PI(3)K信号通路中的关键调控因子都发生了明显的突变。 究其原因，人们发现这条信号通路如果发生突变，就会导致细胞的存活和生长不再受到养分等环境条件的限制，进而诱导细胞癌变。Ras、PI(3)K和mTOR是目前研究得最为清楚

23、的信号通路之一。下面，我们将简单地介绍 一下这条信号通路中的几个关键组分：(1)PI(3)K是英文phosphatidylinositol-3-kinase (磷脂酰肌醇-3-激酶)的缩写。它是一个包括许多脂质激酶的家族，由一个调节亚基( p85 )和一个催化亚基(p110 )组成。当配体与膜受体结合后，受体激活 p85并招募p110，进而催化膜内表面的 PIP2(phosphatidylinositol 4, 5-bisphosphate ) 生成 PI3P ( phosphatidylinositol3-phosphate )。PI3P作为第二信使，进一步激活 AKT和PDK1(phosp

24、ho ino sitide-depe ndent kin ase 1 )。AKT又称作PKB( protein kinase B )，是PI3K重要的下游分子，包括至少 3种形式，分别为AKT1、AKT2和AKT3。它们对于调控细胞的生长、增殖、存活以及糖代谢都起着 十分重要的作用。 mTOR ( mammalian target of rapamycin )是一类丝 /苏氨酸激酶。1991 年，人们在酵母中发现了雷帕霉素(rapamycin )的作用靶点，取名为 TOR。与酵母相比，哺乳动物 的TOR蛋白在进化和功能上高度保守，也就相应地称为 mTOR。mTOR蛋白的C末端具有激酶活性，它是

25、细胞生长和增殖的关键调节分子，可接收生长因子、 营养、能量等多种信号，并通过PI3K/AKT或Ras/ERK信号通路来发挥作用， 而对mTOR信号通路的抑制可以使细胞停滞在G1期而触发细胞凋亡。 简单地说，当EGF、胰岛素等生长因子结合到细胞膜表面的酪氨酸激酶受体(receptor tyrosine kinase, RTK )后，RTK通过其酪氨酸激酶活性分别激活两个关键的信号转导分子： 小G蛋白Ras和激酶PI(3)K，再由Ras和PI(3)K共同激活下游关键分子 mTOR。激活后的mTOR蛋白促使底物S6K(S6 kinase )和4EBP1(4E binding protein 1 )发

26、生磷酸化。由于这两个底物都是蛋白翻译过程中关键性的调节因子，它们的磷酸化导致核糖体蛋白合成的起始和增加。此外，胞外营养物质氨基酸、 ATP 等也能调控mTOR的激酶活性。于是，mTOR蛋白整合生长因子和环境养分两种信号，通 过严格调控细胞有丝分裂和代谢响应不同的环境条件，保证细胞只在有利的环境下增殖。值得注意的是，一些肿瘤抑制因子，如 TSC1、TSC2和LKB1在营养匮乏的条件下减弱了mTOR信号通路的强度。相应地， TSC1、TSC2或者LKB1的失活突变，就会导致相似的癌症症状，并具有共同的临床表现。 因此，这条确保细胞在环境适宜条件下发生增殖的信号通路，在被癌细胞利用后就可以使癌细胞在

27、养料匮乏的条件下存活并生长。在筛选激酶抑制剂的过程中，人们设计了一系列针对 mTOR、PI(3)K、RTKs和Raf等激酶的药物。在癌症的分子机理研究中， 尽管这条信号通路研究得最透彻， 但这些激酶在细胞和生物体内的生理功能远比我们想象的要复杂。2)Ras-Raf通路与癌症1982年，美国科学家RA Weinberg 等人从膀胱癌细胞中克隆得到第一个人类癌基因， 由于它和之前发现的鼠肉瘤病毒基因 c-ras高度同源，故而被命名为ras基因(rat sarcoma )。Ras基因在进化中高度保守，广泛存在于各种真核生物细胞中。哺乳动物的 Ras蛋白家族有三个成员，分别是 H-ras、K-ras和

28、N-ras。由于Ras蛋白的相对分子量是 21 kDa，故 又被称为p21。Ras蛋白定位于细胞膜内侧，为GTP/GDP结合蛋白，通过GTP与GDP的相互转化来调节信号通路的传递； 之后， 人们又发现了 Ras的直接效应因子 Raf-110，这就将Ras和ERK/MAPK信号通路联系起 来。在高等生物中，Raf丝/苏氨酸激酶家族由三个成员组成， 分别为A-raf、B-raf和C-raf(也称 Raf-1 )。随着研究的深入，Ras信号通路构成一个复杂的网络。 简单地说，被生长因子激活的酪氨酸激酶受体 RTKs以直接或间接的方式结合 GRB2 ( growth factor receptor-b

29、ound protein2)。GRB2与受体RTK结合后招募鸟苷酸交换因子 SOS蛋白定位在与Ras相邻的细胞膜上。这样，SOS与Ras形成复合体后，GTP取代GDP与Ras结合，Ras被激活；而当GTP 被水解成GDP后，Ras失活。Ras蛋白被激活后，产生一系列级联放大反应。首先，它招 募细胞浆内的Raf1蛋白至细胞膜上。之后， Raf激酶磷酸化 MAPK激酶(MAPKK，又称MEK)，再由 MEK 激活 ERK1/2 (extracellular signal regulated kinase ，又称 MAPK)。ERK被激活后，转至细胞核内并直接激活转录因子，产生相应的生物学效应。需要

30、特别指出的是，Raf的激活并不完全依赖于 Ras，ERK也能被除Ras之外的其它蛋白激活。 这表明信号通路级联反应中的每一个信号蛋白都可能被多个上游蛋白所控制， 而它们也可以有多个下游的靶蛋白，从而形成一个极其复杂的网络调控结构。共享知识 分享快乐随着信号通路研究的拓展，人们开始研究 Ras信号致癌的机理。在超过 60%的人类恶性黑色素瘤中，都发现了 B-raf的激活突变，这种突变还存在于一些直肠癌以及甲状腺和肺部的 肿瘤中。B-raf突变后，在某些情况下与 C-raf形成异源二聚体，随后持续地激活下游的 ERK信号，并最终激活蛋白激酶 mTOR。肿瘤细胞中也存在不涉及 Ras本身的突变而又持

31、续激活Ras的情况。NF1基因是最早被发现的肿瘤抑制基因之一，它是一个 GAP蛋白(GTPase-activating protein )。NF1基因缺失突变后， 由于GTP水解的减少而导致 GTP结合形式的Ras蛋白的积累，从而提高 Ras的活性。除此之外，降低 miRNA let-7 的表达 使靶基因Ras mRNA增加，也能提高 Ras的活性。这里所提到的这些蛋白成分都是未来很 好的药物靶点分子。3)Ras-P 1(3) K信号通路与癌症早在20年前，PI(3)K信号就被视为一条与病毒癌基因密切相关的信号通路。最近 5年，人们发现在所有的散发性肿瘤中这条信号通路最常见。在淋巴瘤、卵巢癌、乳腺癌、胰腺癌、 肾癌、肺癌、前列腺癌以及其它癌症中这条通路都具异常性。 PI(3)K信号通路可以通过激活RTK和Ras，进而活化下游的靶蛋白 mTOR。需要指出的是，丝/苏氨酸蛋白激酶 AKT家族的很多成员都是 PI(3)K信号通路在癌症中的重要靶点， 例如在10%20%的胰腺癌、40%的肝癌和50%的结肠癌中都可以检测到 AKT2基因的大量表达，这是 PI(3)K信号通路在癌细胞中异常激活的有力证据。在一些原发性结肠癌和卵巢癌中也检测到 PI(3)K调控亚基p85?的突变。这条通路中另一个关键的调节因子是 PTEN ( phosphatase and ten