常見信號通路

1、常見的幾種信號通路1 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。(1) 酪氨酸激酶相關(guān)受體（tyrosine kinase associated receptor）許多細(xì)胞因子和生長因子通過JAK-STAT信號通路來傳導(dǎo)信號，這包括白介素2?7（IL-2?7）、GM-CSF（粒細(xì)胞/巨噬細(xì)胞集落刺激因子）、GH（生長激素）、

2、EGF（表皮生長因子）、PDGF （血小板衍生因子）以及IFN（干擾素）等等。這些細(xì)胞因子和生長因子在細(xì)胞膜上有相應(yīng)的受體。這些受體的共同特點是受體本身不具有激酶活性，但胞內(nèi)段具有酪氨酸激酶JAK的結(jié)合位點。受體與配體結(jié)合后，通過與之相結(jié)合的JAK的活化，來磷酸化各種靶蛋白的酪氨酸殘基以實現(xiàn)信號從胞外到胞內(nèi)的轉(zhuǎn)遞。(2) 酪氨酸激酶JAK（Janus kinase）很多酪氨酸激酶都是細(xì)胞膜受體，它們統(tǒng)稱為酪氨酸激酶受體（receptortyrosine kinase, RTK），而JAK卻是一類非跨膜型的酪氨酸激酶。JAK是英文Janus kinase的縮寫，Janus在羅馬神話中是掌管開始和

3、終結(jié)的兩面神。之所以稱為兩面神激酶，是因為JAK既能磷酸化與其相結(jié)合的細(xì)胞因子受體，又能磷酸化多個含特定SH2結(jié)構(gòu)域的信號分子。JAK蛋白家族共包括4個成員：JAK1、JAK2、JAK3以及Tyk2，它們在結(jié)構(gòu)上有7個JAK同源結(jié)構(gòu)域（JAK homology domain, JH），其中JH1結(jié)構(gòu)域為激酶區(qū)、JH2結(jié)構(gòu)域是“假”激酶區(qū)、JH6和JH7是受體結(jié)合區(qū)域。(3) 轉(zhuǎn)錄因子STAT（signal transducer and activator of transcription） STAT被稱為“信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活子”。顧名思義，STAT在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活上發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用。目

4、前已發(fā)現(xiàn)STAT家族的六個成員，即STAT1-STAT6。STAT蛋白在結(jié)構(gòu)上可分為以下幾個功能區(qū)段：N-端保守序列、DNA結(jié)合區(qū)、SH3結(jié)構(gòu)域、SH2結(jié)構(gòu)域及C-端的轉(zhuǎn)錄激活區(qū)。其中，序列上最保守和功能上最重要的區(qū)段是SH2結(jié)構(gòu)域，它具有與酪氨酸激酶Src的SH2結(jié)構(gòu)域完全相同的核心序列“GTFLLRFSS”。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

5、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。2 p53信號1) p53基因的發(fā)現(xiàn)p53基因是迄今發(fā)現(xiàn)與腫瘤相關(guān)性最高的基因。1979年，

6、Lane和Crawford在感染了SV40的小鼠細(xì)胞內(nèi)分離獲得一個與SV40大T抗原相互作用的蛋白，因其分子量為53 kDa，故而取名為p53（人的基因稱為TP53）3。起初，p53被誤認(rèn)為是癌基因，直到上個世紀(jì)90年代，人們才認(rèn)識到引起腫瘤形成或細(xì)胞癌變的p53蛋白是p53基因的突變產(chǎn)物。野生型p53基因是一種重要的抑癌基因，它是細(xì)胞生長周期中的負(fù)調(diào)節(jié)因子，在細(xì)胞周期調(diào)控、DNA損傷修復(fù)、細(xì)胞分化、凋亡和衰老等許多過程中發(fā)揮了重要的生物學(xué)功能，因而被譽為“細(xì)胞衛(wèi)士”。隨著研究的深入，人、猴、雞、大鼠、非洲爪蟾和斑馬魚等多種模式動物的p53基因也相繼被克隆。其中，人類TP53基因定位于染色體1

7、7P13.1，小鼠p53基因被定位在11號染色體上，并在14號染色體上發(fā)現(xiàn)無功能的假基因。在這些進(jìn)化程度迥異的動物中，它們的p53基因結(jié)構(gòu)卻異常保守，基因全長16-20kb，都由11個外顯子和10個內(nèi)含子組成。其中第1個外顯子不編碼結(jié)構(gòu)域，外顯子2、4、5、7、8則分別編碼5個進(jìn)化上高度保守的結(jié)構(gòu)域，轉(zhuǎn)錄形成約2.5 kb的mRNA。之后，在基因同源性的基礎(chǔ)上又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了p53家族的其它成員，分別是p73和p63，它們也因各自的分子量而得名，具有和p53相似的結(jié)構(gòu)和功能。2) p53信號通路p53基因受多種信號因子的調(diào)控。例如：當(dāng)細(xì)胞中的DNA損傷或細(xì)胞增殖異常時，p53基因被激活，導(dǎo)致細(xì)胞周

8、期停滯并啟動DNA修復(fù)機制，使損傷的DNA得以修復(fù)。然而，當(dāng)DNA損傷過度而無法被修復(fù)時，作為轉(zhuǎn)錄因子的p53還可進(jìn)一步激活下游促凋亡基因的轉(zhuǎn)錄，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡并殺死有DNA損傷的細(xì)胞。不然，這些DNA損傷的細(xì)胞就可能逐漸脫離正常的調(diào)控，有可能最終形成腫瘤。雖然正常狀態(tài)下p53的mRNA水平很高，而且有大量蛋白質(zhì)合成，但p53蛋白容易降解，所以正常細(xì)胞內(nèi)p53蛋白水平很低。蛋白的泛素化（ubiquitination）修飾是細(xì)胞內(nèi)蛋白代謝過程中的最普通的降解方式，p53蛋白的降解也是通過泛素化來實現(xiàn)的。MDM2是一種特異性針對p53的泛素化E3連接酶，它可直接與p53蛋白結(jié)合來促進(jìn)p53蛋白的泛素

9、化降解，并在細(xì)胞內(nèi)p53蛋白動態(tài)平衡中發(fā)揮關(guān)鍵的作用。MDM2本身也可被p53蛋白激活，因此MDM2是p53通路中重要的負(fù)反饋調(diào)節(jié)因子（negative feedback regulator）。3) p53與腫瘤p53基因敲除小鼠雖然可以產(chǎn)生后代，但其生長發(fā)育過程中會出現(xiàn)高頻率的自發(fā)性腫瘤，這提示p53蛋白與腫瘤之間存在密切的關(guān)系。事實上，目前TP53基因是與人類腫瘤的相關(guān)性最高的基因，與50%以上的人類惡性腫瘤有關(guān)，而且現(xiàn)正已在超過51種人類腫瘤病例中發(fā)現(xiàn)TP53基因的異常表達(dá)和功能失活。TP53基因突變是其功能失活的主要原因，至今已發(fā)現(xiàn)400多種TP53基因突變類型，其中147種與胃腸道腫

10、瘤有關(guān)，而最常見的突變方式是點突變。通過分析大量腫瘤病例中的TP53突變位點，證實腫瘤中95.1%的p53點突變位點發(fā)生在高度保守的DNA結(jié)合區(qū)，尤以第175、245、248、249、273和282位點的突變率最高。此外，某些點突變改變了p53的空間構(gòu)象，影響了p53蛋白與MDM2和p300等蛋白的相互作用。另一些點突變發(fā)生在p53的核定位信號區(qū)，使p53無法進(jìn)入細(xì)胞核發(fā)揮轉(zhuǎn)錄激活的功能。不同腫瘤的TP53基因突變位點并不一致，例如：結(jié)腸癌中G:CA:T轉(zhuǎn)換占到79%；在乳腺癌中，GT顛換占到1/4，而這種突變在結(jié)腸癌十分少見；淋巴瘤和白血病的TP53基因突變方式與結(jié)腸癌相似；在肺癌中G:CT

11、:A突變最普遍，而食道癌中發(fā)生GT顛換的頻率很高。目前看來，在腫瘤形成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和調(diào)控體系中，p53是最主要的因素。有人認(rèn)為p53是很好的腫瘤診斷標(biāo)志物，可以作為癌癥早期診斷的重要指標(biāo)。認(rèn)識到p53基因的重要作用后，全世界數(shù)以千計的分子生物學(xué)家正在拋開原來的課題轉(zhuǎn)而研究p53，希望以此作為攻克癌癥的突破口?？茖W(xué)家相信，利用p53基因發(fā)現(xiàn)并治療癌癥的前景非常廣闊。除了基因治療，研究人員正在篩選可以影響p53基因上下游調(diào)控的小分子化合物。羅氏制藥公司開發(fā)的一種名為nutlins的小分子化合物，能夠干擾p53和MDM2之間的調(diào)控關(guān)系，有望成為一種有效的抗癌藥物。3 NF-B信號1975年，E. A.

12、 Carswell和L. J. Old等人發(fā)現(xiàn)已接種卡介苗的小鼠注射脂多糖后，小鼠血清中產(chǎn)生了一種可引起動物腫瘤組織出血壞死的物質(zhì)，該物質(zhì)對體外培養(yǎng)的多種腫瘤細(xì)胞株都具有細(xì)胞殺傷作用，于是他們將這種物質(zhì)命名為腫瘤壞死因子（tumour necrosis factor, TNF）。TNF是迄今發(fā)現(xiàn)的抗腫瘤效果最強的細(xì)胞因子。1984年起，歐美國家就開始把TNF的基因工程產(chǎn)品應(yīng)用到癌癥臨床治療中，并一度取得轟動的成果，然而最終由于毒副作用嚴(yán)重而被迫終止。九十年代末以來，隨著基礎(chǔ)研究的深入和基因工程技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家研制出一些高效、低毒的TNF變構(gòu)體，從而重新確立了TNF在抗腫瘤中的重要地位，掀開了

13、TNF在腫瘤研究和治療中的新篇章。1) TNF簡介TNF是一種糖蛋白，它以兩種形式存在：TNF-a和TNF-b。TNF-a由單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞產(chǎn)生，它可引起腫瘤組織出血壞死，而脂多糖（Lipopolysaccharides, LPS）是較強的刺激劑。TNF-b是一種淋巴因子，又稱淋巴毒素（lymphotoxin, LT）?？乖蚪z裂原均可刺激T淋巴細(xì)胞分泌TNF-b，具有腫瘤殺傷及免疫調(diào)節(jié)功能。 人的TNF-a基因長2.76 kb，由4個外顯子和3個內(nèi)含子組成，定位在第六號染色體上。人TNF-a前體由233個氨基酸組成，含有76個氨基酸殘基的信號肽，切除信號肽后形成157個氨基酸的成熟型非糖基

14、化的TNF-a。通過基因工程方法改造后的TNF-a具有更好的生物學(xué)活性和抗腫瘤效果。2) TNF與NF-kB信號通路TNF-a與TNF-b分子結(jié)構(gòu)相似，所發(fā)揮的生物學(xué)效應(yīng)相近。胞外因子TNF-以三聚體形式發(fā)揮信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功能，與TNF受體（TNF receptor, TNFR）結(jié)合引起受體多聚化，這種多聚化使得TNF受體與細(xì)胞質(zhì)中TRADD分子發(fā)生相互作用。TRADD招募相應(yīng)蛋白后介導(dǎo)兩條轉(zhuǎn)導(dǎo)通路：一條是通過TRAF2和RIP分子誘導(dǎo)NF-B的活化，參與抗凋亡；另一條是通過FADD分子導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。TNFR只有在蛋白合成受阻的情況下才會誘導(dǎo)凋亡，下面我們將著重介紹由TNF激活的NF-kB信號通路。

15、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輕鏈基因的增強子B序列GGGACTTTCC特異性結(jié)合，促進(jìn)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。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

16、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

17、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，從而啟動或增強相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。3) NF-kB信號通路與癌

18、癥NF-kB具有明顯的抑制細(xì)胞凋亡的功能，與腫瘤的發(fā)生、生長和轉(zhuǎn)移等多個過程密切相關(guān)。在人類腫瘤尤其是淋巴系統(tǒng)的惡性腫瘤中，?？砂l(fā)現(xiàn)NF-kB家族基因的突變。NF-kB家族與癌癥相關(guān)性的第一個線索是c-Rel基因的發(fā)現(xiàn)，它是禽類逆轉(zhuǎn)錄病毒癌基因v-Rel在細(xì)胞內(nèi)的同源基因。該病毒在雞體中造成多種造血細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化，引起淋巴癌的發(fā)生。由于NF-kB的下游基因包括CyclinD1和c-Myc，因此NF-kB的持續(xù)激活會刺激細(xì)胞生長，導(dǎo)致細(xì)胞增殖失控。NF-kB在很多癌細(xì)胞中表達(dá)異常，如在75的乳腺癌樣品中NF-kB2的表達(dá)比鄰近的正常組織高很多倍。腫瘤細(xì)胞遷移并浸潤到周圍組織是腫瘤擴散和轉(zhuǎn)移的前提條

19、件。NF-kB對腫瘤轉(zhuǎn)移具有明顯的促進(jìn)作用，它能促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移相關(guān)基因ICAM-1、VCAM-1、MMP-9等的表達(dá)。NF-kB還能誘導(dǎo)血管內(nèi)皮生長因子VEGF的表達(dá)，促進(jìn)血管形成。此外，NF-kB還能通過調(diào)節(jié)COX2等基因的表達(dá)來促進(jìn)腫瘤生長。NF-kB與腫瘤治療息息相關(guān)。IFN-a、IFN-b、TNF-a、IL-2、G-CSF、GM-CSF和EPO是迄今為止被批準(zhǔn)用于臨床腫瘤治療的幾種細(xì)胞因子，其中前6種生長因子已被證實與NF-kB的信號通路有關(guān)。目前，國內(nèi)外主要以NF-kB為靶點，使用抗氧化劑抑制NF-kB活性以及針對p65和p50設(shè)計小分子干擾RNA（siRNA）抑制NF-kB合成等方法

20、作為癌癥的治療策略，而且在動物實驗及細(xì)胞培養(yǎng)中取得不同程度的療效，但是離臨床應(yīng)用還有很大距離。由于TNF-a具有很好的抗腫瘤作用和多種免疫調(diào)節(jié)功能，許多國家開展了用TNF治療癌癥的臨床研究。動物實驗和臨床實驗均表明，TNF-a對某些腫瘤具有明顯的抑制作用，但是由于不能很好地區(qū)分癌細(xì)胞和正常細(xì)胞，使用TNF-a后副作用較大，這為其大規(guī)模臨床應(yīng)用造成困難。應(yīng)用基因工程改造得到低毒高效的TNF-a變構(gòu)體，對某些腫瘤的治療效果尤佳。將TNF-a與其它具有腫瘤抑制作用的細(xì)胞因子，如IL-2、IFN-g等聯(lián)合使用，既可減少用藥量、降低毒副作用，又可提高療效，因而有望更快地大量應(yīng)用于臨床。4 Ras、PI(

21、3)K和mTOR信號1) 控制腫瘤生長的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

22、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。Ras、PI(3)K和mTOR是目前研究得最為清楚的信號通路之一。下面，我們將簡單地介紹一下這條信號通路中的幾個關(guān)鍵組分：(1) PI(3)K是英文phosphatidylinositol-3-kinase（磷脂酰肌醇-3-激酶）的縮寫。它是一個包括許多脂質(zhì)激酶的家族，由一個調(diào)節(jié)亞基（p85）和一個催化亞基（p110）組成。當(dāng)配體與膜受體結(jié)合后，受體激活p85并招募p110，進(jìn)而催化膜內(nèi)表面的PIP2（phosphatidylinositol 4, 5-bisphosphate）生成PI3P（phosphatidylinositol 3-phosp

23、hate）。PI3P作為第二信使，進(jìn)一步激活A(yù)KT和PDK1（phosphoinositide-dependent kinase 1）。(2) AKT又稱作PKB（protein kinase B），是PI3K重要的下游分子，包括至少3種形式，分別為AKT1、AKT2和AKT3。它們對于調(diào)控細(xì)胞的生長、增殖、存活以及糖代謝都起著十分重要的作用。(3) mTOR（mammalian target of rapamycin）是一類絲/蘇氨酸激酶。1991年，人們在酵母中發(fā)現(xiàn)了雷帕霉素（rapamycin）的作用靶點，取名為TOR。與酵母相比，哺乳動物的TOR蛋白在進(jìn)化和功能上高度保守，也就相應(yīng)地稱

24、為mTOR。mTOR蛋白的C末端具有激酶活性，它是細(xì)胞生長和增殖的關(guān)鍵調(diào)節(jié)分子，可接收生長因子、營養(yǎng)、能量等多種信號，并通過PI3K/AKT或Ras/ERK信號通路來發(fā)揮作用，而對mTOR信號通路的抑制可以使細(xì)胞停滯在G1期而觸發(fā)細(xì)胞凋亡。 簡單地說，當(dāng)EGF、胰島素等生長因子結(jié)合到細(xì)胞膜表面的酪氨酸激酶受體（receptor tyrosine kinase, RTK）后，RTK通過其酪氨酸激酶活性分別激活兩個關(guān)鍵的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子：小G蛋白Ras和激酶PI(3)K，再由Ras和PI(3)K共同激活下游關(guān)鍵分子mTOR。激活后的mTOR蛋白促使底物S6K（S6 kinase）和4EBP1（4E b

25、inding protein 1）發(fā)生磷酸化。由于這兩個底物都是蛋白翻譯過程中關(guān)鍵性的調(diào)節(jié)因子，它們的磷酸化導(dǎo)致核糖體蛋白合成的起始和增加。此外，胞外營養(yǎng)物質(zhì)氨基酸、ATP等也能調(diào)控mTOR的激酶活性。于是，mTOR蛋白整合生長因子和環(huán)境養(yǎng)分兩種信號，通過嚴(yán)格調(diào)控細(xì)胞有絲分裂和代謝響應(yīng)不同的環(huán)境條件，保證細(xì)胞只在有利的環(huán)境下增殖。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)

26、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。2) Ras-Raf通路與癌癥1982年，美國科學(xué)家R.A. Weinberg等人從膀胱癌細(xì)胞中克隆得到第一個人類癌基因，由于它和之前發(fā)現(xiàn)的鼠肉瘤病毒基因c-ras高度同源，故而被命名為ras基因（rat sarcoma）。Ras基因在進(jìn)化中高度保守，廣泛存在于各種真核生物細(xì)胞中。哺乳動物的Ras蛋白家族有三個成員，分別是H-ras、

27、K-ras和N-ras。由于Ras蛋白的相對分子量是21 kDa，故又被稱為p21。Ras蛋白定位于細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)，為GTP/GDP結(jié)合蛋白，通過GTP與GDP的相互轉(zhuǎn)化來調(diào)節(jié)信號通路的傳遞；之后，人們又發(fā)現(xiàn)了Ras的直接效應(yīng)因子Raf-110，這就將Ras和ERK/MAPK信號通路聯(lián)系起來。在高等生物中，Raf絲/蘇氨酸激酶家族由三個成員組成，分別為A-raf、B-raf和C-raf（也稱Raf-1）。隨著研究的深入，Ras信號通路構(gòu)成一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。簡單地說，被生長因子激活的酪氨酸激酶受體RTKs以直接或間接的方式結(jié)合GRB2（growth factor receptor-bound prot

28、ein 2）。GRB2與受體RTK結(jié)合后招募鳥苷酸交換因子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)合體后，GTP取代GDP與Ras結(jié)合，Ras被激活；而當(dāng)GTP被水解成GDP后，Ras失活。Ras蛋白被激活后，產(chǎn)生一系列級聯(lián)放大反應(yīng)。首先，它招募細(xì)胞漿內(nèi)的Raf1蛋白至細(xì)胞膜上。之后，Raf激酶磷酸化MAPK激酶（MAPKK，又稱MEK），再由MEK激活ERK1/2（extracellular signal regulated kinase，又稱MAPK）。ERK被激活后，轉(zhuǎn)至細(xì)胞核內(nèi)并直接激活轉(zhuǎn)錄因子，產(chǎn)生相應(yīng)的生物學(xué)效應(yīng)。需要特別指出的是，Raf的激活并不完全依賴

29、于Ras，ERK也能被除Ras之外的其它蛋白激活。這表明信號通路級聯(lián)反應(yīng)中的每一個信號蛋白都可能被多個上游蛋白所控制，而它們也可以有多個下游的靶蛋白，從而形成一個極其復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控結(jié)構(gòu)。隨著信號通路研究的拓展，人們開始研究Ras信號致癌的機理。在超過60%的人類惡性黑色素瘤中，都發(fā)現(xiàn)了B-raf的激活突變，這種突變還存在于一些直腸癌以及甲狀腺和肺部的腫瘤中。B-raf突變后，在某些情況下與C-raf形成異源二聚體，隨后持續(xù)地激活下游的ERK信號，并最終激活蛋白激酶mTOR。腫瘤細(xì)胞中也存在不涉及Ras本身的突變而又持續(xù)激活Ras的情況。NF1基因是最早被發(fā)現(xiàn)的腫瘤抑制基因之一，它是一個GAP蛋

30、白（GTPase-activating protein）。NF1基因缺失突變后，由于GTP水解的減少而導(dǎo)致GTP結(jié)合形式的Ras蛋白的積累，從而提高Ras的活性。除此之外，降低miRNA let-7的表達(dá)使靶基因Ras mRNA增加，也能提高Ras的活性。這里所提到的這些蛋白成分都是未來很好的藥物靶點分子。3) Ras-PI(3)K信號通路與癌癥早在20年前，PI(3)K信號就被視為一條與病毒癌基因密切相關(guān)的信號通路。最近5年，人們發(fā)現(xiàn)在所有的散發(fā)性腫瘤中這條信號通路最常見。在淋巴瘤、卵巢癌、乳腺癌、胰腺癌、腎癌、肺癌、前列腺癌以及其它癌癥中這條通路都具異常性。PI(3)K信號通路可以通過激活

31、RTK和Ras，進(jìn)而活化下游的靶蛋白mTOR。需要指出的是，絲/蘇氨酸蛋白激酶AKT家族的很多成員都是PI(3)K信號通路在癌癥中的重要靶點，例如在10%20%的胰腺癌、40%的肝癌和50%的結(jié)腸癌中都可以檢測到AKT2基因的大量表達(dá)，這是PI(3)K信號通路在癌細(xì)胞中異常激活的有力證據(jù)。在一些原發(fā)性結(jié)腸癌和卵巢癌中也檢測到PI(3)K調(diào)控亞基p85?的突變。這條通路中另一個關(guān)鍵的調(diào)節(jié)因子是PTEN（phosphatase and tensin homolog），作為重要的腫瘤抑制基因，它的突變將會導(dǎo)致第二信使PIP3的大量積累，過度激活下游的mTOR通路而使細(xì)胞發(fā)生癌變。4) 結(jié)語Ras-R

32、af和Ras-PI(3)K以及其所激活的mTOR信號通路涉及了多個癌基因和抑癌基因的激活和失活，與腫瘤的發(fā)生密切相關(guān)，日益成為腫瘤研究的熱點。這些基礎(chǔ)研究將為癌癥的治療提供更多的方案。在過去的幾年中，激酶mTOR的三種抑制劑，分別是雷帕霉素的類似物everolimus、deforolimus和前體temsirolimus已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗階段。隨著這些研究的深入，我們相信會有更多的針對這些信號通路中的分子藥物被篩選出來，為最終診治癌癥提供良方。經(jīng)典信號通路之PI3K-AKT-mTOR信號通路2014-11-20 14:07   來源： 丁香園  點擊次數(shù)：15673

33、關(guān)鍵詞： PI3K-AKT-mTOR 信號通路磷脂酰肌醇3-激酶(PI3Ks)信號通路相關(guān)磷脂酰肌醇3-激酶(PI3Ks)蛋白家族參與細(xì)胞增殖、分化、凋亡和葡萄糖轉(zhuǎn)運等多種細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)。PI3K活性的增加常與多種癌癥相關(guān)。PI3K磷 酸化磷脂酰肌醇PI(一種膜磷脂)肌醇環(huán)的第3位碳原子。PI在細(xì)胞膜組分中所占比例較小，比磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺和磷脂酰絲氨酸含量少。但在腦細(xì)胞 膜中，含量較為豐富，達(dá)磷脂總量的10%。PI的肌醇環(huán)上有5個可被磷酸化的位點，多種激酶可磷酸化PI肌醇環(huán)上的4th和5th位點，因而通常在這兩位點之一或兩位點發(fā)生磷酸化修飾，尤其發(fā)生 在質(zhì)膜內(nèi)側(cè)。通

34、常，PI-4,5-二磷酸(PIP2)在磷脂酶C的作用下，產(chǎn)生二酰甘油(DAG)和肌醇-1,4,5-三磷酸。PI3K轉(zhuǎn)移一個磷酸基團 至位點3，形成的產(chǎn)物對細(xì)胞的功能具有重要的影響。譬如，單磷酸化的PI-3-磷酸，能刺激細(xì)胞遷移(cell trafficking)，而未磷酸化的則不能。PI-3,4-二磷酸則可促進(jìn)細(xì)胞的增殖(生長)和增強對凋亡的抗性，而其前體分子PI-4-磷酸則不 然。PIP2轉(zhuǎn)換為PI-3,4,5-三磷酸，可調(diào)節(jié)細(xì)胞的黏附、生長和存活。PI3K的活化PI3K可分為3類，其結(jié)構(gòu)與功能各異。其中研究最廣泛的為I類PI3K, 此類PI3K為異源二聚體，由一個調(diào)節(jié)亞基和一個催化亞基組成

35、。調(diào)節(jié)亞基含有SH2和SH3結(jié)構(gòu)域，與含有相應(yīng)結(jié)合位點的靶蛋白相作用。該亞基通常稱為 p85, 參考于第一個被發(fā)現(xiàn)的亞型(isotype),然而目前已知的6種調(diào)節(jié)亞基，大小從50至110kDa不等。催化亞基有4種，即p110, ,，而僅限于白細(xì)胞，其余則廣泛分布于各種細(xì)胞中。PI3K的活化很大程度上參與到靠近其質(zhì)膜內(nèi)側(cè)的底物。多種生長因子和信號傳導(dǎo)復(fù)合 物，包括成纖維細(xì)胞生長因子(FGF)、血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)、人生長因子(HGF)、血管位蛋白I(Ang1)和胰島素都能啟始PI3K的激活 過程。這些因子激活受體酪氨酸激酶(RTK)，從而引起自磷酸化。受體上磷酸化的殘基為異源二聚化的PI

36、3Kp85亞基提供了一個停泊位點 (docking site)。然而在某些情況下，受體磷酸化則會介導(dǎo)募集一個接頭蛋白(adaptor protein)。比如，當(dāng)胰島素激活其受體后，則必須募集一個胰島素受體底物蛋白(IRS)，來促進(jìn)PI3K的結(jié)合。相似的，當(dāng)整連蛋白 integrin(非RTK)被激活后，粘著斑激酶(FAK) 則作為接頭蛋白，將PI3K通過其p85停泊。但在以上各情形下，p85亞基的SH2和SH3結(jié)構(gòu)域均在一個磷酸化位點與接頭蛋白結(jié)合。PI3K募集到活 化的受體后，起始多種PI中間體的磷酸化。與癌腫尤其相關(guān)的PI3K轉(zhuǎn)化PIP2為PIP3。PIP3作為錨定物(anchor)許多蛋

37、白含有一個Pleckstrin Homology(PH)結(jié)構(gòu)域，因而可使其與PI-3,4-P2或PI-3,4,5-P3相結(jié)合。這種相互作用可以控制蛋白與膜結(jié)合的時間與定位，通過 這種方式來調(diào)節(jié)蛋白的活性。蛋白與脂質(zhì)間的這種相互作用亦可能引起蛋白構(gòu)像的變化而改變蛋白的功能。PI3K激活的結(jié)果是在質(zhì)膜上產(chǎn)生第二信使PIP3, PIP3與細(xì)胞內(nèi)含有PH結(jié)構(gòu)域的信號蛋白AKT和PDK1(phosphoinositide dependent kinase-1)結(jié)合, 促使PDK1磷酸化AKT蛋白的Ser308導(dǎo)致AKT活化。其他PDK1的底物還包括PKC(蛋白激酶C)、S6K(p70S6)和 SGK(s

38、erum/glucocorticoid regulated kinases) 。AKT, 亦稱為蛋白激酶B(PKB)，是PI3K下游主要的效應(yīng)物。AKT可分為3種亞型(AKT1、AKT2、AKT3或PKB, PKB,PKB)，3種亞型的功能各異，但也有重疊。AKT的作用活化的AKT通過磷酸化多種酶、激酶和轉(zhuǎn)錄因子等下游因子，進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞的功能。譬如，AKT刺激葡萄糖的代謝：AKT激活A(yù)S160(AKT底 物，160kDa)，進(jìn)而促進(jìn)GLUT4轉(zhuǎn)座和肌細(xì)胞對葡萄糖的吸收。AKT也磷酸化GSK3而抑制其活性，從而促進(jìn)葡萄糖的代謝和調(diào)節(jié)細(xì)胞的周期。 AKT磷酸化TSC1/2(tuberous scl

39、erosis complex)，可阻止其對小G蛋白Rheb(Ras homology enriched in brain)的負(fù)調(diào)控，進(jìn)而使得Rheb富集以及對納巴霉素(rapamycin)敏感的mTOR復(fù)合體(mTORC1)的活化。這些作用可激活蛋白的翻 譯，增強細(xì)胞的生長。AKT通過下游多種途徑對靶蛋白進(jìn)行磷酸化而發(fā)揮抗凋亡作用。ATK激活I(lǐng)kB激酶(IKK),導(dǎo)致NF-B的抑制劑 IB的降解, 從而使NF-B從細(xì)胞質(zhì)中釋放出來進(jìn)行核轉(zhuǎn)位, 激活其靶基因而促進(jìn)細(xì)胞的存活。AKT磷酸化Bcl-2家族成員BAD，使其與14-3-3結(jié)合而阻止其與Bcl-XL結(jié)合起始凋亡。此外，AKT能抑制 蛋白水

40、解酶caspase-9的活性而阻止凋亡級聯(lián)反應(yīng)的激活。腫瘤抑制因子p53為一轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)控凋亡、DNA修復(fù)和細(xì)胞周期的停滯。Akt能通過磷 酸化P53結(jié)合蛋白MDM2影響P53的活性, 磷酸化的MDM2轉(zhuǎn)位到細(xì)胞核與P53結(jié)合, 通過增加P53蛋白的降解而影響細(xì)胞存活。Forkhead轉(zhuǎn)錄因子FOXO1( 或FKHR)調(diào)節(jié)涉及多種細(xì)胞功能基因的表達(dá)，包括凋亡、DNA修復(fù)和 細(xì)胞周期的停滯和葡萄糖代謝等，AKT磷酸化FOXO1，抑制其核轉(zhuǎn)位而阻止其轉(zhuǎn)錄激活作用。PTEN: 一個關(guān)鍵磷酸酶PTEN (phosphatase and tensin homology deleted on chromo

41、some 10),在廣泛的人類腫瘤中發(fā)生基因突變或缺失。PTEN是一個PIP3-磷酸酶，與PI3K的功能相反，它可以通過去磷酸化將PIP3轉(zhuǎn)變?yōu)镻I- 4,5-P2。PTEN可減少AKT的活化而阻止所有由AKT調(diào)控的下游信號傳導(dǎo)事件。通過產(chǎn)生PIP2, PTEN的功能遠(yuǎn)不止僅僅阻止AKT的作用。PIP2作為磷脂酶C(PLC)的底物，產(chǎn)生DAG和IP3作為第二信使，升高胞內(nèi)鈣離子的水平并激活蛋 白激酶C(PKC)。與膜結(jié)合的PIP2也能介導(dǎo)(增加)多種離子通道的活性，包括鈣離子、鉀離子和鈉離子通道。PIP也參與到膜泡的形成以及細(xì)胞骨架與 膜的相互作用過程中。PIP2還影響多種參與脂代謝的酶活性，

42、包括磷脂酶D和神經(jīng)酰胺-1-磷酸。通過從PIP產(chǎn)生PIP2, PTEN廣泛的影響著細(xì)胞的多種功能途徑。PTEN在減弱PIP3信號傳導(dǎo)而增加PIP2水平的過程中，發(fā)揮著重要的作用。PI3K-AKT-mTOR is one of the three major signalling pathways that have been identified as important in cancer. mTOR is a key kinase downstream of PI3K/AKT, which regulates tumor cell proliferation, growth, surviv

43、al and angiogenesis. Cancer cells escape normal biochemical systems regulating the balance between apoptosis (suicide) and survival. PI3K-AKT-mTOR generally acts to promote survival through inhibition of proapoptotic factors and activation of anti-apoptotic factors. Through phosphorylation, PI3K-AKT

44、-mTOR inhibits the activity of proapoptotic members while activating anti-apoptotic members. To negatively regulate PI3K, cells contain PTEN phosphatase. A reduction in PTEN expression indirectly stimulates PI3K-AKT-mTOR activity thereby contributing to oncogenesis in human. Recent data suggests tha

45、t the PI3K-AKT-mTOR signaling pathway plays an important role in cancer stem cell self-renewal and resistance to chemotherapy or radiotherapy, which is believed to be the root of treatment failure and cancer recurrence, as well as metastasis.癌癥中的PI3K-mTOR信號途徑Figure 1 | Minding your Ps: the PtdIns(4,

46、5)P2PtdIns(3,4,5)P3 cycle. Phosphatidylinositol phosphates are composed of a membrane-associated phosphatidic acid group and a glycerol moiety that is linked to a cytosolic phosphorylated inositol head group. Phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K) can phosphorylate PtdIns(4,5)P2 (PIP2) at the D3 posit

47、ion to form the second messenger PtdIns(3,4,5)P3 (PIP3). Phosphorylation at the D3 position is necessary for binding to the pleckstrin-homology domain of AKT (not shown). Dephosphorylation of PIP3 to regenerate PIP2 is accomplished by the 3-phosphatase PTEN. Additionally, PIP3 can be dephosphorylate

48、d at the D5 position by SHIP1 or SHIP2 to generate PtdIns(3,4)P2, another potential second messenger.PI3K的激活機制. Figure 2 |  Autophosphorylation of ligand-activated receptor tyrosine kinases (RTKs) causes recruitment of inactive heterodimeric class IA phosphatidylinositol 3-kinases (PI3Ks)

49、through the interaction of phosphotyrosine residues on the receptor and SRC-homology 2 (SH2) domains on the PI3K p85 regulatory subunit, or the adaptor proteins IRS1 and IRS2. IRS1 and IRS2 are phosphorylated by the activated receptor, generating docking sites for the SH2 domains of p85 and inducing

50、 proper assembly of the signalling complex. These SH2phosphotyrosine interactions bring PI3K in close proximity to its substrate at the plasma membrane and relieve the inhibitory action of p85 on the p110 catalytic subunit, which is then free to convert PtdIns(4,5)P2 (PIP2) into PtdIns(3,4,5)P3 (PIP

51、3). Alternatively, binding of PI3K to activated RAS can also stabilize its membrane localization and activate the catalytic domain. This occurs by recruitment of the adaptor proteins SHC, GRB2 and GAB2 to activated RTKs. C2, C2 domain; CD, catalytic domain; p85 BD, p85-binding domain; RBD, RAS-bindi

52、ng domain.AKT信號的調(diào)控Figure 3 |. Activation of AKT is initiated by membrane translocation,which occurs after cell stimulation and PtdIns(3,4,5)P3 (PIP3) production. Localization of AKT to the plasma membrane is accomplished by an interaction between its pleckstrin-homology (PH) domain and PIP3. At the

53、membrane, association with carboxy-terminal modulator protein (CTMP) prevents AKT from becoming phosphorylated and fully active. Phosphorylation of CTMP by an asyet unidentified kinase releases CTMP from AKT and allows AKT to be phosphorylated by PDK1 and PDK2 at Thr308 and Ser473, respectively. Pho

54、sphorylation at these two sites causes ful activation of AKT. C2, C2 domain; CD, catalytic domain; p85 BD, p85-binding domain.PI3K信號通路Figure 3 | Activation of class IA phosphatidylinositol 3-kinases (PI3Ks) occurs through stimulation of receptor tyrosine kinases (RTKs) and the concomitant assembly o

55、f receptorPI3K complexes. These complexes localize at the membrane where the p110 subunit of PI3K catalyses the conversion of PtdIns(4,5)P2 (PIP2) to PtdIns(3,4,5)P3 (PIP3). PIP3 serves as a second messenger that helps to activate AKT. Through phosphorylation, activated AKT mediates the activation a

56、nd inhibition of several targets, resulting in cellular growth, survival and proliferation through various mechanisms. Additionally, PI3K has been shown to regulate the activity of other cellular targets, such as the serum and glucocorticoid-inducible kinase (SGK), the small GTP-binding proteins RAC

57、1 and CDC42, and protein kinase C (PKC), in an AKT-independent manner through poorly characterized mechanisms. The activity of these targets leads to survival, cytoskeletal rearrangement and transformation. GSK35 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

58、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)致信號異常活化，就可能誘導(dǎo)癌癥的發(fā)生。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。1) Wnt信號通路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、-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-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-Catenin介導(dǎo)的經(jīng)典Wnt信號通路。下面我們將簡單介紹一下經(jīng)典Wnt信號通路的主要成