发育中的信号转导过程与网络调控

第三章发育中的信号传导与网络调控概述信号传导是细胞间通讯的主要形式，即由信号细胞产生信号分子，诱导靶细胞发生某种反应。靶细胞通常通过特异性受体识别细胞外信号分子，并把细胞外信号转变为细胞内信号，引起细胞发生反应，这一过程称为信号传导。第一节参与早期胚胎发育的信号调节途径①TGFβ信号途径②Wnt信号途径③Hedgehog['hedʒhɔg]信号途径④Notch[nɔtʃ]信号途径⑤酪氨酸激酶受体途径⑥JAK-STAT信号途径⑦视黄酸（retinoicacid，RA）途径一、TGFβ信号途径TGFβ：即转化生长因子β是一类分泌性的信号分子。TGFβ超家族因子包括30多个成员，可分为TGFβ、BMP、Activin等亚类。TGFβ家族因子在早期发育中起着关键作用：TGFβl，2，3，5：参与了细胞外基质形成和细胞分裂的调节；BMP因子：在脊椎动物及果蝇的胚胎背-腹轴图示形成过程中具有重要作用；Nodal(属于BMP因子亚类)：在脊椎动物胚胎中胚层的图示形成及左-右轴的建立过程中起着关键作用。一、TGFβ信号途径TGFβ类分子是以前体形式合成的，需要经过加工才能成为有活性的成熟形式，其成熟单体之间通过二硫键形成二聚体。TGFβ类配体（与受体专一性结合的分子）通过其受体复合体激活下游信号传递。其受体具有丝氨酸／苏氨酸激酶活性，包括2个亚类，即I型和II型受体。I型、II型受体I型和II型受体均为单跨膜受体蛋白，激酶活性区城位于膜内，但I型受体在膜内紧接着跨膜区有一个特征性的富含甘氨酸与丝氨酸的区域(称为GS区城)。不同的TGFβ类配体结合不同的I型和II型受体，二者都是信号传导所必需的。一、TGFβ信号途径①TGFβ配体首先与II类受体(TβR-II)结合；②TGFβI类受体(TβR-I)也被募集到这一复合体中；③TβR-II会磷酸化TβR-I的GS区域并使其活化。TβR-I单独不能结合TGFβ。BMPI型或II型受体可以单独较弱地结合BMP分子，但只有在I、II型受体共同存在时才具有高亲和力。研究表明：TGFβ信号传导受体复合物是一个异源四聚体，包括2个TβR-I和2个TβR-II分子。Smad蛋白Smad蛋白(果蝇中为Mad)在传递TGFβ类信号中起着关键作用。脊椎动物至少有9个Smad，依据共功能不同可分为3类，即受体调节型Smad(R-Smad)、通用型(Co-Smad)和抑制型Smad。④TGFβI类受体被激活后可磷酸化R-Smad。R-Smad具有受体特异性，BMP受体可激活Smad1，5，而TGFβ、Activin可激活Smad2，3。⑤R-Smad被活化后与Co-Smad(Smad4)形成复合体并转运至细胞核内调节靶基因的表达。抑制型Smad：包括Smad6，7。它们可与R-Smad竞争I型受体结合位点而抑制其激活。Smad6也可通过与R-Smad形成无活性的二聚体而抑制其活性。TGFβ信号途径TGFβ信号途径二、Wnt信号途径Wnt基因家族编码一类分泌性的信号因子，在早期胚胎发育中具有重要功能。最早发现的wnt家族基因是小鼠的wnt-1（最初称int-1）和果蝇的wingless。人类有19个wnt基因，果蝇有7个。Wnt可以激活多种信号传导途径，引起不同的细胞反应。Wnt蛋白分类根据其活性的差异，可将Wnt蛋白分为两大类，Wnt-1/wg类和Wnt-5a类。①wnt-I类：（如wnt-1，-2，-3A，-7B，-8及-8B，wingless）在爪蟾胚胎中异位表达时可以诱导次级体轴的形成并能够转化C57MG乳腺上皮细胞；②wnt-5a类：（如wnt-4，-5A及-11）不具有次级体轴诱导的能力，但可以降低细胞的黏着性，改变细胞的运动状态。（一）Wnt/β-catenin途径Wnt/β-catenin信号途径又称经典Wnt信号途径。参与了脊椎动物胚胎体轴的建立与分化、果蝇的分节等发育过程。Wnt的主要受体是Frizzled（Fz）家族受体，属于7次跨膜蛋白。其N端膜外区含有一个富含半胱氨酸（Cys）的区域，是与Wnt配体结合的区域。Wnt/β-catenin信号的活化还需要另一个Wnt辅助受体LRP5/6（属于低密度脂蛋白受体相关蛋白，果蝇中的同源蛋白称为Arrow）。β–cateninβ–catenin（果蝇中称Armadillo）是该途径中的效应因子。β–catenin具有两种功能：①一方面在细胞连接处它与钙粘素相互作用，参与形成粘合带（细胞连接的一种），对于细胞粘连具有重要作用；②另一方面，存在于细胞之中的可溶性β–catenin则参与了Wnt信号的传导。Wnt/β-catenin途径失活①在Wnt信号没有被激活时，胞质内的β–catenin与多种蛋白质形成一个复合体，包括GSK3、APC、Axin等。GSK3：糖原合成激酶，在没有Wnt信号时，GSK-3能将磷酸基团加到β-catenin氨基端的丝氨酸/苏氨酸残基上，磷酸化的β-catenin通过泛素-蛋白酶体途径被迅速降解。APC：一种抑癌基因，其突变引起良性肿瘤——腺瘤性结肠息肉病，APC蛋白的作用是增强复合体与β-catenin的亲和力。Axin：一种支架蛋白，具有多个与其它蛋白作用的位点，能将APC、GSK3、β-catenin等结合在一起。Axinβ-cateninGSK3APCWntAxinβ-cateninGSK3APC靶基因细胞核GroTCF靶基因细胞核TCFβ-cateninLRP5/6FrizzledFrizzledLRP5/6DshDshWntFrizzledDshRacRhoADaam1JNKRock细胞骨架调节，转录调节ABCpp泛素-蛋白酶体途径降解Wnt/β-catenin信号通路未激活状态Wnt/β-catenin信号通路激活状态Wnt/PCP信号通路Wnt/β-catenin途径活化②当Wnt配体与Fz/LRP6（受体/辅助受体）结合时，会诱导Axin与LRP6膜内部分结合，使得原蛋白复合体解聚。同时Fz可通过Dishevelled（Dsh）抑制GSK3的活性，β–catenin不会被降解掉。Dsh是一种多功能蛋白，可以与多种蛋白结合，在不同条件下可分别参与Wnt/β–catenin途径和Wnt/JNK途径。③β–catenin在细胞质内积累，并进入细胞核内，与T-细胞因子（TCF）家族的转录因子一起激活靶基因的转录。④当β–catenin不存在时，TCF可与转录抑制因子Groucho（Gro）结合而抑制相应基因的转录。Wnt/β-catenin途径活化抑制GSK3的活性结合复合体解聚（二）Wnt/JNK途径Wnt/JNK途径又称为平面细胞极性途径或非经典Wnt信号途径。最早发现于果蝇。在果蝇上皮性组织中，细胞的表面结构或不同类型的细胞在组织水平面的分布是不对称的，如上皮刚毛的分布，复眼中不同类型细胞的分布等，这种极性称为平面细胞极性（PCP）或组织极性。若调节该极性的信号途径基因发生突变，则会使刚毛、复眼等结构的位置和排列方向发生随机改变。Fz和Dsh在Wnt/JNK途径中的作用对果蝇中该类突变的研究发现Fz和Dsh也参与了这一过程。Dsh的下游因子包括Rho家族的小分子GTP酶RhoA和Rac，可以结合并水解GTP。小分子GTP酶在其结合GTP时是有活性的，可活化下游效应分子，而当GTP被水解成为GDP时则回复到非活性状态。Wnt/JNK途径①在Wnt/JNK途径中，Wnt/Fz通过Dsh同时激活Rac和RhoA，其中对RhoA的激活需要Daam1的作用。②Rac进而激活JNK，而RhoA则激活Rock。③JNK和Rock再激活其下游效应因子，最终引起细胞骨架的重排和转录水平的变化。Wnt/JNK途径三、Hedgehog信号途径Hedgehog（Hh）家族蛋白是一类分泌性信号分子，在动物发育过程中具有重要作用。果蝇的Hedgehog信号途径在体节形成中起着重要作用；脊椎动物的Sonichedgehog（Shh）参与了神经系统的背-腹轴图式形成及肢的发育，Indianhedgehog（Ihh）参与了骨骼的发育。Hedgehog蛋白Hh蛋白是以前体形式合成的，其中其N末端具有信号活性而C末端具有蛋白酶活性，Hh蛋白合成后经历一个自我催化的裂解过程，形成N末端（HhN)和C末端两部分，其中N末端部分具有信号活性。Hedgehog的受体Patched（Ptc）是一个12次跨膜蛋白，Ptc会抑制另一个7次跨膜蛋白Smoothened（Smo）的活性。Cubitusinterruptus（Ci）是这一信号途径中的转录效应因子，其脊椎动物中的同源蛋白是Gli。Hedgehog信号途径失活①在没有Hh配体时，Smo没有活性;②Ci蛋白与Cos2（一种微管结合蛋白）、Fused（一种激酶）和SuppressorofFused[Su（Fu），一种胞质蛋白]形成一个复合体并结合于微管之上；③Ci进而被PKA磷酸化并Slimb（一种F-box蛋白）依赖性地被蛋白酶分解。④分解产物Ci75是一种转录抑制因子，可以进入细胞核而抑制Hh靶基因的转录。Hedgehog信号途径失活Hedgehog信号途径活化①当Hh与Ptc结合时，Ptc发生构象改变，对Smo的抑制作用解除；②Smo的活化会促进Cos2/Fused/Su（Fu）复合物的磷酸化而从微管上解离下来，同时可抑制PKA活性，从而抑制Ci的裂解。③完整的Ci（Ci155）可以进入细胞核并结合转录激活辅助因子CBP，激活相应Hh靶基因的表达。Hedgehog信号途径活化四、Notch信号途径Notch信号途径在神经细胞的分化、脊椎动物体节的发育等过程中具有重要作用。Notch是一个很大的单跨膜受体蛋白，其配体也是一类跨膜蛋白，统称为DSL配体。Notch信号只能作用于相邻细胞之间。Notch信号的传递过程比较独特，是通过膜内蛋白水解机制（RIP）进行的。Notch信号途径从Notch受体的合成、加工到最后的信号传递先后经历了3次蛋白水解。①第一次发生在Notch的成熟过程中：在高尔基体中，Notch被Furin类转化酶水解为两个部分，二者之间通过非共价键形成异源二聚体并被转运到细胞膜表面。②当DSL配体与Notch结合时会诱发Notch发生两次断裂，第一次发生在膜外靠近细胞膜的地方，是由TACE类跨膜金属蛋白酶催化。Notch信号途径③紧接着，在Notch跨膜区中间发生断裂，这一过程是由跨膜的Presenilin类γ-分泌酶介导的。断裂后产生的游离的Notch胞内部分称为Notch细胞内区域（NICD）。④NICD进而被转运至细胞核内，并与CSL[CBF/Su（H）/Lag-1的第一个字母缩写]家族转录因子结合，激活Notch靶基因的表达。Notch信号途径①②③五、酪氨酸激酶受体途径大多数生长因子的细胞表面受体属于酪氨酸激酶受体（RTK）家族。生长因子：包括表皮生长因子（EGF）、成纤维细胞生长因子（FGF）、神经细胞生长因子（NGF）、血小板源生长因子（PDGF）、血管内皮细胞生长因子、胰岛素、胰岛素样生长因子（IGF）、Ephrin等。这些生长因子在早期发育中具有重要作用：EGF在果蝇卵子轴性的决定及成虫盘的发育中；FGF在脊椎动物神经系统图式形成和肢的发育中；Ephrin在脊椎动物体节形成、后脑分节及神经轴突的导向过程中都起着关键作用。酪氨酸激酶受体（RTK）家族RTK属于单跨膜蛋白，其共同特征是细胞内部分带有酪氨酸激酶结构域，具有酪氨酸激酶活性。不同生长因子受体在结构上也有所差异。RTK与相应配体结合后，会发生二聚体化或多聚体化，分子间相互催化在多个位点发生磷酸化。磷酸化的RTK胞内部分为多种信号传导蛋白提供了结合部位。膜外膜内细胞膜MAPK信号传递途径RTK主要激活MAPK（丝裂原激活