Notch信号通路研究进展

224 中国医药生物技术 2009年6月第4卷第3期Chin Med Biotechnol, June 2009, V ol. 4, No. 3 DOI:10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2009.03.012 ·综述·Notch信号通路研究进展王利祥，华子春1917 年，Morgan 及其同事在果蝇体内发现一种基因，因其功能部分缺失可导致果蝇翅缘出现缺口，故命名该基因为 Notch。

随后的研究发现，Notch 从无脊椎动物到脊椎动物的多个物种中表达，其家族成员的结构具有高度保守性，在细胞分化、发育中起着关键作用。

迄今研究已阐明 Notch 信号通路的主要成员及核心转导过程，然而随着研究的深入，人们逐渐认识到该通路实际上处于十分复杂的调控网络之中，而这与其在发育过程中功能的多样性相符合。

本文结合最新进展，系统阐述 Notch 信号通路的组成，功能，作用机制及调控，并揭示该通路异常与疾病的联系。

1 Notch 受体Notch 受体是一个相对分子量约为 30 000 的 I 型膜蛋白，由胞外亚基和跨膜亚基组成，2 亚基之间通过 Ca2+ 依赖的非共价键结合形成异源二聚体。

胞外亚基包含一组串联排列的 EGFR 和 3 个家族特异性的 LNR 重复序列。

EGFR 在 Notch 受体与配体的结合中起关键作用，在果蝇中，Notch 受体的第 11 位和 12 位 EGFR 介导了其与配体的结合。

LNR 位于 EGFR 的下游，富含半胱氨酸，介导了 2 亚基之间 Ca2+ 依赖的相互作用。

跨膜亚基包括跨膜区、RAM 序列、锚蛋白重复序列、核定位序列、多聚谷氨酰胺序列以及 PEST 序列。

RAM 结构域是 Notch 信号效应分子 CBF1/RBPJk 主要的结合部位。

ANK 重复序列结构域是 Deltex、Mastermind 等的结合部位，这些蛋白对Notch 信号通路有修饰作用。

PEST 结构域与泛素介导的Notch 胞内段降解有关[1]。

2 Notch 配体Notch 配体与受体一样为 I 型跨膜蛋白。

果蝇 Notch 配体有 2 个同源物 Delta 和 Serrate，线虫的 Notch 配体为 Lag 2，故又称 Notch 配体为 DSL 蛋白。

脊椎动物体内也发现了多个 Notch 配体，与 Delta 同源性高的称为Delta 样分子，与 Serate 同源性高的被称作 Jagged。

目前，发现人的 Notch 配体有 D ll l、3、4和 Jagged l、2。

配体胞外 DSL 结构域在进化中高度保守，是配体与受体结合、激活 Notch 信号所必需的。

Notch 配体的胞内域较短，仅70 个左右氨基酸残基，功能尚未阐明。

近来研究发现，Delta 1 的胞内域能够诱导细胞的生长抑制[2]。

有人推测，配体胞内段可能类似与受体胞内段，具有信号转导功能，但具体机制有待进一步研究。

3 Notch 信号传递与效应因子迄今研究发现主要有 6 种信号通路在多细胞生物的生长中发挥关键作用，分别是刺猬、骨形态发生蛋白、无翅、类固醇激素受体、Notch 和受体酪氨酸激酶。

Notch 相对于其他信号通路结构较简单，没有第二信使的参与。

现有研究提出了 Notch 信号活化的“三步蛋白水解模型”[3]。

首先，Notch 以单链前体模式在内质网合成，经分泌运输途径，在高尔基体内被 Furin 样转化酶切割成相对分子质量为180 000 含胞外区的大片段和 120 000 含跨膜区和胞内区的小片段。

两者通过 Ca2+依赖性的非共价键结合为异源二聚体，然后被转运到细胞膜。

当 Notch 配体与受体结合，Notch 受体相继发生 2 次蛋白水解。

第一次由 ADAM 金属蛋白酶家族的 ADAM 10/Kuz 或 ADAM 17/TACE 切割为 2 个片段。

N 端裂解产物（胞外区）被配体表达细胞内吞，而 C 端裂解产物随后由早老素 1/2，Pen-2，Aph1 和Nicastrin 组成的γ-促分泌酶复合体酶切释放 Notch 受体的活化形式 NICD。

经典的 Notch 信号通路又称为 CBF-1/RBP-Jκ依赖途径。

CBF-1/RBP-Jκ本身是 1 个转录抑制因子，能够特异性地与 DNA 序列“CGTGGGAA”相结合，并招募 SMRT，SKIP，I/II 型组蛋白去乙酰化酶等蛋白形成共抑制复合物，抑制下游基因的转录。

当 Notch 信号激活后，NICD 通过上述酶切反应被释放进入胞核，通过 RAM 结构域及 ANK 重复序列与 CBF-1/RBP-Jκ结合使共抑制复合物解离，并募集 SKIP，MAML 1 组成共激活复合体，激活下游基因的转录。

Notch 信号的靶基因多为碱性螺旋-环-螺旋转录抑制因子家族成员，如哺乳动物中的 HES、非洲爪蟾中的XHey-1，以及近来发现的 BLBP [3]。

此外，存在非CBF-1/RBP-Jκ依赖的 Notch 信号转导途径。

最近有研究报道，果蝇 Notch 结合蛋白 Deltex 是某些组织特异性非 Su （H）依赖性信号所必需的，同时发现 Deltex 也具有拮抗Notch 的功能 [4]。

4 Notch 信号途径功能Notch 信号途径的功能最初是在果蝇神经系统发育的基金项目：国家自然科学基金（30425009，30730030）；江苏省自然科学基金（BK2007715）作者单位：210093 南京大学医药生物技术国家重点实验室通讯作者：华子春，Email：zchua@收稿日期：2009-02-01中国医药生物技术 2009年6月第4卷第3期Chin Med Biotechnol, June 2009, V ol. 4, No. 3 225研究中发现的。

正常发育的神经系统中有一种旁侧抑制机制，使正在分化的神经元周围的神经前体细胞不再分化为神经元，而发育成上皮细胞。

研究发现，Notch 信号会上调细胞膜表面的 Notch 分子，同时下调其配体 Delta 的表达；反之，Delta 的表达对细胞自身 Notch 分子的表达则有下调作用。

这种正反馈机制使发育早期细胞 Notch 及其配体表达的细微差别在发育过程中被逐渐放大，从而决定了细胞的不同分化方向[5]。

不仅是神经系统，果蝇中胚层、生殖细胞、感觉器官等的正常发育与形成都有赖于 Notch 介导的分化抑制。

而哺乳类动物中多种不同的 Notch 分子功能不完全一致，其作用方式远较果蝇中复杂。

研究发现，Notch 信号在淋巴细胞发育过程中具有关键作用，它可以促进Tαβ细胞的形成[6]，与 Gata 3 基因协同调控 CD4+ 细胞向Th 1/Th 2 类型的分化[7]，并且可增加外周免疫器官边缘区B 细胞的数量[8]。

此外，Notch 信号是造血干细胞/祖细胞自我更新所必需的[9]，同时对血管的发生发展有重要调控作用[10]。

5 Notch 信号途径的调节与相互作用Notch 信号通路本身的简单性与其功能的复杂性不相匹配，这一简单的信号通路何以产生足够的多样性来精确响应众多不同的生理信号呢？近几年的研究发现，原来相对于简单的核心信号通路，细胞中存在复杂的修饰调节机制。

当Notch 受体最初在内质网合成时，一种糖基转移酶 OFUT 1 将岩藻糖加到其胞外区 EGFR 的丝氨酸或苏氨酸残基上，这是配体结合受体从而激活 Notch 信号所必需的[11]。

在随后的分泌运输中，高尔基体中的 N-乙酰葡糖基转移酶Fringe 进一步对 EGFR 进行糖基化修饰，赋予 Notch 受体对不同配体特异的敏感性[12]。

近来研究发现，内吞作用在 Notch 信号调节中扮演重要角色。

在果蝇和斑马鱼中Notch 胞外域与 Delta 结合后被内吞入配体表达细胞，并促进受体的激活。

此外，在哺乳动物中 Numb 通过 PTB 结构域与 Notch 结合并招募含有 HECT 结构域的 E 3 连接酶，同时与内吞蛋白 Eps 15 和α-衔接蛋白互作，介导受体胞内段内吞至溶酶体降解，从而下调 Notch 信号[13]。

当信号激活而释放 NICD 后，细胞将无法通过改变配体或受体的浓度来控制信号的强弱，因此除与膜连接的受体和配体受到调控外，进入胞核的 NICD 也应受到严格的调控。

与此相应的是，人们在胞核内很难检测到从完整受体切割产生的 NICD。

目前发现泛素介导的蛋白降解机制在其中发挥重要作用，并发现了很多泛素化相关分子，如 Su/Itch[14]、Neuralized [15]等。

科学家同时发现 Notch 信号通路与其他信号通路在不同层次上存在串话，相互协调以使特定的应答与细胞整体状态相适应。

近来发现 Notch 信号通路与 Ras/MAPK 信号通路相互作用，然而这种互作的结果则因细胞背景的不同而不同。

例如，在线虫生殖孔分化过程中，Ras 的激活可能通过内吞介导的机制下调 Notch 活性。

相反，体外培养的经Ras 转化的人源细胞中，Notch 被 Ras 激活并是维持 Ras 激活转化表型所必需的[16]。

此外，Notch 通路与 Wingless/ Wnt，TGFβ/BMP 信号通路也存在相互作用。

在果蝇小眼发育中，Wingless 受体卷曲蛋白拮抗 Notch 受体[17]；在人乳腺上皮细胞中，Notch 可以增强 Wnt 信号的致癌转化作用[18]；在成纤维细胞中，TGF β通过下调 Notch 3 信号以促进平滑肌基因的表达[19]。

6 Notch 信号途径与疾病关系Notch 信号通路是进化上十分保守的信号传递机制，这一调控机制出现异常往往会导致先天性遗传疾病。

目前已经证实，N o t c h信号通路中相关分子的基因突变与CADASIL、Aligile 综合症和脊椎肋骨发育不全等遗传性疾病有关。

CADASIL 是伴有皮质下硬死和白质脑病的常染色体显性遗传脑动脉病，研究发现主要是由于血管平滑肌细胞上表达的 Notch 3 基因胞外域 EGFR 中半胱氨酸残基的缺失或插入突变所致[20]。

Aligile 综合症是可导致多种器官如心、肝、肾等发育缺陷的常染色体显性遗传病，Jagged 1 基因突变导致不能产生正常的翻译产物是其主要病因[21]。

Delta 3 基因突变能导致常染色体隐性遗传病 SD[22]。

此外，研究发现 Notch 信号紊乱与某些心血管系统疾病有关。

动物模型实验表明它可能从 4 个方面影响心血管系统，这4 个方面包括血管重构、血管稳定性、动静脉发生选择以及心脏发育[23]。

近来研究发现淀粉样前体蛋白及 Notch 受体的剪切均依赖于γ-促分泌酶/早老蛋白，因此人们推测Notch 信号通路可能与阿尔茨海默病的发生发展有一定联系，在与 AD 相关的研究中证实了 Notch 信号的改变[24]。