1 JAK-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

生 命 奥 秘 www.lifeomics.com 细 胞 内 各 种 不 同 的 生 化 反 应 途 径 都 是 由 一 系 列 不 同 的 蛋 白 组 成 的, 执 行 着 不 同 的 生 理 生 化 功 能 各 个 信 号 通 路 中 上 游 蛋 白 对 下 游 蛋 白 活 性 的 调 节 ( 包 括 激 活 或 抑 制 作 用 ) 主 要 是 通 过 添 加 或 去 除 磷 酸 基 团, 从 而 改 变 下 游 蛋 白 的 立 体 构 象 完 成 的 所 以, 构 成 信 号 通 路 的 主 要 成 员 是 蛋 白 激 酶 和 磷 酸 酶, 它 们 能 够 快 速 改 变 和 恢 复 下 游 蛋 白 的 构 象 从 细 胞 受 体 接 收 外 界 信 号 到 最 后 做 出 综 合 性 应 答, 不 仅 是 一 个 信 号 转 导 过 程, 更 重 要 的 是 将 外 界 信 号 进 行 逐 步 放 大 的 过 程 受 体 蛋 白 将 细 胞 外 信 号 转 变 为 细 胞 内 信 号, 经 信 号 级 联 放 大 分 散 和 调 节, 最 终 产 生 一 系 列 综 合 性 的 细 胞 应 答, 包 括 下 游 基 因 表 达 的 调 节 细 胞 内 酶 活 性 的 变 化 细 胞 骨 架 构 型 和 DNA 合 成 的 改 变 等 ( 如 图 3) 这 些 变 化 并 非 都 是 由 一 种 信 号 引 起 的, 也 可 以 通 过 几 种 信 号 的 不 同 组 合 产 生 不 同 的 反 应 原 文 检 索 : 1. http://www.cancer.gov/cancertopics/what-iscancer 2. http://en.wikipedia.org/wiki/signal_transduction 图 3 信 号 转 导 与 细 胞 应 答 图 片 来 源 :Google 二 癌 症 发 生 中 的 关 键 信 号 通 路 导 读 : 信 号 传 递 过 程 是 细 胞 对 外 界 刺 激 产 生 反 应 并 最 终 引 发 特 异 性 生 物 学 效 应 的 有 效 方 式 几 十 年 的 基 础 研 究 正 在 逐 渐 阐 明 癌 症 发 生 生 长 和 转 移 过 程 中 的 关 键 信 号 通 路, 同 时 针 对 信 号 通 路 的 药 物 筛 选 也 令 治 愈 癌 症 成 为 可 能 2008 年 10 月 份 癌 细 胞 (Cancer Cell ) 杂 志 刊 登 了 Mignon L. Loh 博 士 领 导 的 研 究 小 组 的 成 果, 他 们 以 白 血 病 JMML 为 研 究 对 象, 通 过 流 式 细 胞 仪 技 术 在 单 细 胞 水 平 上 发 现 了 JAK-STAT5 信 号 通 路 才 是 癌 细 胞 形 成 和 生 长 的 关 键 信 号 这 项 成 果 为 研 究 癌 症 的 形 成 机 制 带 来 了 新 的 思 路, 而 未 来 采 用 单 细 胞 检 测 癌 症 的 技 术 也 为 癌 症 的 诊 断 和 治 疗 带 来 契 机 接 下 来, 我 们 将 逐 一 介 绍 包 括 JAK-STAT 信 号 在 内 的 癌 症 发 生 过 程 中 的 几 大 主 要 信 号 通 路 4

1 JAK-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 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 (receptor tyrosine kinase, RTK), 而 JAK 却 是 一 类 非 跨 膜 型 的 酪 氨 酸 激 酶 JAK 是 英 文 Janus kinase 的 缩 写,Janus 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 ( 如 图 4) 图 4 酪 氨 酸 激 酶 JAK 的 JH 结 构 域 图 片 来 源 :Blood 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 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 5

生 命 奥 秘 www.lifeomics.com 2) JAK-STAT 信 号 通 路 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 JAK 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 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), 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 靶 基 因 结 合, 调 控 基 因 的 转 录 ( 如 图 5) 值 得 一 提 的 是, 一 种 JAK 激 酶 可 以 参 与 多 种 细 胞 因 子 的 信 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 胞 因 子 对 激 活 的 STAT 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 图 5 经 典 的 JAK-STAT 信 号 通 路 图 片 来 源 :Trends Cell Biol 3) JAK-STAT 信 号 通 路 与 白 血 病 JAK-STAT 信 号 通 路 功 能 广 泛, 目 前 许 多 研 究 都 集 中 于 免 疫 反 应 与 免 疫 调 控 结 合 最 新 一 期 癌 细 胞 (Cancer Cell ) 杂 志 刊 登 有 关 STAT5 信 号 与 白 血 病 JMML 的 关 系, 下 面 我 们 将 着 重 介 绍 JAK- STAT 信 号 通 路 与 白 血 病 的 发 病 机 制 白 血 病 是 造 血 组 织 的 恶 性 疾 病, 又 称 血 癌, 是 我 国 最 常 见 的 恶 性 肿 瘤 之 一 该 病 居 年 轻 人 所 患 恶 性 疾 病 中 的 首 位 与 正 常 的 造 血 细 胞 相 比, 白 血 病 细 胞 表 现 出 截 然 相 反 的 生 物 学 特 性 正 常 造 血 细 胞 在 细 胞 因 子 的 作 用 下 不 断 分 化 成 熟, 而 白 血 病 细 胞 则 表 现 为 分 化 过 程 受 阻, 进 而 无 限 制 地 增 殖, 这 提 示 细 胞 内 信 号 通 路 的 异 常 在 白 血 病 形 成 中 起 着 重 要 的 作 用 很 多 研 究 成 果 都 表 明,JAK- STAT 通 路 的 异 常 激 活 在 白 血 病 的 病 理 机 制 中 占 据 着 重 要 的 地 位 在 白 血 病 细 胞 中 普 遍 存 在 着 JAK-STAT 信 号 通 路 的 持 续 激 活, 因 此,STAT 蛋 白 也 就 成 为 重 点 检 测 的 指 标 之 一 STAT 分 子 的 过 量 表 达 往 往 出 现 在 很 多 恶 性 增 殖 性 疾 病 中, 而 造 血 系 统 的 肿 瘤 ( 包 括 白 血 病 和 淋 巴 瘤 ) 中 STAT 家 族 被 活 化 的 种 类 最 多, 例 如 STAT1 STAT3 和 STAT5 就 是 白 血 病 中 最 常 见 的 持 续 激 活 的 信 号 蛋 白 不 同 类 型 的 白 血 病 细 胞 可 以 表 现 为 一 种 或 多 种 STAT 蛋 白 的 异 常 激 活, 例 如 在 淋 巴 细 胞 白 血 病 和 单 核 粒 细 胞 白 血 病 中, 常 见 的 是 STAT5 的 持 续 激 活 ; 而 骨 髓 系 白 血 病 细 胞 则 以 STAT3 持 续 激 活 为 主 激 酶 JAK 对 整 个 信 号 通 路 激 活 起 着 关 键 作 用 迄 今, 我 们 已 经 在 人 体 白 血 病 细 胞 中 发 现 了 很 多 JAK 基 因 的 点 突 变, 其 中 的 一 些 点 突 变 造 成 激 酶 JAK 持 续 激 活 STAT 蛋 白 最 典 型 的 例 子 就 是 JAK2 V617F 突 变 ( 蛋 白 JAK2 第 617 位 的 缬 氨 酸 突 变 成 苯 丙 氨 酸 ) 造 成 JAK-STAT 信 号 通 路 的 异 常 激 活 曾 6

有 一 份 针 对 白 血 病 患 者 的 统 计 结 果 显 示,222 例 AML(acute myeloid leukemia, 急 性 骨 髓 系 白 血 病 ) 患 者 中 有 4 例 出 现 JAK2 V617F 突 变, 其 中 3 例 有 MPD(myeloproliferative disorders, 骨 髓 增 生 综 合 症 ) 病 史 另 外,116 例 CML(chronic myeloid leukemia, 慢 性 骨 髓 系 白 血 病 ) 患 者 中 有 9 例 出 现 JAK2 V617F 突 变 此 外,JAK 蛋 白 的 其 它 突 变 形 式 也 与 很 多 白 血 病 类 型 紧 密 相 关 ( 表 2) 表 2 人 JAK 蛋 白 突 变 与 白 血 病 发 病 的 相 关 性 JAKs 突 变 位 点 相 关 疾 病 果 蝇 Hopscotch E695K 淋 巴 细 胞 增 生 性 疾 病 人 JAK2 人 JAK3 G341E V617F K539L T875N 第 682-686 位 氨 基 酸 缺 失 A572V V722I P132T 白 血 病 骨 髓 增 生 综 合 症 真 性 红 细 胞 增 多 症 (polycythemia vera) 急 性 巨 核 细 胞 白 血 病 急 性 淋 巴 细 胞 性 白 血 病 急 性 巨 核 细 胞 白 血 病 急 性 巨 核 细 胞 白 血 病 急 性 巨 核 细 胞 白 血 病 人 JAK1 G871E 子 宫 平 滑 肌 瘤 数 据 来 源 :Trends Biochem Sci. 4) 结 语 与 展 望 尽 管 大 量 证 据 显 示 JAK-STAT 信 号 通 路 的 持 续 激 活 与 白 血 病 之 间 有 着 密 切 的 关 系, 但 白 血 病 的 产 生 是 多 个 基 因 异 常 的 结 果, 发 病 过 程 也 涉 及 多 个 步 骤 因 此, 我 们 需 要 进 一 步 研 究 以 探 究 JAK-STAT 信 号 与 白 血 病 形 成 中 的 详 细 机 制 另 外, 既 然 白 血 病 的 发 生 与 JAK-STAT 的 活 化 联 系 密 切, 那 么 JAK 和 STAT 等 蛋 白 很 可 能 是 治 疗 白 血 病 最 好 的 药 物 靶 点, 针 对 这 些 蛋 白 设 计 特 异 性 抑 制 剂 无 疑 会 为 白 血 病 的 治 疗 带 来 新 的 希 望 原 文 检 索 : 1. 2. 3. Constantinescu SN, Girardot M, Pecquet C. Mining for JAK-STAT mutations in cancer. Trends Biochem Sci. 2008 Mar; 33(3):122-31. Li WX. Canonical and non-canonical JAK-STAT signaling. Trends Cell Biol. 2008 Nov; 18(11):545-51. Kalaitzidis D, Gilliland DG. Going with the flow: JAK-STAT signaling in JMML. Cancer Cell. 2008 Oct 7; 14(4): 279-280 7

生 命 奥 秘 www.lifeomics.com 2 p53 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 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 ( 如 图 6) 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 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 编 码 的 蛋 白 的 分 子 量 而 得 名, 具 有 和 p53 相 似 的 结 构 和 功 能 图 6 p53 的 功 能 图 片 来 源 :Nature Reviews Cancer 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, 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)( 如 图 7) 8

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, 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 ( 如 图 8) 此 外, 某 些 点 突 变 改 变 了 p53 的 空 间 构 象, 影 响 了 p53 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:C A:T 转 换 占 到 79%; 在 乳 腺 癌 中,G T 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:C T:A 突 变 最 普 遍, 而 食 道 癌 中 发 生 G T 颠 换 的 频 率 很 高 图 8 p53 蛋 白 的 结 构 和 与 肿 瘤 相 关 的 点 突 变 位 点 图 片 来 源 :Nature Reviews Cancer 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 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 p53 基 因 的 重 要 作 用 后, 全 世 界 数 以 千 计 的 分 子 生 物 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, 利 用 p53 基 因 发 现 并 治 疗 癌 症 的 前 景 非 常 广 阔 除 了 基 因 治 疗, 研 究 人 员 正 在 筛 选 可 以 影 响 p53 基 因 上 下 游 调 控 的 小 分 子 化 合 物 罗 氏 制 药 公 司 开 发 的 一 种 名 为 nutlins 的 小 分 子 化 合 物, 能 够 干 扰 p53 和 MDM2 之 间 的 调 控 关 系, 有 望 成 为 一 种 有 效 的 抗 癌 药 物 原 文 检 索 : 1. Vousden KH, Lu X. Live or let die: the cell's response to p53. Nature Reviews Cancer. 2002 Aug; 2(8): 594-604. 9

生 命 奥 秘 www.lifeomics.com 3 NF- κb 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) [5] TNF 是 迄 今 发 现 的 抗 肿 瘤 效 果 最 强 的 细 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-α 和 TNF-β TNF-α 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-β 是 一 种 淋 巴 因 子, 又 称 淋 巴 毒 素 (lymphotoxin, LT) 抗 原 或 丝 裂 原 均 可 刺 激 T 淋 巴 细 胞 分 泌 TNF-β, 具 有 肿 瘤 杀 伤 及 免 疫 调 节 功 能 人 的 TNF-α 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-α 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-α 通 过 基 因 工 程 方 法 改 造 后 的 TNF-α 具 有 更 好 的 生 物 学 活 性 和 抗 肿 瘤 效 果 2) TNF 与 NF-κB 信 号 通 路 TNF-α 与 TNF-β 分 子 结 构 相 似, 所 发 挥 的 生 物 学 效 应 相 近 胞 外 因 子 TNF-α 以 三 聚 体 形 式 发 挥 信 号 转 导 功 能, 与 TNF 受 体 (TNF receptor, TNFR) 结 合 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-κB 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-κB 信 号 通 路 NF-κB(nuclear 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 因 子 [6], 它 能 与 免 疫 球 蛋 白 kappa 轻 链 基 因 的 增 强 子 B 序 列 GGGACTTTCC 特 异 性 结 合, 促 进 κ 轻 链 基 因 表 达, 故 而 得 名 它 是 真 核 细 胞 转 录 因 子 Rel 家 族 成 员 之 一, 广 泛 存 在 于 各 种 哺 乳 动 物 细 胞 中 迄 今 为 止, 在 哺 乳 动 物 细 胞 内 共 发 现 5 种 NF-κB/Rel 家 族 成 员, 它 们 分 别 是 RelA( 即 p65) RelB C-Rel p50/nf-κb1( 即 p50/rela) 和 p52/nf-κb2 这 些 成 员 均 有 一 个 约 300 个 氨 基 酸 的 Rel 同 源 结 构 域 (Rel homology domain, RHD) 这 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-κB 与 靶 基 因 DNA 序 列 的 特 异 性 结 合 区 域 细 胞 内 NF-κB 的 活 化 过 程 受 到 精 细 调 控 通 常 情 况 下, 在 细 胞 质 中 的 NF-κB 处 于 失 活 状 态, 与 抑 制 蛋 白 IκB(inhibitory protein of NF-κB) 结 合 成 三 聚 体 复 合 物 当 出 现 TNF-α 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(IκB kinase) 在 NF-κB 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 α β 和 γ 三 个 亚 基 组 成, 作 为 激 酶 的 IKK 能 使 IκB 的 α 亚 基 的 10

Ser32 和 Ser36 残 基 和 β 亚 基 的 Ser19 和 Ser23 残 基 磷 酸 化 IκB 随 即 从 p50/p65/iκb 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 IκB 抑 制 的 NF-κB 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 ( 如 图 9) 图 9 TNF-α 介 导 的 信 号 通 路 图 片 来 源 :Nature 3) NF-κB 信 号 通 路 与 癌 症 NF-κB 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-κB 家 族 基 因 的 突 变 NF-κB 家 族 与 癌 症 相 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 11

生 命 奥 秘 www.lifeomics.com 胞 恶 性 转 化, 引 起 淋 巴 癌 的 发 生 由 于 NF-κB 的 下 游 基 因 包 括 CyclinD1 和 c-myc, 因 此 NF-κB 的 持 续 激 活 会 刺 激 细 胞 生 长, 导 致 细 胞 增 殖 失 控 NF-κB 在 很 多 癌 细 胞 中 表 达 异 常, 如 在 75% 的 乳 腺 癌 样 品 中 NF-κB2 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-κB 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-κB 还 能 诱 导 血 管 内 皮 生 长 因 子 VEGF 的 表 达, 促 进 血 管 形 成 此 外,NF-κB 还 能 通 过 调 节 COX2 等 基 因 的 表 达 来 促 进 肿 瘤 生 长 NF-κB 与 肿 瘤 治 疗 息 息 相 关 IFN-a IFN-b TNF-α 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-κB 的 信 号 通 路 有 关 目 前, 国 内 外 主 要 以 NF-κB 为 靶 点, 使 用 抗 氧 化 剂 抑 制 NF-κB 活 性 以 及 针 对 p65 和 p50 设 计 小 分 子 干 扰 RNA(siRNA) 抑 制 NF-κB 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-α 具 有 很 好 的 抗 肿 瘤 作 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-α 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-α 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-α 变 构 体, 对 某 些 肿 瘤 的 治 疗 效 果 尤 佳 将 TNF-α 与 其 它 具 有 肿 瘤 抑 制 作 用 的 细 胞 因 子, 如 IL-2 IFN-γ 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 原 文 检 索 : 1. Karin M. Nuclear factor-κb in cancer development and progression. Nature. 2006 May 25; 441(7092): 431-436 4 Ras 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 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 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 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(phosphatidylinositol 3-phosphate) PI3P 作 为 第 二 信 使, 进 一 步 激 活 AKT 和 PDK1(phosphoinositide-dependent kinase 1) 2 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 12

3 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 [7] 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 [8] mtor 蛋 白 的 C 末 端 具 有 激 酶 活 性, 它 是 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( 如 图 10) 激 活 后 的 mtor 蛋 白 促 使 底 物 S6K(S6 kinase) 和 4EBP1(4E binding protein 1) 发 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 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 R.A. 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) [9] 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 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-1 [10], 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-bound protein 2) GRB2 与 受 体 13

生 命 奥 秘 www.lifeomics.com 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 ( 如 图 11) 需 要 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 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( 如 图 11) 肿 瘤 细 胞 中 也 存 在 不 涉 及 Ras 本 身 的 突 变 而 又 持 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 图 11 Ras 信 号 通 路 图 片 来 源 :Nature 14

3) Ras-PI(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 p85α 的 突 变 这 条 通 路 中 另 一 个 关 键 的 调 节 因 子 是 PTEN(phosphatase and tensin homolog), 作 为 重 要 的 肿 瘤 抑 制 基 因, 它 的 突 变 将 会 导 致 第 二 信 使 PIP3 的 大 量 积 累, 过 度 激 活 下 游 的 mtor 通 路 而 使 细 胞 发 生 癌 变 4) 结 语 Ras-Raf 和 Ras-PI(3)K 以 及 其 所 激 活 的 mtor 信 号 通 路 涉 及 了 多 个 癌 基 因 和 抑 癌 基 因 的 激 活 和 失 活, 与 肿 瘤 的 发 生 密 切 相 关, 日 益 成 为 肿 瘤 研 究 的 热 点 这 些 基 础 研 究 将 为 癌 症 的 治 疗 提 供 更 多 的 方 案 在 过 去 的 几 年 中, 激 酶 mtor 的 三 种 抑 制 剂, 分 别 是 雷 帕 霉 素 的 类 似 物 everolimus deforolimus 和 前 体 temsirolimus 已 经 进 入 临 床 试 验 阶 段 随 着 这 些 研 究 的 深 入, 我 们 相 信 会 有 更 多 的 针 对 这 些 信 号 通 路 中 的 分 子 药 物 被 筛 选 出 来, 为 最 终 诊 治 癌 症 提 供 良 方 原 文 检 索 : 1. Shaw RJ, Cantley LC. Ras, PI(3)K and mtor signalling controls tumour cell growth. Nature. 2006 May 25; 441(7092): 424-430. 5 Wnt 信 号 Wnt 信 号 通 路 广 泛 存 在 于 无 脊 椎 动 物 和 脊 椎 动 物 中, 是 一 类 在 物 种 进 化 过 程 中 高 度 保 守 的 信 号 通 路 Wnt 信 号 在 动 物 胚 胎 的 早 期 发 育 器 官 形 成 组 织 再 生 和 其 它 生 理 过 程 中, 具 有 至 关 重 要 的 作 用 如 果 这 条 信 号 通 路 中 的 关 键 蛋 白 发 生 突 变, 导 致 信 号 异 常 活 化, 就 可 能 诱 导 癌 症 的 发 生 1982 年,R. Nusse 和 H.E. Varmus 在 小 鼠 乳 腺 癌 细 胞 中 克 隆 得 到 第 一 个 Wnt 基 因, 最 初 它 被 命 名 为 Int1(integration 1) [11] 后 来 的 研 究 发 现 小 鼠 Int 基 因 与 果 蝇 的 无 翅 基 因 wg(wingless) 为 同 源 基 因, 因 而 将 两 者 合 称 为 Wnt H.E. Varmus 本 人 也 因 他 在 癌 症 研 究 中 的 杰 出 贡 献 而 获 得 1989 年 的 诺 贝 尔 生 理 医 学 奖 1) Wnt 信 号 通 路 Wnt 是 一 类 分 泌 型 糖 蛋 白, 通 过 自 分 泌 或 旁 分 泌 发 挥 作 用 Wnt 信 号 通 路 的 主 要 成 分 包 括 : 分 泌 蛋 白 Wnt 家 族 跨 膜 受 体 Frizzled 家 族 CK1 Deshevelled GSK3 APC Axin β-catenin 以 及 转 录 因 子 TCF/LEF 家 族 Wnt 信 号 通 路 是 一 个 复 杂 的 调 控 网 络, 目 前 认 为 它 包 括 三 个 分 支 : 经 典 Wnt 信 号 通 路, 通 过 β-catenin 激 活 基 因 转 录 ;Wnt/PCP 通 路 (planner cell polarity pathway), 通 过 小 G 蛋 白 激 活 JNK(c-Jun N-terminal kinase) 来 调 控 细 胞 骨 架 重 排 ;Wnt/Ca 2+ 通 路, 通 过 释 放 胞 内 Ca 2+ 来 影 响 细 胞 粘 连 和 相 关 基 因 表 达 15

生 命 奥 秘 www.lifeomics.com 一 般 提 到 Wnt 信 号 通 路 主 要 指 的 是 由 β-catenin 介 导 的 经 典 Wnt 信 号 通 路 下 面 我 们 将 简 单 介 绍 一 下 经 典 Wnt 信 号 通 路 的 主 要 成 分 : 1 Frizzled(Fzd 或 Frz) 分 泌 型 糖 蛋 白 Wnt 的 细 胞 膜 上 受 体, 为 7 次 跨 膜 蛋 白, 结 构 类 似 于 G 蛋 白 偶 联 型 受 体 FZD 胞 外 的 N 端 有 一 个 富 含 半 胱 氨 酸 的 结 构 域 (cysteine rich domain, CRD), 能 与 Wnt 结 合 2 Dishevelled(Dsh 或 Dvl) Dsh 蛋 白 在 细 胞 质 中 接 受 上 游 信 号, 通 过 抑 制 APC Axin 以 及 GSK3β 等 蛋 白 形 成 的 复 合 物 的 功 能, 稳 定 细 胞 质 中 游 离 状 态 的 β-catenin 蛋 白 细 胞 质 中 积 累 的 β-catenin 蛋 白 进 入 细 胞 核 与 TCF/LEF 家 族 的 转 录 因 子 结 合, 从 而 开 启 了 下 游 靶 基 因 的 转 录 3 GSK3β 是 一 种 丝 氨 酸 / 苏 氨 酸 蛋 白 激 酶 在 没 有 Wnt 信 号 时,GSK3β 能 将 磷 酸 基 团 加 到 β-catenin N 端 的 丝 氨 酸 / 苏 氨 酸 残 基 上, 磷 酸 化 的 β-catenin 经 β-trcp 泛 素 化 共 价 修 饰 后, 被 蛋 白 酶 体 (proteasome) 降 解 4 CK1(casein kinase 1, 酪 蛋 白 激 酶 1) 能 将 β-catenin 的 Ser45 位 点 磷 酸 化, 随 后 GSK3β 将 β-catenin 的 Thr41 Ser37 Ser33 位 点 磷 酸 化 5 Axin 是 一 种 支 架 蛋 白, 具 有 多 个 与 其 它 蛋 白 作 用 的 位 点, 能 与 APC GSK3β CK1 等 形 成 β-catenin 降 解 复 合 物 此 外 它 还 与 Dishevelled PP2A(protein phosphatase 2A) 等 wnt 信 号 的 其 它 组 分 相 互 作 用 6 TCF/ LEF 是 一 类 具 有 双 向 调 节 功 能 的 转 录 因 子, 它 与 Groucho 结 合 可 以 抑 制 基 因 转 录, 而 与 β-catenin 结 合 则 促 进 下 游 靶 基 因 的 转 录 当 细 胞 没 有 接 受 Wnt 信 号 刺 激 时, 细 胞 质 内 大 部 分 的 β-catenin 与 细 胞 膜 上 Cadherin 蛋 白 结 合 使 之 附 着 于 细 胞 骨 架 蛋 白 肌 动 蛋 白 上, 参 与 细 胞 的 黏 附 作 用 而 少 部 分 的 β-catenin 被 磷 酸 化 后, 与 GSK3β 等 形 成 降 解 复 合 物, 最 终 通 过 泛 素 化 修 饰 而 降 解 Wnt 信 号 的 激 活 就 是 指 分 泌 型 的 配 体 蛋 白 Wnt 与 膜 表 面 受 体 蛋 白 FZD 结 合 后, 激 活 胞 内 蛋 白 DVL DVL 通 过 抑 制 GSK3β 等 蛋 白 形 成 的 β-catenin 降 解 复 合 物 的 降 解 活 性, 稳 定 细 胞 质 中 游 离 状 态 的 β-catenin 蛋 白 胞 浆 中 稳 定 积 累 的 β-catenin 进 入 细 胞 核 后 结 合 LEF/TCF 转 录 因 子 家 族, 启 动 下 游 靶 基 因 ( 如 c-myc Cyclin D1 等 ) 的 转 录 我 们 可 以 把 Wnt 信 号 通 路 简 单 概 括 为 :Wnt FZD DVL β- Catenin 降 解 复 合 体 解 散 β-catenin 入 核 图 12 Wnt 信 号 通 路 红 色 为 Wnt 信 号 通 路 的 负 调 控 因 子, 绿 TCF/LEF 下 游 基 因 转 录 ( 如 图 12) 色 为 正 调 控 因 子, 黄 色 为 不 能 确 定 正 负 影 响 的 调 控 因 子 图 片 来 源 :Curr Opin Genet Dev. 16

2) 经 典 Wnt 信 号 通 路 与 癌 症 虽 然 研 究 人 员 很 早 就 发 现 了 Wnt 信 号 通 路 的 许 多 成 员, 但 是 直 到 十 年 之 后, 人 们 才 真 正 将 Wnt 信 号 通 路 和 癌 症 联 系 起 来 1993 年,Vogelstein 等 人 报 道 肿 瘤 抑 制 因 子 APC(adenomatous polyposis coli, 腺 瘤 性 结 肠 息 肉 病 蛋 白 ) 和 β-catenin 之 间 存 在 着 相 互 作 用 他 们 发 现 大 约 85% 的 人 结 肠 癌 中 APC 基 因 都 发 生 了 突 变, 其 缺 失 突 变 会 导 致 结 肠 癌 中 的 腺 瘤 性 息 肉 在 Wnt 信 号 通 路 中,β-Catenin 的 稳 定 性 与 APC 蛋 白 密 切 相 关 APC 蛋 白 可 作 为 一 个 载 体 将 β-catenin 和 GSK3β 联 系 起 来, 促 进 GSK3β 磷 酸 化 β-catenin 氨 基 端 保 守 的 Ser/Thr 位 点, 并 促 使 β-catenin 降 解 在 肿 瘤 细 胞 中,APC 基 因 的 突 变 导 致 APC 蛋 白 不 能 与 β-catenin 相 互 作 用, 同 时 也 失 去 了 对 β-catenin 表 达 水 平 的 调 节 β-catenin 在 胞 浆 内 大 量 积 聚 并 进 入 细 胞 核, 与 TCF/LEF 转 录 因 子 结 合, 激 活 相 关 基 因 的 转 录, 从 而 导 致 了 细 胞 增 殖 异 常 和 肿 瘤 发 生 β-catenin 本 身 的 突 变 也 可 能 造 成 癌 症 β-catenin 基 因 的 突 变 可 以 造 成 β-catenin 蛋 白 无 法 被 磷 酸 化 和 泛 素 化 降 解, 致 使 β-catenin 在 胞 浆 内 大 量 聚 集, 从 而 进 入 细 胞 核 并 激 活 与 细 胞 分 裂 和 生 长 调 控 相 关 的 基 因 ( 如 c-myc 和 Cyclin D1 等 基 因 ), 导 致 细 胞 增 殖 失 控 而 致 癌 最 初, 人 们 只 在 大 约 10% 的 散 发 性 大 肠 癌 样 本 中 发 现 了 β-catenin 基 因 的 突 变 随 后, 研 究 人 员 检 查 了 超 过 3500 份 的 癌 症 样 本, 包 括 结 肠 癌 黑 色 素 瘤 肝 细 胞 瘤 脊 髓 母 细 胞 瘤 消 化 道 肿 瘤 等, 发 现 在 超 过 700 个 癌 症 病 例 中 出 现 β-catenin 的 多 种 突 变 β-catenin 的 N 端 序 列 可 能 是 其 致 癌 的 关 键 位 点, 这 些 位 点 的 突 变 使 得 β-catenin 在 胞 内 表 达 失 控, 导 致 Wnt 信 号 异 常 激 活, 从 而 诱 发 包 括 结 直 肠 癌 肝 母 细 胞 瘤 卵 巢 癌 和 前 列 腺 癌 等 在 内 的 多 种 癌 症 目 前 看 来, 超 过 90% 的 结 肠 癌 以 及 很 高 比 例 的 其 它 癌 症 均 与 Wnt 信 号 通 路 的 异 常 激 活 密 切 相 关, 而 且 细 胞 实 验 也 证 明 如 果 阻 断 Wnt 信 号 通 路 可 以 抑 制 肿 瘤 细 胞 的 增 殖 因 此, 人 们 开 始 尝 试 把 Wnt/β-Catenin 信 号 通 路 中 的 关 键 蛋 白 作 为 药 物 靶 点, 筛 选 分 子 药 物 治 疗 癌 症 目 前, 已 有 多 种 分 子 靶 向 药 物 进 入 临 床 试 验 阶 段 然 而 癌 症 的 发 生 是 一 个 多 因 素 多 阶 段 多 基 因 变 异 积 累 的 复 杂 过 程, 多 种 信 号 通 路 可 能 同 时 参 与 了 癌 症 的 发 生 随 着 未 来 研 究 的 深 入, 我 们 期 待 更 多 Wnt 信 号 通 路 新 成 员 的 发 现 细 胞 内 信 号 通 路 相 互 协 同 机 制 的 研 究, 能 够 为 我 们 设 计 更 加 有 效 的 抗 癌 药 物 提 供 更 多 的 理 论 基 础 原 文 检 索 : 1. 2. Polakis P. The many ways of Wnt in cancer. Curr Opin Genet Dev. 2007 Feb; 17(1):45-51 Klaus A, Birchmeier W. Wnt signalling and its impact on development and cancer. Nature Reviews Cancer. 2008 May; 8(5):387-398. 6 BMP 信 号 与 结 肠 癌 1) BMP 信 号 通 路 BMP( 骨 形 态 发 生 蛋 白,bone morphogenetic protein) 是 TGF-β( 转 化 生 长 因 子,transforming growth factor-β) 超 家 族 中 的 重 要 成 员 它 通 过 调 节 一 系 列 下 游 基 因 的 活 性, 控 制 着 诸 如 中 胚 层 形 成 神 经 系 统 分 化 牙 齿 和 骨 骼 发 育 以 及 癌 症 发 生 等 许 多 重 要 的 生 物 学 过 程 BMP 信 号 的 传 递 主 要 通 过 配 体 BMP 与 细 胞 膜 上 的 丝 氨 酸 / 苏 氨 酸 激 酶 受 体 (BMP receptor, BMPR) 特 异 性 结 合, 形 成 配 体 受 体 二 元 复 合 物 同 时,Ⅱ 型 受 体 (BMPR2) 能 够 活 化 I 型 受 图 13 BMP 信 号 通 路 图 片 来 源 :Nature Reviews Cancer 17

生 命 奥 秘 www.lifeomics.com 体 (BMPR1), 并 进 一 步 将 信 号 传 递 给 细 胞 内 的 Smad 分 子 在 BMP 和 TGF-β 信 号 由 细 胞 膜 传 递 至 细 胞 核 的 过 程 中,Smad 蛋 白 起 到 了 关 键 性 的 作 用 活 化 的 I 型 受 体 (BMPR1) 进 一 步 磷 酸 化 Smad 蛋 白 (Smad1 Smad5 和 Smad8), 促 使 Smad 分 子 从 细 胞 膜 受 体 上 脱 离 下 来, 并 在 胞 质 内 结 合 Smad4 分 子 (common Smad,Co-Smad) 后 进 入 细 胞 核 在 细 胞 核 内,Smad 多 元 复 合 物 在 其 它 DNA 结 合 蛋 白 的 参 与 下 作 用 于 特 异 的 靶 基 因, 调 控 靶 基 因 的 转 录 ( 如 图 13) 2) 结 肠 中 的 BMP 信 号 结 肠 (colon) 是 大 肠 的 主 要 部 分, 它 的 解 剖 结 构 由 内 向 外 依 次 为 粘 膜 层 及 粘 膜 下 层 肌 层 及 外 膜 粘 膜 和 部 分 粘 膜 下 层 向 肠 腔 内 的 突 起 为 半 环 形 皱 襞 的 断 面, 凹 陷 处 即 称 为 结 肠 隐 窝 (colonic crypt) 结 肠 隐 窝 处 的 细 胞 类 型 依 次 为 单 层 柱 状 上 皮 细 胞 干 细 胞 肌 成 纤 维 细 胞 (myofibroblast) 和 粘 膜 肌 (muscularis mucosae)( 如 图 14) 结 肠 中 的 干 细 胞 位 于 隐 窝 底 部, 不 断 分 裂 增 殖 后 形 成 的 子 细 胞 边 分 化 边 向 内 移 动, 当 到 达 肠 腔 表 面 时 就 分 化 成 为 成 熟 的 肠 上 皮 细 胞 许 多 研 究 证 据 显 示, 多 种 BMP 信 号 通 路 中 的 关 键 蛋 白 都 在 结 肠 隐 窝 的 细 胞 中 表 达 例 如, 位 于 结 肠 粘 膜 层 的 柱 状 上 皮 细 胞 表 达 BMP 蛋 白 和 BMP 受 体 同 时 通 过 免 疫 组 化 方 法 可 以 在 这 些 细 胞 中 检 测 到 Smad1 Smad5 和 Smad8 蛋 白 的 磷 酸 化 形 式, 这 表 明 在 分 化 成 熟 的 柱 状 上 皮 细 胞 中,BMP 信 号 是 被 激 活 的 而 肌 成 纤 维 细 胞 和 结 肠 干 细 胞 则 通 过 表 达 BMP 信 号 的 拮 抗 分 子 Noggin 来 抑 制 这 些 细 胞 内 的 BMP 信 号 ( 如 图 14), 这 些 结 果 提 示 BMP 信 号 可 能 促 进 成 熟 的 结 肠 上 皮 细 胞 走 向 凋 亡 图 14 结 肠 隐 窝 (colonic crypt) 细 胞 中 的 BMP 信 号 分 子 的 表 达 图 片 来 源 :Nature Reviews Cancer 3) 结 肠 癌 与 BMP 信 号 结 肠 癌 是 一 种 高 发 病 率 的 恶 性 肿 瘤, 在 工 业 化 国 家 里, 它 是 仅 次 于 肺 癌 的 第 二 大 杀 手 据 美 国 国 立 癌 症 研 究 院 估 计,2008 年 全 美 新 增 结 肠 癌 约 11 万 例, 死 亡 约 5 万 人 健 康 成 年 人 体 肠 道 每 天 大 约 有 1x10 10 个 细 胞 更 新, 是 人 体 细 胞 更 新 最 快 的 器 官 这 个 更 新 速 度 甚 至 远 远 超 过 了 肿 瘤 组 织, 这 反 映 肠 道 具 有 非 常 卓 越 和 精 细 的 细 胞 增 殖 与 分 化 的 调 控 机 制, 但 这 种 无 与 伦 比 的 更 新 速 率 如 同 一 把 双 刃 剑, 一 方 面 可 以 迅 速 地 更 新 和 修 复 肠 粘 膜 细 胞, 另 一 方 面 却 大 大 增 加 了 肠 道 细 胞 因 增 殖 失 控 而 癌 变 的 可 能 性 近 些 年 来, 人 们 从 基 因 水 平 转 录 水 平 蛋 白 质 水 平 以 及 细 胞 信 号 通 路 等 方 面 对 肿 瘤 进 行 了 大 量 的 研 究, 肿 瘤 的 发 病 机 制 逐 渐 被 阐 明 从 分 子 遗 传 机 制 角 度 看, 结 肠 癌 可 能 是 目 前 研 究 最 为 透 彻 的 肿 瘤 之 一 18

最 初 发 现 BMP 分 子 是 因 为 这 类 蛋 白 能 诱 导 异 位 的 软 骨 和 骨 的 形 成, 但 目 前 由 于 其 在 大 多 数 肿 瘤, 特 别 是 结 肠 癌 中 的 异 常 表 达 而 成 为 研 究 的 新 热 点 早 在 十 多 年 前, 人 们 发 现 结 肠 癌 病 例 中 常 有 Smad4 基 因 的 缺 失, 不 过 当 时 这 被 认 为 是 结 肠 癌 的 发 生 与 TGF-β 信 号 相 关, 而 不 是 BMP 信 号 幼 年 性 息 肉 综 合 症 (juvenile polyposis syndrome, JPS) 是 一 种 常 染 色 体 显 性 遗 传 病, 多 见 于 儿 童 和 青 少 年 患 者 的 结 肠 部 位 通 常 有 50-200 个 息 肉, 息 肉 被 大 量 的 基 质 包 围, 呈 现 慢 性 炎 症 状 态, 沿 着 整 个 肠 管 线 性 分 布 JPS 患 者 很 高 的 结 肠 癌 患 病 风 险, 其 家 族 成 员 中 得 结 肠 癌 的 可 能 性 约 为 9%-50%, 患 胃 癌 和 胰 腺 癌 也 有 报 道 目 前 超 过 50% 的 JPS 病 例 中 发 现 Smad4 和 BMPR1A 基 因 发 生 缺 失 和 错 义 突 变, 导 致 BMP 信 号 传 递 受 阻 这 就 说 明 BMP 信 号 通 路 在 肠 道 上 皮 细 胞 的 增 殖 平 衡 中 起 着 关 键 的 调 节 作 用, 而 BMP 信 号 过 低 或 失 活 是 JPS 病 发 的 缘 由 目 前, 通 过 检 测 细 胞 内 Smad 蛋 白 的 磷 酸 化 水 平, 发 现 约 70% 的 结 肠 癌 病 例 中 BMP 信 号 是 失 活 和 降 低 的, 这 就 为 肿 瘤 特 别 是 结 肠 癌 的 临 床 诊 断 提 供 了 重 要 的 指 标 4) 结 语 尽 管 BMP 信 号 通 路 在 动 物 胚 胎 发 育 组 织 分 化 和 细 胞 增 殖 更 新 中 发 挥 关 键 作 用, 但 有 关 BMP 信 号 在 结 肠 癌 的 成 癌 机 制 中 扮 演 的 角 色 还 有 待 阐 明 Schwarte 等 人 利 用 裸 鼠 作 为 动 物 模 型, 在 结 肠 癌 和 胰 腺 癌 细 胞 中 过 量 表 达 Smad4 能 够 有 效 降 低 血 管 内 皮 生 长 因 子 的 表 达, 进 而 减 少 肿 瘤 组 织 周 围 血 管 的 生 成, 起 到 抑 制 肿 瘤 生 长 的 效 果 因 此, 通 过 Smad4 和 BMP 信 号 通 路 中 的 其 它 分 子 来 调 控 肿 瘤 血 管 生 成 可 以 作 为 抑 制 肿 瘤 的 一 种 新 方 法 深 入 研 究 肠 道 上 皮 系 统 的 分 子 生 理 机 制 可 能 为 肠 道 疾 病 治 疗 提 供 一 个 新 的 思 路 原 文 检 索 : 1. Hardwick JC, Kodach LL, Offerhaus GJ, van den Brink GR. Bone morphogenetic protein signalling in colorectal cancer. Nature Reviews Cancer. 2008 Oct; 8(10): 806-812. 三 信 号 通 路 与 药 物 靶 点 近 年 来, 人 们 开 始 尝 试 使 用 一 些 特 异 性 分 子 药 物 来 治 疗 癌 症 相 对 于 化 疗 而 言, 这 种 新 方 法 能 够 很 好 地 区 分 正 常 细 胞 和 肿 瘤 细 胞, 因 而 能 更 特 异 地 杀 死 肿 瘤 细 胞, 而 不 损 伤 正 常 细 胞 在 这 些 试 验 中, 一 些 分 子 药 物 开 始 显 现 出 了 临 床 应 用 的 前 景 这 也 表 明, 通 过 干 扰 肿 瘤 生 长 和 存 活 中 所 依 赖 的 信 号 通 路, 可 以 起 到 治 疗 癌 症 的 效 果 下 面 我 们 将 简 单 介 绍 一 下 关 键 信 号 通 路 上 的 一 些 蛋 白 激 酶, 籍 此 以 阐 明 这 些 小 分 子 抑 制 剂 在 多 个 激 酶 靶 点 上 是 如 何 工 作 的 c-src 基 因 是 第 一 个 被 发 现 的 原 癌 基 因 1976 年,Bishop 和 Varmus 发 现,src 的 基 因 产 物 是 一 个 60 kda 的 磷 酸 化 蛋 白 [1] 随 后 不 久, 另 外 2 个 实 验 室 也 证 明 了 Src 蛋 白 是 一 种 激 酶 在 目 前 已 知 的 50 多 种 癌 基 因 中, 大 部 分 都 是 蛋 白 激 酶 在 细 胞 的 正 常 生 长 和 增 殖 中, 癌 基 因 被 一 些 信 号 通 路 抑 制 但 当 癌 基 因 发 生 突 变 或 者 被 异 常 激 活 后, 细 胞 的 异 常 增 殖 将 会 导 致 肿 瘤 发 生 针 对 细 胞 信 号 通 路 中 的 关 键 蛋 白 作 为 药 物 靶 点, 我 们 可 以 设 计 出 相 应 的 药 物 用 于 癌 症 治 疗 19