Notch信號(hào)通路與疾病相關(guān)的研究進(jìn)展*

王 昭，江梓豪，李平赫，楊 娜，王宇鵬，張學(xué)明，魏春華，李嘉欣

(1.包頭醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與法醫(yī)學(xué)院2017級(jí)本科生，內(nèi)蒙古 包頭 014060；2.包頭醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室)

Notch信號(hào)通路廣泛存在于無(wú)脊椎和脊椎動(dòng)物中，在細(xì)胞表面表達(dá)，是介導(dǎo)細(xì)胞間信號(hào)傳導(dǎo)的一類(lèi)高度保守的信號(hào)通路。Notch突變體首次在果蠅中被發(fā)現(xiàn)，后在人類(lèi)也發(fā)現(xiàn)了Notch信號(hào)通路，Notch信號(hào)通路在細(xì)胞分化、胚胎發(fā)育、組織自我更新及腫瘤的發(fā)生等多個(gè)細(xì)胞過(guò)程中發(fā)揮重要的調(diào)控作用。Notch信號(hào)通路由Notch受體、Notch配體及下游細(xì)胞核靶信號(hào)結(jié)合分子3部分組成。Notch受體與其配體結(jié)合后激活Notch信號(hào)，調(diào)控相關(guān)的基因表達(dá)，從而發(fā)揮細(xì)胞間的調(diào)控作用。在哺乳動(dòng)物中，Notch受體有4種(Notch-1、Notch-2、Notch-3、Notch-4)，Notch配體有五種(DL1、DL3、DL4、Jagged1、Jagged2)。研究發(fā)現(xiàn)，Notch信號(hào)通路配體在小鼠胚胎時(shí)期的發(fā)育過(guò)程中表達(dá)情況和含量略有不同[1]。Notch信號(hào)通路配體的胞外結(jié)構(gòu)域含有EGF重復(fù)序列，胞外結(jié)構(gòu)域的N端有DSL結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域可以與Notch受體結(jié)合。Notch信號(hào)通路直接與鄰近細(xì)胞產(chǎn)生的信號(hào)結(jié)合，并將信號(hào)傳至細(xì)胞核，誘導(dǎo)相關(guān)基因的表達(dá)。

1 Notch信號(hào)通路與疾病的關(guān)系

1.1Notch信號(hào)與骨重建 Notch信號(hào)通路在骨重建的過(guò)程中起雙重作用，一方面可以促進(jìn)成骨細(xì)胞的活性，調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的活性與功能；另一方面Notch信號(hào)又可以抑制成骨細(xì)胞活化。Nobta等發(fā)現(xiàn)，在股骨缺損的小鼠模型中，Nocth-1、Delta-like-1和Jagged-1在骨缺損部位有較高水平的表達(dá)[2]。這說(shuō)明在骨損傷發(fā)生后，激活Notch信號(hào)通路可以促進(jìn)成骨細(xì)胞的活性并促進(jìn)骨組織的再生。Notch信號(hào)通路通過(guò)與Wnt信號(hào)通路相互對(duì)話(huà)，抑制Wnt通路的活化，進(jìn)而抑制成骨細(xì)胞的活化[3]。Zhang等研究表明，Notch信號(hào)通路靶基因表達(dá)產(chǎn)物Hey-1和Hes-1蛋白能夠抑制成骨細(xì)胞的活化[4]。吳紹軍等研究表明，Notch信號(hào)可以通過(guò)調(diào)控Bax和Bcl-2的表達(dá)調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞的存活狀態(tài)[5]。

1.2Notch信號(hào)與肺損傷的關(guān)系 急性肺損傷(ALI)是由于嚴(yán)重創(chuàng)傷、感染或休克等因素引起的急性進(jìn)行性呼吸功能不全，ALI可發(fā)展惡化為急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)。目前導(dǎo)致肺損傷的發(fā)生因素和具體機(jī)制尚不明朗，但是有大量研究證實(shí)Notch信號(hào)通路在ALI中扮演重要角色。有研究表明，Notch信號(hào)的多種受體配體在肺組織中表達(dá)，并提出Notch信號(hào)可能通過(guò)核轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控肺泡上皮細(xì)胞的增殖分化[6]。在發(fā)生肺損傷之后，肺組織中細(xì)胞因子的水平急劇上升，其中TNF-α、IL-12和IL-6等水平上升較為明顯。有研究顯示，Notch信號(hào)通路可以通過(guò)介導(dǎo)TNF-α的表達(dá)調(diào)控IL-12，使機(jī)體加強(qiáng)抗炎反應(yīng)[7]。汪鴻等在Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞與肺成纖維細(xì)胞共培養(yǎng)胎鼠模型中加入γ-分泌酶抑制劑后發(fā)現(xiàn)，Notch-1與Notch-3的mRNA表達(dá)水平下降，Notch信號(hào)通路的靶基因Hes-1 mRNA表達(dá)下降，表明γ-分泌酶抑制劑可阻斷胎鼠模型中的Notch信號(hào)通路[8]。Notch信號(hào)可能通過(guò)調(diào)節(jié)Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞，參與肺損傷的發(fā)生發(fā)展，為臨床用藥提供潛在靶點(diǎn)。張蔚屏等通過(guò)構(gòu)建膿毒血癥大鼠急性肺損傷模型發(fā)現(xiàn)，Notch信號(hào)通路受體Notch-1和信號(hào)通路靶基因Hes-1蛋白表達(dá)與正常組相比升高，且呈現(xiàn)與時(shí)間正相關(guān)性[9]。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，血漿中TNF-α、IL-6和IL-17的變化與Notch-1和Hes-1的變化趨勢(shì)一致，可能提示Notch信號(hào)通路在膿毒血癥大鼠肺損傷中起到調(diào)控炎癥反應(yīng)的作用。江曉琴等研究發(fā)現(xiàn)，持續(xù)高濃度氧環(huán)境可導(dǎo)致新生大鼠發(fā)生急性肺損傷，同時(shí)在研究中發(fā)現(xiàn)高氧環(huán)境所致的大鼠急性肺損傷中Notch1表達(dá)下降，說(shuō)明高氧可抑制Notch信號(hào)的表達(dá)從而達(dá)到修復(fù)損傷肺組織的目的[10]。

1.3Notch與神經(jīng)系統(tǒng)疾病

1.3.1Notch信號(hào)與阿爾茨海默癥(AD) 阿爾茨海默癥是一種神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，發(fā)病的主要機(jī)制是由γ-分泌酶水解淀粉樣蛋白前體而形成的β-淀粉樣蛋白(Aβ)的異常蓄積導(dǎo)致。單胺氧化酶B(MAO-B)在此過(guò)程發(fā)揮重要作用，MAO-B的表達(dá)上調(diào)使γ-分泌酶的活性增強(qiáng)，Aβ含量增加[11]。Brai等研究發(fā)現(xiàn)在AD患者的大腦中，Notch信號(hào)的表達(dá)受到抑制[12]。早老素(PS)是一種多功能蛋白，與細(xì)胞內(nèi)多條信號(hào)通路密切相關(guān)，PS可以參與Aβ的形成。因此，PS與AD的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。Notch信號(hào)通路的激活需要經(jīng)過(guò)γ-分泌酶水解釋放NICD片段，此過(guò)程與APP形成Aβ需要分泌酶水解切割相似。PS在上述兩個(gè)過(guò)程中起著非常重要的作用，但是切割機(jī)制可能不完全相同[13]。

1.3.2Notch信號(hào)與腦缺血再灌注損傷 目前研究表明Notch信號(hào)在腦缺血再灌注后表達(dá)異常具有兩面性的意義。一方面是Notch信號(hào)通路可以促進(jìn)炎性反應(yīng)和氧化應(yīng)激，從而造成細(xì)胞損傷，從這方面來(lái)講Notch信號(hào)通路對(duì)腦損傷后是有害的；另一方面，Notch信號(hào)通路可以促進(jìn)腦細(xì)胞和神經(jīng)的再生，挽救尚未壞死的細(xì)胞對(duì)抗損傷反應(yīng)，保護(hù)大腦。周文芝等研究表明，腦缺血再灌注后急性期內(nèi)NICD1和NICD2表達(dá)高于對(duì)照組，Notch信號(hào)受體和配體的mRNA表達(dá)高于對(duì)照組。同時(shí)發(fā)現(xiàn)Notch信號(hào)的下游靶基因Hes-1和Hey-1的表達(dá)變化情況與上述一致，均為表達(dá)上調(diào)且高于對(duì)照組。上述這些現(xiàn)象表明在腦缺血再灌注后急性期內(nèi)Notch信號(hào)被明顯激活[14]。王俊捷等通過(guò)應(yīng)用DAPT阻斷Notch信號(hào)通路后經(jīng)過(guò)Nissl染色和TTC染色顯示腦損傷減少，小鼠抗氧化能力增強(qiáng)，腦梗死面積減少[15]。他們認(rèn)為阻斷Notch信號(hào)通路可以改善小鼠腦缺血再灌注所致?lián)p傷。Notch信號(hào)通路可能起到一個(gè)保護(hù)機(jī)制。

1.4Notch信號(hào)與血管生成 在哺乳動(dòng)物中，Notch對(duì)血管的生成與發(fā)育起著至關(guān)重要的作用。Notch信號(hào)的激活或抑制，可以影響血管的生成，通過(guò)調(diào)節(jié)Notch信號(hào)的不同狀態(tài)，影響內(nèi)皮前體細(xì)胞的分化方向，從而調(diào)節(jié)血管的發(fā)育。血管平滑肌細(xì)胞(VSMC)是血管壁的重要組成成分之一，對(duì)于維持血管壁的結(jié)構(gòu)和功能有著不可或缺的作用。血管壁的結(jié)構(gòu)改變是許多疾病發(fā)生的首要條件之一。研究發(fā)現(xiàn)，Notch信號(hào)的各種受體及配體不同程度的表達(dá)于血管壁之中，Notch受體1、2、3表達(dá)在VSMC中，而Notch信號(hào)配體Jagged-1和Delta-like 1則表達(dá)在內(nèi)皮細(xì)胞中，內(nèi)皮細(xì)胞調(diào)節(jié)Notch信號(hào)配體的表達(dá)和血管平滑肌中的Notch信號(hào)配體相互作用，從而影響血管的生成[16]。研究表明，血管損傷后，受損的血管壁中Jagged-1表達(dá)明顯增加，VSMC的增殖被抑制，凋亡增多[17]。血管內(nèi)皮細(xì)胞(VEC)是血管內(nèi)的重要屏障，Notch信號(hào)通路對(duì)VEC的增殖分化和功能起著重要的作用，VEC表達(dá)Notch信號(hào)的多種受體和配體，且正確結(jié)合才會(huì)使VEC的增殖和分化正常且具有正常的生理功能。Make等研究表明，Notch-1在成人血管中起著一種類(lèi)似于壓力感受器的作用，將血管中血流的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為細(xì)胞信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)Notch-1對(duì)VEC的調(diào)節(jié)[18]。

1.5Notch信號(hào)與血細(xì)胞的發(fā)生 血液系統(tǒng)主要包括粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、紅細(xì)胞和血小板等，由骨髓中的造血干細(xì)胞分化形成，由骨髓遷移至外周血或外周免疫器官定居。粒細(xì)胞和淋巴細(xì)胞是人體抵御外來(lái)細(xì)菌、病毒的重要防線(xiàn)，是免疫防御功能的體現(xiàn)。其中淋巴細(xì)胞同時(shí)對(duì)人體內(nèi)的細(xì)胞起到免疫監(jiān)視和免疫自穩(wěn)的作用，二者對(duì)維持機(jī)體細(xì)胞的正常有著不可或缺的作用。紅細(xì)胞在血液中負(fù)責(zé)氧氣和二氧化碳的運(yùn)輸，為細(xì)胞代謝提供養(yǎng)料，同時(shí)帶走代謝廢物。紅細(xì)胞、粒細(xì)胞和淋巴細(xì)胞的異常會(huì)導(dǎo)致機(jī)體出現(xiàn)如白血病和障礙性貧血等疾病，嚴(yán)重影響機(jī)體正常生理功能。

淋巴細(xì)胞可分為T(mén)淋巴細(xì)胞和B淋巴細(xì)胞，二者由淋巴樣祖細(xì)胞分化而來(lái)。骨髓多功能造血干細(xì)胞(Hematopoietic stem cells,HSCs)分化為淋巴樣祖細(xì)胞，后者經(jīng)過(guò)血液的運(yùn)輸，遷移至胸腺，在胸腺中先后經(jīng)過(guò)雙陰性細(xì)胞(Double negative cell,DN)、雙陽(yáng)性細(xì)胞(Double positive cell,DP)和單陽(yáng)性細(xì)胞(Singe positive cell,SP)后分化為成熟的T細(xì)胞。B淋巴細(xì)胞由存在于骨髓當(dāng)中的淋巴樣祖細(xì)胞分化而來(lái)，成熟的B淋巴細(xì)胞通過(guò)血液循環(huán)進(jìn)入外周淋巴器官定居。研究顯示激活Notch信號(hào)可以促進(jìn)淋巴樣祖細(xì)胞分化為T(mén)淋巴祖細(xì)胞，且不同程度Notch信號(hào)的表達(dá)可促使T淋巴祖細(xì)胞向不同的方向分化，上調(diào)Notch信號(hào)的表達(dá)可促使T淋巴祖細(xì)胞向α、βT細(xì)胞方向分化。這種Notch信號(hào)的活化是由于淋巴樣祖細(xì)胞上的Notch受體與胸腺上皮細(xì)胞表達(dá)的Notch配體結(jié)合所引起的。同時(shí)胸腺基質(zhì)細(xì)胞可表達(dá)Notch配體促進(jìn)T淋巴祖細(xì)胞的分化發(fā)育和成熟。Notch信號(hào)還可以參與調(diào)節(jié)T淋巴細(xì)胞的功能，影響其產(chǎn)生IL。在B淋巴細(xì)胞發(fā)育的全過(guò)程中都可以檢測(cè)到Notch信號(hào)的表達(dá)。研究表明，在中樞或外周免疫器官中，Notch信號(hào)可能抑制B淋巴細(xì)胞的分化和發(fā)育。但是，Notch信號(hào)活化可以提高B細(xì)胞的活化程度和分泌抗體的能力。

哺乳動(dòng)物的造血功能主要由造血干細(xì)胞(HSC)完成，位于骨髓的造血干細(xì)胞不斷地分裂和分化形成血細(xì)胞。其為細(xì)胞、組織、器官提供氧化和營(yíng)養(yǎng)并帶走代謝廢物，為機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育提供良好的環(huán)境。Notch信號(hào)對(duì)HSC有重要的調(diào)節(jié)作用，甲狀旁腺激素可以促進(jìn)造血微環(huán)境中Notch信號(hào)配體Jagged-1的表達(dá)，促進(jìn)HSC的增殖[19]。

1.6Notch信號(hào)對(duì)腫瘤的影響 一些腫瘤能夠利用Notch-1作為致癌基因和腫瘤抑制因子。根據(jù)COSMIC數(shù)據(jù)表明，造血和淋巴瘤顯示Notch-1的高突變率為72 %，上呼吸消化道、大腸、肺、皮膚、胃和乳房中的實(shí)體瘤也表現(xiàn)出Notch1的異常表達(dá)。曾報(bào)道，Notch1蛋白表達(dá)于急性T淋巴細(xì)胞白血病(T-All)和實(shí)體瘤(如人類(lèi)乳腺癌、小鼠乳腺癌和肺癌)中[20]。T-ALL患者表現(xiàn)出表觀遺傳突變，T細(xì)胞受體β基因座中Notch1 3'區(qū)的易位。Notch1細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域(Notch1-IC)過(guò)度表達(dá)，導(dǎo)致靶基因的激活，Notch1-IC異常表達(dá)誘導(dǎo)骨髓祖細(xì)胞的積聚和細(xì)胞周期的停滯，進(jìn)而導(dǎo)致淋巴瘤的發(fā)生[21]。Notch1的異常表達(dá)也表現(xiàn)在乳腺癌之中，在20個(gè)乳腺癌病歷中均發(fā)現(xiàn)Notch1-IC的高表達(dá)，而Notch-1信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的負(fù)調(diào)節(jié)因子Numb在這些組織中被下調(diào)[22]。對(duì)乳腺癌患者使用RT-PCR和免疫組化的研究結(jié)果顯示：患者體內(nèi)腫瘤組織中Notch1的表達(dá)出現(xiàn)異常，特別是在Ⅱ期小葉癌患者中[23]。另一項(xiàng)研究中，研究人員使用免疫組化技術(shù)檢查了109例胃癌患者的Notch1-IC和p21的水平，結(jié)果顯示在晚期癌癥中的Notch1-IC表達(dá)增加，而p21的表達(dá)在這些病例中下調(diào)[24]。因此，這種負(fù)相關(guān)促進(jìn)了腫瘤的侵襲和某些表型特征。

除了異二聚體化的突變外，主要的Notch1活性突變是在PEST結(jié)構(gòu)域中轉(zhuǎn)移至2515，從而對(duì)FBW7產(chǎn)生不敏感性[25]。FBW7底物CPD中的眾多癌癥相關(guān)突變破壞了對(duì)FBW7降解的敏感性[26]。肽-脯氨酰順?lè)串悩?gòu)酶1(Pin1)調(diào)節(jié)FBW7的異構(gòu)化和失活并穩(wěn)定Notch1-IC，通過(guò)抑制FBW7介導(dǎo)的Notch1-IC降解[27]。Notch1信號(hào)通過(guò)調(diào)控轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子如Snail、Slug、TGF-β、FGF和PDGF參與上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化，并支持腫瘤進(jìn)展期間的表型和功能變化[28,29]。Notch1的激活能夠促進(jìn)癌癥的遷移和血管生成，并增加癌癥細(xì)胞的自我更新活性[30]。Notch1誘導(dǎo)Sox2，NANOG和Oct4的表達(dá)，以支持與腫瘤遷移和復(fù)發(fā)高度相關(guān)的腫瘤起始細(xì)胞，癌癥細(xì)胞的活性[31]。

2 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，高度保守的Notch信號(hào)通路在決定細(xì)胞命運(yùn)、細(xì)胞增殖和細(xì)胞分化等方面發(fā)揮重要作用，但是眾多疾病的發(fā)生發(fā)展與Notch信號(hào)通路的異常轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)。Notch信號(hào)在許多疾病中扮演雙重角色，一方面可以促進(jìn)炎性過(guò)程，使原有疾病惡化；另一方面Notch信號(hào)卻能夠抑制炎性反應(yīng)，控制疾病的發(fā)展。因此調(diào)控Notch信號(hào)對(duì)控制疾病的發(fā)生和發(fā)展至關(guān)重要。目前，關(guān)于Notch信號(hào)通路結(jié)構(gòu)和功能的研究已經(jīng)廣泛開(kāi)展，國(guó)內(nèi)外已見(jiàn)大量報(bào)道。Notch信號(hào)通路與疾病的相關(guān)研究不斷深入，我們有理由相信，Notch信號(hào)通路將會(huì)成為治療疾病的新靶點(diǎn)。