细胞信号通路与癌症发生

11 特约编辑：陈跃磊 刘 彬 陈跃磊， 男，中国科学院上海生命科学研究院在读博士， 研究方向：细胞生物学、发育生物学。 刘 彬， 男，中国科学院上海生命科学研究院在读博士， 研究方向：细胞生物学、分子生物学。 三十多年来，从第一个癌基因的克隆到新一代癌症治疗的诞生，有关癌症的研究突飞猛进。研究发 现，调控细胞正常生长、分化、增殖和凋亡的信号通路众多，如果这些信号发生异常，就会导致细胞癌变。 于是，这些信号通路中的重要因子日益成为抗癌药物筛选和癌症治疗中的关键靶点。目前，一些能够阻断致 癌信号的分子已被成功应用于临床癌症治疗。人们有理由相信，利用细胞信号通路寻找阻断癌症发生的方 法，将为癌症的诊断、监测和治疗带来新的契机。 下文我们将对细胞信号通路与癌症发生做一个简单的叙述。 细胞信号通路与癌症发生 一 背景知识 核心提示：在各种疾病中，癌症可谓是“头号杀手”。美国国立癌症研究院（NCI）根据历年统计数据，估计2008年全美新增癌症患者140多万，全年因癌症而死亡的人数超过57万人。卫生部肿瘤防治办公室提供的数据显示，我国每年癌症新发病例220万，因癌症而 死亡的人数为160万。我国的癌症发病、死亡和现患水平均居世界较高水平，并呈逐年上升的态势，癌症防 治任务异常艰巨，新型疗法的开发与新型药物的研发工作刻不容缓。 专题译述 生命奥秘 www.lifeomics.com 2 生命奥秘 www.lifeomics.com 2 1 肿瘤与癌症 肿瘤（tumor）是指在各种致瘤因素作用下，机体局部组织的细胞在基因水平上无法调控自身的生长过 程，导致单克隆性异常增生而形成的新生物。这种新生物常形成局部肿块，因而得名。根据肿瘤的生长特性 及其对机体的危害程度，一般分为良性肿瘤和恶性肿瘤两大类。这种分类对于肿瘤的诊断、治疗以及预测疾 病的发展情况都具有十分重要的意义。 恶性肿瘤也称作癌症（cancer）。它是一类由生长失控的异常细胞侵害正常组织器官所引起的疾病的统 称。癌细胞通过血液和淋巴系统入侵机体的其它部位，从原发的部位到其它器官形成新的肿瘤的过程被称为 癌症转移（metastasis）。生物体的所有组织和部位都会发生癌变，目前已知的癌症种类超过100多种。大多 数癌症以最初产生癌细胞的器官而得名，如直肠癌、肺癌等；也有以癌细胞的细胞类型而命名的，如位于皮 肤基底层的癌细胞被称为皮肤基底细胞癌（basal cell carcinoma）。根据癌细胞的特点和来源，癌症主要分 为五大类（1）。 表1 五大癌症类别 类别（中文/英文） 特点和来源 癌/carcinoma 一种恶性瘤，来源于上皮细胞，累及皮肤、粘 膜、腺体及内脏器官；如皮肤癌、肺癌、结肠 癌等。 肉瘤/sarcoma 来源于间叶组织，累及肌肉、结缔组织及软 骨；如骨癌等。 血癌/leukemia 一种造血组织的恶性疾病，又称白血病。 淋巴瘤和骨髓瘤/lymphoma & myeloma 一种存在于免疫系统的恶性肿瘤。 中枢神经系统癌症 /centra l nervous system cancer 一种位于大脑和脊髓的癌症；如脑癌等。 癌症病变的基本单位是癌细胞。通常情况下，细胞的分裂增殖和生长受到严格调控。以人为例，人体细 胞损伤或衰老死亡后就会被新生细胞取代，以维持正常的机体功能。绝大部分人体细胞都可以增殖，但这种 增殖是有限度的。在某些外界和体内的因素作用下，一些细胞的遗传物质发生了改变，从而导致细胞增殖过 程失控，这些细胞就成为了癌细胞（图1）。癌细胞无止境地增殖，大量消耗患者体内的营养物质。同时， 癌细胞还能释放出多种毒素，使人体产生一系列症状。如果未能及时发现与治疗，它就会转移至全身各处生 长繁殖，导致人体消瘦、无力、贫血、食欲不振、发热及内脏器功能受损，最终导致死亡。 图1 癌细胞的产生 图片来源：NIH 33 2 癌基因与抑癌基因 3 细胞信号转导 上个世纪七十年代以来，随着分 子生物学技术的不断发展，癌症的研 究步入了基因水平。人们发现，基因 突变与癌症发生息息相关。1976年， J. M. Bishop和H. E. Varmus发现宿 主细胞基因组内含有与鸟类Rous肉 瘤病毒高度同源的src基因，并首次 提出细胞癌基因（cellular oncogene, c-onc）的概念[1]，从而分享了1989年 的诺贝尔生理医学奖。 顾名思义，癌基因（oncogene） 就是指一类会引起细胞癌变的基因。 其实，体内的癌基因有其正常的生物 学功能，它的蛋白质产物参与细胞正 常的生长、分化和增殖。只有当细胞 的癌基因被不适当地激活后，才会在 没有接收到生长信号的情况下仍然不 断地促使细胞生长或使细胞免于凋 亡，最后导致细胞癌变（图2）。 图2 癌基因的形成 图片来源：The Science Creative Quarterly 迄今为止，人们已经发现了近百种癌基因。此外，多种癌基因在进化上相当保守，如癌基因ras在酵 母、果蝇、小鼠和人的正常基因组均有存在，这也是癌基因具有正常功能的一个有力佐证。 抑癌基因（anti-oncogene）又称肿瘤抑制基因（tumor suppressor gene），是指能够抑制细胞癌基因 活性的一类基因，其功能是抑制细胞周期，阻止细胞数目增多以及促进细胞凋亡。1987年G. Klein提出肿瘤 抑制基因这个概念，使得肿瘤生物学的研究又向前跨进了一步[2]。目前共发现十多种抑癌基因，p53基因是于 1979年发现的第一个肿瘤抑制基因[3]。起初，它被认为是一种癌基因，因为它能加快细胞分裂的周期；以后 的研究发现只有在p53基因失活或突变时才会导致细胞癌变，才认识到它是一个肿瘤抑制基因。 信号通路（signal pathway）的提出最早可以追溯到1972年，不过那时被称为信号转换（signal transmission）。1980年，M. Rodbell在一篇综述中提到信号转导（signal transduction），此后这个概念 就被广泛使用了 [4]。信号通路是指能将细胞外的分子信号经细胞膜传入细胞内发挥效应的一系列酶促反应通 路。这些细胞外的分子信号（称为配体，ligand）包括激素、生长因子、细胞因子、神经递质以及其它小分 子化合物等。当配体特异性地结合到细胞膜或细胞内的受体（receptor）后，在细胞内的信号又是如何传递 的呢？ 生命奥秘 www.lifeomics.com 4 生命奥秘 www.lifeomics.com 4 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-is- cancer 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 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。 导读： 55 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。 图4 酪氨酸激酶JAK的JH结构域 图片来源：Blood 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）。 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”。 生命奥秘 www.lifeomics.com 6 生命奥秘 www.lifeomics.com 6 2) JAK-STAT信号通路 3) JAK-STAT信号通路与白血病 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 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 77 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 G341E 白血病 人JAK2 V617F 骨髓增生综合症 K539L 真性红细胞增多症（polycythemia vera） T875N 急性巨核细胞白血病 第682－686位氨基酸缺失 急性淋巴细胞性白血病 人JAK3 A572V 急性巨核细胞白血病 V722I 急性巨核细胞白血病 P132T 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： Constantinescu SN, Girardot M, Pecquet C. Mining for JAK-STAT mutations in cancer. Trends Biochem Sci. 2008 Mar; 33(3):122-31.1. Li WX. Canonical and non-canonical JAK-STAT signaling. Trends Cell Biol. 2008 Nov; 18(11):545-51.2. Kalaitzidis D, Gilliland DG. Going with the flow: JAK-STAT signaling in JMML. Cancer Cell. 2008 Oct 7; 14(4): 279-2803. 生命奥秘 www.lifeomics.com 8 生命奥秘 www.lifeomics.com 8 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）。 99 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： Vousden KH, Lu X. Live or let die: the cell's response to p53. Nature Reviews Cancer. 2002 Aug; 2(8): 594-604.1. 生命奥秘 www.lifeomics.com 10 生命奥秘 www.lifeomics.com 10 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 2) TNF与NF-κB信号通路 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。 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 1111 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 生命奥秘 www.lifeomics.com 12 生命奥秘 www.lifeomics.com 12 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： Karin M. Nuclear factor-1. 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。 1313 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 k inase）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 生命奥秘 www.lifeomics.com 14 生命奥秘 www.lifeomics.com 14 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 1515 3) Ras-PI(3)K信号通路与癌症 4) 结语 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。 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。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： Shaw RJ, Cantley LC. Ras, PI(3)K and mTOR signalling controls tumour cell growth. Nature. 2006 May 25; 441(7092): 424-430.1. 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/Ca2+通路，通过释放胞内Ca2+来影响细胞粘连和相关基因表达。 生命奥秘 www.lifeomics.com 16 生命奥秘 www.lifeomics.com 16 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 →TCF/LEF→下游基因转录（如图12）。 图12 Wnt信号通路。红色为Wnt信号通路的负调控因子，绿 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. 1717 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 -Ca ten in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： Polakis P. The many ways of Wnt in cancer. Curr Opin Genet Dev. 2007 Feb; 17(1):45-511. Klaus A, Birchmeier W. Wnt signalling and its impact on development and cancer. Natu