第四节 可控性蛋白降解与信号转导

在动物的发育过程中涉及极其复杂的信号转导过程，除了前面几节提到的信号途径以外，还有可控性蛋白水解相关的信号途径，如Wnt、Hedgehog、Notch、NF-κB等信号途径，这些信号途径往往影响相邻细胞的分化，称为侧向信号发放（lateral signaling）。

一、Wnt信号途径

Wnt是一类分泌型糖蛋白，通过自分泌或旁分泌发挥作用。在小鼠中，肿瘤病毒整合在Wnt之后而导致乳腺癌，命名为Int1，它与果蝇的无翅基因（Wingless，wg）有高度同源性。Wnt信号途径能引起胞内β-连锁蛋白（β-catenin）积累。β-catenin（在果蝇中叫做犰狳蛋白Armadillo）是一种多功能的蛋白质，在细胞连接处它与钙粘素相互作用，参与形成粘合带，而游离的β-catenin可进入细胞核，调节基因表达。Wnt信号在动物发育中起重要作用，其异常表达或激活能引起肿瘤。

Wnt的受体是卷曲蛋白（frizzled，Frz），为7次跨膜蛋白，结构类似于G蛋白偶联型受体，Frz胞外N端具有富含半胱氨酸的结构域（cysteine rich domain，CRD），能与Wnt结合。Frz作用于胞质内的蓬乱蛋白（Dishevelled，Dsh或Dvl），Dsh能切断β-catenin的降解途径，从而使β-catenin在细胞质中积累，并进入细胞核，与T细胞因子（T cell factor / lymphoid enhancer factor，TCF/LEF）相互作用，调节靶基因的表达，TCF/ LEF是一类具有双向调节功能的转录因子，它与Groucho结合抑制基因转录，而与结合β-catenin则促进基因转录。Wnt还需要另外一个受体（co-receptor），即LRP5/6，属于低密度脂蛋白受体相关蛋白（LDL-receptor-related protein，LRP），但至今还不清楚它如何与Frz一起活化Dsh。

图8-34 Wnt信号途径 引自Johan H. van ES 2003

Wnt信号途径可概括为（图8-34）：Wnt→Frz→Dsh→β-catenin的降解复合体解散→β-catenin积累，进入细胞核→TCF/LEF→基因转录（如c-myc、cyclinD1）。

β-catenin的降解复合体：主要由APC、Axin、GSK-3β、CK1等构成。

GSK-3β：是一种蛋白激酶，在没有Wnt信号时，GSK-3β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再结合到β-TRCP蛋白上[7]，受泛素[8]的共价修饰，被蛋白酶体（proteasome）降解。β-catenin中被GSK3磷酸化的氨基酸序列称为破坏盒（destruction box），此序列发生变异可能引起某些癌症。

CK1：酪蛋白激酶（casein kinase 1），能将β-catenin的Ser45磷酸化，随后GSK-3β将β-catenin的Thr41、Ser37、Ser33磷酸化（图8-35）。

图8-35 β-catenin的磷酸化 引自Johan H. van ES 2003

APC：是一种抑癌基因，其突变引起良性肿瘤——结肠腺瘤样息肉（adenomatous polyposis coli），但随着时间的推移，可能发生恶变。APC蛋白的作用是增强降解复合体与β-catenin的亲和力。

Axin：是一种支架蛋白，具有多个与其它蛋白作用的位点，能将APC、GSK-3β、β-catenin、CK1结合在一起。此外它还能与Dishevelled、PP2A（protein phosphatase 2A）等成分结合，其中Dsh与Axin结合能使降解复合体解体。PP2A可能引起Axin去磷酸化，而使降解复合体解体，因此属于Wnt途径的正调控因子，但PP2A至少由催化亚基和调节亚基两部分构成，其调节亚基仍算作是抑癌基因。

Wnt信号途径的其它成分：

GBP：GSK-3β结合蛋白（Frat基因的产物），对Wnt信号途径起正调控作用，GBP/Frat抑制GSK3-β的活性。

Dickkopf1（DKK1）：是一种分泌蛋白，其与Wnt受体LRP5/6及另一类穿膜蛋白Kremen1/2结合，形成三聚体，诱导快速的细胞内吞，减少细胞膜上的LRP5/6，由此阻断了Wnt信号向胞内的传递。

sFRP：分泌型Frz相关蛋白（secreted frizzled-related proteins），含有一个CRD结构域，但缺少七次跨膜域，它可能与Frz竞争结合Wnt蛋白。其他的抑制蛋白还有Sizzled、WIF-1和Cerberus，它们也直接与Wnt蛋白结合，从而拮抗Wnt信号。

二、Notch信号途径

Notch基因最早发现于果蝇，部分功能缺失导致翅缘缺刻（notches，图8-36）。在胚胎发育中，当上皮组织的前体细胞中分化出神经元细胞后，其细胞表面Notch配体Delta与相邻细胞膜上的Notch结合，启动信号途径，防止其它细胞发生同样的分化，这种现象叫作侧向抑制（lateral inhibition）。Notch突变的半合子[9]或纯合子在胚胎期死亡，其胚胎中神经组织取代了上皮组织从而使神经组织异常丰富。

图8-36 Notch缺陷引起果蝇翅缘缺刻

Notch信号途径由Notch、Notch配体（DSL蛋白）和CSL（一类DNA结合蛋白）等组成。Notch及其配体均为单次跨膜蛋白，当配体（如Delta）和相邻细胞的Notch结合后，Notch被蛋白酶体切割，释放出具有核定位信号的胞质区ICN（intracellular domain of Notch），进入细胞核与CLS结合，调节基因表达。可概括为（图8-37）：Delta→Notch→酶切→ICN→进入细胞核→CLS-ICN复合体→基因转录。

Notch：为分子量约300KD的蛋白质，果蝇只有1个Notch基因，人类4个（Notch1-4）。Notch的胞外区是结合配体的区域，具有不同数量的EGF样重复序列（EGF-R）和3个LNR（Lin/Notch repeats）。胞内区由RAM（RBP-J kappa associated molecular）结构域、6个锚蛋白（cdc10/ankyrin，ANK）重复序列、2个核定位信号[10]（NLS）和PEST结构域。RAM结构域是与CSL结合的区域，PEST结构域与Notch的降解有关。Notch蛋白要经过三次切割，第一次在高尔基体内被furin切割为2个片断，转运到细胞膜形成异二聚体。当配体结合到胞外区，Notch蛋白又发生两次断裂，先是被肿瘤坏死因子-α-转化酶（TNF-α-converting enzyme，TACE）切割，然后被γ-促分泌酶（γ-secretase）切割，后者需要早老蛋白（presenilin，PS）参与。酶切以后释放Notch胞内区ICN，进入细胞核发挥生物学作用。

Notch配体：在果蝇中Notch个配体为Delta和Serrate，线虫为Lag-2，取首写字母，Notch的配体又被称为DSL蛋白（在哺乳动物中叫做Jagged），都是单次跨膜糖蛋白，其胞外区含有数量不等的EGF样重复区，N端有一个结合Notch体必需的DSL基序。

CSL：为转录因子，在哺乳动物中叫做CBF1，在果蝇中叫做Suppressor of Hairless，在线虫中叫做Lag-1，故名。CSL能识别并结合特定的DNA序列（GTGGGAA），这个序列位于Notch诱导基因的启动子上。ICN不存在时，CSL为转录抑制因子。当结合ICN时，CSL能诱导相关基因的表达。Notch信号的靶基因多为碱性螺旋-环-螺旋类转录因子（basic helix-loop-helix，bHLH），它们又调节其它与细胞分化直接相关的基因的转录。如哺乳动物中的HES（hairy/ enhancer of split）、果蝇中的E（spl） （enhancer of split）及非洲爪蟾中的XHey-1等。

图8-37 Notch信号途径

三、Hedgehog信号途径

Hedgehog是一种共价结合胆固醇的分泌性蛋白，在动物发育中起重要作用。果蝇的该基因突变导致幼虫体表出现许多刺突，形似刺猬，故名Hedgehog。脊椎动物中至少有3个基因编码Hedgehog蛋白，即：Shh（Sonic hedgehog）、Ihh（Indian hedgehog）和Dhh（desert hedgehog），其中Shh是根据电子游戏中的角色命名的，后两者是用刺猬的两个种命名的。

两个跨膜蛋白Patched（Ptc）和Smoothened（Smo）介导Hedgehog信号向胞内传递。Ptc是12次跨膜蛋白，能与Hedgehog结合；Smo为7次跨膜蛋白，与G蛋白偶联型受体同源。在无Hedgehog的情况下，Ptc抑制Smo。当Hedgehog与Ptc结合时，则解除了Ptc对Smo的抑制作用，引发下游事件（图8-38）。

Hedgehog信号途径的转录因子是Ci（Cubitus interruptus，在脊椎动物中为Gli），具有锌指结构，分子量155KD。在胞质中Ci与其它蛋白形成复合体，这些蛋白包括：Fu（Fused，一种丝氨酸/苏氨酸激酶）、Cos（Costal，一种能将复合体锚定在微管上的蛋白）和Su（suppressor of Fused，适配蛋白）。在没有Hedgehog信号时，Ci被水解为75KD的片段，进入细胞核，抑制Hedgehog信号响应基因。当Hedgehog与Ptc结合时，Ci的降解被抑制，从复合体中释放出来，全长的Ci进入细胞核中，启动相关基因表达，这些基因包括Wnt和Ptc。Ptc的表达，又会抑制Smo，从而抑制Hedgehog信号，是一种反馈调节。

图8-38 Hedgehog信号途径 引自Kent Nybakken、Norbert Perrimon 2002

四、NF-κB信号途径

NF-κB是属于Rel家族的转录因子，参与调节与机体免疫、炎症反应、细胞分化有关的基因转录。哺乳动物细胞中有五种NF-κB/Rel：RelA(P65)，RelB，C-Rel，NF-κB1(P50)、NF-κB2(P52)，都具有Rel同源区(Rel homology domain，RHD)，能形成同或异二聚体，启动不同的基因转录。静息状态下，NF-κB二聚体与抑制蛋白IκB结合成三聚体而被隐蔽于细胞质，胞外刺激可激活IκB的泛素化降解途径，而使NF–κB二聚体进入胞核，调节基因转录。

IκB家族成员有IκBα，IκBβ，IκBγ，IκBδ，IκBε，Bcl-3等，都具有与Rel蛋白相互作用的锚蛋白重复序列和与降解有关的C端PEST序列。

IKK(IκB kinases)是NF-κB信号传导通路的关键性激酶。胞外信号如：肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor，TNF）、白介素1(interleukin-1，IL-1)等可以激活IKK，使IκB磷酸化，随后被泛素化途径降解。