Notch信号通路在肿瘤发生发展中的作用

顾 盼 综述，易祥华 审校

(同济大学附属同济医院病理科，上海 200065)

1 Notch信号通路的生物学特性

1.1 Notch信号通路组成

Notch信号通路由受体、配体以及细胞内效应分子CSL蛋白所组成［1］，CSL为三种转录因子的缩写分别为脊椎动物中的 CBF－1、果蝇中的 SuH(Suppressor of Hairless)以及线虫中 Lag－1。

Notch受体是一个单次I型跨膜蛋白，主要由胞外部分及胞内部分组成。胞外部分包含36个表皮生长因子样重复序列(tandem epidermal growth factor－like repeats'EGFR)和三个富含半胱氨酸的LNR－12重复序列，EGFR重复序列是与配体集合的关键部位，LNR重复序列能促进与配体结合后的蛋白二聚化。胞内部分含多个功能结构区域:从近包膜处向胞内依次为一个 RAM23(RBP－J kappa associated molecular)区域、6个锚蛋白(cdc10/ankyrin，ANK)重复序列、二个核定位序列 NSL(NSL1、NSL2)和一个 C 末端的 PEST 序列［2］。RAM结构域是与CSL结合的区域，PEST结构区域与Notch蛋白降解有关［3］。在哺乳动物中Notch的受体可以分成Notch1－4四种类型。

Notch的配体同样是 I型跨膜蛋白，果蝇中Notch受体为 Delta和 Serrate，线虫中为 Lag2，故Notch配体又被成为DSL蛋白［4］。目前发现人类的Notch配体种类有 Delta－like1，3 和 4(或 Dll1、3 和4，与 Delta同源)以及 Jagged 1、2(与 Serrate同源)。Delta的胞外序列包含一个N端DSL区域和数目不等的EGFR重复序列，DSL区域是调控特异性结合Notch受体的区域。Jagged1、2的胞外区同样含有以上两个区域，同时Jagged配体还含有一个半胱氨酸富集区域 CR(cysteine－rich)，而 Delta配体无此区域。

细胞内效应因子CSL为转录因子，能识别并结合特定的DNA序列(GTGGGAA，位于Notch诱导基因的启动子上)，从而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)，它们又调节其他与细胞分化直接相关的基因的转录，如哺乳动物中的 HES1/5(hairy/enhancer of split1/5)等［5］。

1.2 Notch信号通路的作用机制

Notch受体被合成为单次前提蛋白，它高尔基体里被弗林样转化酶(Furin－like covertase)剪切成两段，并由边缘糖基转移酶(Fringe glycosyltransferases)介导在EGFR重复序列上加上n－乙酰氨基葡萄糖(N－acetylglucosamine)，然后被转运到细胞表面以异质二聚体形式表达。被弗林样转化酶修饰过的Notch受体不能与Jagged配体结合激活信号通路，而可与Delta配体结合。

当Notch配体与受体结合后，Notch受体相继发生2次蛋白水解。第一次水解发生在细胞外靠近跨膜区(TM，transmembrane)由金属蛋白酶肿瘤坏死因子 α 转化酶(TACE，metalloproteasetumor necrosis factor－α－converting enzyme)介导切割为 2个片段，水解下的胞外区被配体表达细胞内吞。第二次水解发生在跨膜区(TM)，由一个多蛋白复合物介导，其包含早老素(presenilins)、Nicastrin、APH1、PEN2和γ－分泌酶。第二次水解后，Notch受体细胞内区域(NICD)被水解下并转移至细胞核内，并与下游的转录因子CSL结合，构成转录活化复合体从而启动转录。在NICN缺失的情况下，CSL表现为转录抑制状态，与NICN结合后，CSL被激活并开始转录。通过CSL与转录抑制因子CoR(corepressors)解离与此同时与共激活物 CoA(coactivators)以及 MAML1(mastermind－like)蛋白结合构成转录活化复合体从而启动转录。近年来，有报道指出还存在一种CSL非依赖的Notch信号激活途径，机制尚未研究清楚。Notch信号转导的特点是不需要第二信使和蛋白激酶的参与，可以直接接受临近细胞的信号并传递到细胞核，从而激活相关转录因子的表达，此种方式虽不能放大信号，但对于细胞分化起始过程起到了精确调控的作用［6］。

2 Notch信号通路与肿瘤的关系

2.1 Notch信号通路与乳腺癌

异常的Notch信号通路在实体瘤中，被发现有促癌作用最早的数据与小鼠乳腺癌肿瘤病毒(mousemammarytumorvirus，MMTV)有 关。MMTV的插入导致转录出一个缩短且缺少大部分胞外段的Notch4。转基因小鼠表达Notch4/int3基因编码出来的缩短版Notch4活化形式被证明是异常的Notch信号通路导致乳腺癌发生发展的主要原因同时Notch4基因已被证明涉及正常乳腺的发育［7］。目前，被激活的Notch2在正常乳腺上皮细胞中的作用还没有被报道过［8］。最近发现［9］，在乳腺癌细胞中，用稳定的发卡结构干扰降低Notch3表达后可以降低由成骨细胞和转化生长因子(transforming growth factor，TGF－β1)介导的细胞转移。这些结果表明敲掉Notch3可以作为一个减少乳腺癌骨转移的机制。又由于小鼠的Notch1和Notch2是其本身乳腺瘤病毒(MMTV病毒)插入和重组的靶位点，该位点的突变可以促进上皮乳头状瘤的发生。另外，乳房上皮细胞持续激活Notch4的表达能抑制上皮细胞分化从而导致该组织肿瘤的产生。这些数据都说明了Notch家族的信号通路的确在乳癌的发生过程中起作用，但是在正常乳腺发育中的作用还并不是很清晰，需要进一步的研究。

在上述的Notch信号在癌症发生的机制，Notch在乳腺癌中促癌的作用。然而Notch信号就像一把双刃剑，在一些组织中Notch却通过促进细胞分化对一些癌症有抑制作用。肺癌及皮肤癌是Notch抑癌作用的两个显著例子。

2.2 Notch信号通路与肺癌

在肺癌中，Notch被认为与具有典型神经内分泌表征的小细胞肺癌(small cell lung cancer，SCLC)致病机理有关。与乳腺癌相同，Notch信号通路在正常肺组织的发育以及癌变过程中均有作用。在人胚胎细胞发育过程中，肺神经内分泌细胞(PNEC)选择性地表达一种高度保守的bHLH蛋白，其与 Achaete－scute homologue－1(ASH1)，其促进NE细胞分化。在此过程中，Notch信号途径通过激活HES基因来控制肺上皮细胞的命运，HES基因是抑制NE细胞分化过程中所必须的ASH1蛋白表达的基因。人类ASH1基因(hASH1)在多数SCLC细胞株中高表达，但在NSCLC细胞中却几乎不见。SCLC的发展与一条特异的通路上调有关，而该路径在正常情况下是被Notch信号所抵抗的，在SCLC细胞实验中，过表达的ICN1或ICN2可以使细胞周期依赖激酶抑制剂(CDKI，cyclin－dependent kinase inhibitors)p21Cip1和p21Kip1表达上调，从而使细胞停滞在GI期，证明Notch信号抑制了hASH1基因表达［10］。因此，Notch信号对于SCLC的产生有抵抗和抑制作用。

但是Notch的激活相反又加速了非小细胞肿瘤(non－small cell lung carcinoma，NSCLC)的生长。在NSCLC中，包括肺腺癌、鳞状细胞癌、大细胞未分化癌、细支气管肺泡癌，都含有 HES1的高表达［11］。Sriuranpong.V 等研究表明，一个关于染色体19号的平衡易位被用来鉴别那些NSCLC患者，而这些患者则表现为具有反常的高水平Notch3表达，以及伴随有 HES系列 Notch上流靶向基因Notch3的过表达［12］。Westhoff B 等人证明，Notch信号在1/3的NSCLC中发生了变异，而NSCLC又是肺癌致死的关键因素。NUMB表达的缺失和Notch1基因的杂合突变作为Notch信号变异的两个主要特征，使得Notch信号的变异导致最终癌症的发生［13］。

2.3 Notch信号与皮肤恶性肿瘤

异常的Notch信号能够导致皮肤癌的发生。在体外实验中，无论是对人类或是小鼠角质细胞，Notch信号诱导了其细胞分化，进而细胞分裂周期停滞。那些Notch1缺陷的动物很自然的就生长出高度血管化的基底细胞癌类似肿瘤。这是因为在小鼠皮肤中由于Notch1缺陷而导致了Gli2的过度表达，其中Gli2则是在调节脊椎动物器官发育中起关键作用的音猬因子(Shh)路径的下游组成成分［14］。因此，Notch1在Notch信号家族抑癌功能中起到主要作用。另一方面，化学诱癌实验结果证明Notch1缺陷的皮肤更容易生成皮肤癌。从分子学的角度上分析，Notch信号导致的皮肤癌的发病机制是多样性的，并且至今仍未被完全解释完全。

黑素瘤是皮肤恶性肿瘤中致死率最高的恶性肿瘤。黑素瘤的产生是由于存在表皮基底层的黑色素细胞的转化，并且最终分散到表皮的黑色素单元。微列阵(Microarray)技术研究表明黑素瘤的生长与Notch活化有关，相比于痣以及普通黑色素细胞，Notch2 mRNA在高侵略性的黑素瘤细胞系中过表答。在有高侵略性黑素瘤细胞中Jagged－2 mRNA表达上调。γ－分泌酶，作为一种Notch信号通路中重要酶，它的抑制能导致黑素瘤细胞凋亡，但对普通黑色素细胞无影响，这说明Notch信号通路对于黑素瘤细胞的存活非常必要。另外，针对一系列良性和恶性的黑色素细胞性病变中对Notch通路的研究发现，Notch通路的激活对于黑色素瘤生长具有重大意义，并且Notch信号的上调还能维持黑素瘤的发展。Notch作为一种抗细胞凋亡的信号，在黑素瘤中起促癌作用［15］。

此外，目前有研究发现Notch信号通路与很多其他信号通路在肿瘤的发生发展中有交叉作用，如:与Wnt信号通路在肺癌、皮肤癌、乳腺癌等多种肿瘤中有交叉作用对肿瘤细胞的生长、转移、侵袭、血管再生和新城代谢等都起着重要的作用［16］;另外，活化的Notch1也参与了NSCLC吉非替尼靶向治疗获得性耐药的发生机制;其与PI3K信号通路及MAPK信号通路也存在串活作用，并可能与NSCLC吉非替尼的原发性耐药有关［17－18］。鉴于Notch最近信号通路与肿瘤的关系如此密切，有研究将Notch作为新的靶向治疗的位点用来抗癌，γ－分泌酶抑制剂(Gamma－Secretase Inhibitor，GSI)作为 Notch 的抑制剂已进行了大量的实验，GSI MK－0572已进行了一期的临床实验取得了一定的效果，现仍有其他种类的Notch抑制剂正在被研究，期待有朝一日可以投入临床为癌症病人带来新的希望。

3 展 望

由于Notch信号通路在正常组织发育及在肿瘤发生发展中都起着很重要的作用，随着研究的广泛进展，对了解Notch也越来越深入:已清楚了哺乳动物中Notch受体与配体的基本构型及其与在于昆虫或其他动物体内的Notch受体或配体的异同;Notch信号通路的一种激活途径(即CSL依赖途径)、传递方式以及作用基因等，同时发现Notch与部分肿瘤有密切的关系并在不同的肿瘤中起不同的作用等等。除此之外仍存在一些未解决的问题，比如:Notch本身受体及配体类型较多，相关配体的作用尚不完全清楚;另外在Notch信号通路激活过程中，存在的CSL非依赖途径其机制及激活传导过程尚未完全阐明;Notch与更多的肿瘤的关系以及在肿瘤的发生发展中Notch与其他信号通路的相互作用的机制也尚未完全阐明，还有待日后对其的深入研究和探讨等等。

在实际临床中，Notch与肿瘤的抗药性相关，研究发现Notch信号通路促进肿瘤干细胞的形成和上皮间质化，它们都与肿瘤的抗药性密切相关［19］，其机制仍需进一步研究并为以后肿瘤耐药性研究做出新的贡献。Notch与肿瘤的转移和侵袭能力也有密切的关系。今后对于Notch通路的研究应该有以下几个方面:首先，逐步完善对Notch信号生物学特性、在肿瘤中的作用以及Notch与其他信号通路的相互作用等的研究;另外，Notch与肿瘤的转移、侵袭的关系，与肿瘤化疗药物的耐药机理、与肿瘤基因靶向治疗等都具有很大的研究前景。由于Wnt信号通路与EGFR信号通路在NSCLC中有串活［20］，并参与NSCLC吉非替尼耐药机制，而Notch与Wnt信号通路存在串活，因此是否 Notch也参与了NSCLC吉非替尼的耐药作用等等。这些都是临床上急待解决的问题。通过对Notch的遗传学及分子生物学的进一步研究，将有助于在科研上及临床上对疾病的发生、发展及治疗和预防上提供更多的参考，在实践中发挥最大的作用并获得最大的价值。

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