Notch信号通路在相关疾病中的研究进展

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(南华大学公共卫生学院，湖南 衡阳 421001)

·文献综述·

Notch信号通路在相关疾病中的研究进展

唐凯玲，龙鼎新*

(南华大学公共卫生学院，湖南 衡阳 421001)

Notch信号通路在进化上高度保守的一条转导系统，调控细胞的发育、增殖和分化等。Notch信号通路参与多种疾病过程，如肿瘤发生，神经退行性疾病，遗传性疾病等，调控神经系统和免疫系统等生理功能。本文进一步阐述Notch信号通路在肿瘤，阿尔茨海默症，动脉粥样硬化等疾病中的作用。

Notch信号通路； 肿瘤； 神经系统； 免疫系统； 心血管系统； 遗传疾病

Notch信号已经发现近一个世纪，最早是在果蝇研究中发现的一种基因，其功能的异常可导致翅膀锯齿状缺口。Notch信号通路在进化上高度保守，广泛存在于无脊椎动物和脊椎动物中。近年来，Notch成为发育学、细胞生物学、免疫学、血液学、肿瘤学等多个领域的研究热点之一，Notch信号参与许多疾病的发生与发展过程。本文就Notch信号转导途径在相关疾病中的研究进展作一回顾。

1 Notch的结构特点和功能

在哺乳动物中Notch家族主要有4种受体Notch1～4和5种配体(Dll-1，Dll-3，Dll-4，Jagged-1和Jagged-2)均属于单次跨膜蛋白。Notch信号的活化主要通过配体对受体激活后，经过两次裂解，释放胞内段NICD，转运到核内与DNA连接蛋白结合并使之活化，激活 Hes家族、Myc和p21等靶基因的转录，进而发挥一系列生物学效应。

Notch分子分为胞内和胞外段。Notch胞外区由10～36个表皮生长因子(EGF)样重复序列(参与配体间相互作用)，3个富含半胱氨酸Lin-12-Notch重复序列(LNR)组成和1个含异二聚体结构域(HD)，此区域调控Notch胞内与胞外相互作用。Notch胞内段包括一个RAM结构域， 6～7锚蛋白(ANK)样重复序列，两个核定位序列(NLS)，一个脯氨酸-谷氨酸-丝氨酸-苏氨酸富集区(PEST)序列和转录激活区(TAD)[1]。新合成的Notch需经高尔基体通过Furin样转化酶酶剪切(S1)，形成一个胞外区和一个含跨膜区和胞内区片段，这两个片段结合在一起形成非共价异源二聚体。运输至细胞表面前，Notch经过进一步糖基化修饰，形成成熟Notch(图1)。

图1 Notch结构示意图

经典Notch激活途径，是通过细胞与细胞间的相互作用，受体与配体(Delta或Jagged)结合，Notch再经过两步水解，激活Notch信号通路。第一步水解是在配体和受体结合后，由金属蛋白酶肿瘤坏死因子α-转化酶(TACE)，如ADAM17，在胞外区酶解Notch受体，第二步水解是在跨膜区中近胞膜内位点，经γ-分泌酶/早老素(presenilin-1)水解，释放Notch胞内段NICD。

经过两次水解，释放Notch活化形式NICD转运至细胞核内，通过RAM区和ankyrin重复序列与DNA结合蛋白CSL(RBP-J,CBF-1，Su(H),LAG-1)相互作用，调控下游转录因子表达水平[2]。在核内NICD与RBP-J结合并吸引MAML-1，转录辅助因子形成转录活化因子，激活Notch下游靶基因， HES和HERP活化，编码核碱螺旋-环螺-旋(bHLH)蛋白，继续调控下游基因的表达，发挥生物学功能[3]。Notch信号通路参与细胞发育，增殖，分化，凋亡和粘附等，还调控多种肿瘤发生，神经退行性疾病，免疫系统，心血管系统功能调控以及遗传性疾病等生理病理过程。

2 Notch信号通路与肿瘤

近年来研究发现，Notch信号通路失调与多种肿瘤的发生、发展密切相关，在很多肿瘤中发现Notch信号通路异常活化，表达量升高。最早发现Notch信号通路与肿瘤的联系是在人类T细胞性急性淋巴母细胞白血病(T cell acute lymphoblastic leukemia,T-ALL)基因突变或染色体异位研究中证实的。在T-ALL中发现t(7;9)(q34;q34.3)染色体异位，这个位于9号染色体的突变发现与果蝇Notch1基因同源，在超过50%的T-ALL中存在Notch1突变，主要集中在编码HD和PEST结构域，导致NIC1降解减少，聚集过多致Notch1处于异常活化。乳腺癌的研究中，通过建立小鼠乳腺癌模型，发现鼠乳腺肿瘤病毒插入Notch4基因位点，使得Notch4异常表达导致激活Notch信号通路，诱导肿瘤形成。研究还发现在人乳腺癌细胞系中Notch1表达水平比正常人高，而Myc作为Notch1的作用靶基因，其表达量增加，诱导小鼠肿瘤发生[4]。Notch1 ICD过度表达，还可能通过抑制细胞凋亡促进乳腺癌的发生。乳腺癌病人中还发现在高表达Notch1和Jagged1比低表达的预后更差[5]。神经胶质瘤中，Notch1和其配体Dll-1，Jagged1表达量都存在不同程度的升高。在敲低Notch1或者Dll-1的神经胶质瘤模型小鼠中，显示存活时间比对照组显著延长[6]。越来越多研究发现，Notch信号通路与多种信号通路存在相互作用，如Wnt,AKT/PI3K,NF-κB等信号通路，与肿瘤的形成发展联系密切。

虽然在很多Notch信号通路与肿瘤的研究中发现它主要发挥促癌作用，但是由于Notch信号通路的多样复杂性，其在不同起源的肿瘤或者同一肿瘤的不同阶段，可能发挥着不同的作用，如在皮肤癌，宫颈癌，甲状腺癌等中为抑癌作用[7]。

3 Notch信号通路与神经系统疾病

Notch信号通路参与神经系统发育。Notch信号通路调控神经干/祖细胞的增殖分化，活化Notch信号通路促进神经干细胞增殖，而阻断通路神经干细胞分化增多[8]。Notch信号通路对不同神经细胞发育存在双向选择，Notch信号通路通过抑制神经元细胞，而星形胶质细胞增多[9]。在神经元胶质细胞中，Notch信号通路可促进向星形胶质细胞分化而抑制寡突胶质细胞的分化[10]。Notch信号通路还参与神经再生过程。研究发现Notch信号通路还与轴突和树突生长密切相关，星形胶质细胞可以通过Jagged1介导Notch途径负性调控神经生长[11]。

越来越多的研究表明，Notch信号通路的异常与多种中枢神经系统疾病发生有关[12]。在阿尔茨海默症(Alzheimer’s disease，AD)中，患者大脑中Notch1水平比正常人显著升高。与阿尔茨海默症(AD)密切相关的早老素(PS)，证明也参与Notch信号通路调控，是γ-分泌酶家族成员，能特异性切割β淀粉样前体蛋白(APP)，最终形成β-淀粉样蛋白(Aβ)，即老年斑(SP)主要成分，是AD主要病理变化之一[13]。同时研究表明在AD中， tau有着异常堆积，伴随着Notch-1高表达，提示tau与Notch-1存在联系，与AD的神经病变有关。由于早老素/γ-分泌酶功能发生紊乱，导致Notch信号通路的异常调节，造成神经退行性病变，可能与AD发生有关。同时Notch信号通路也参与小胶质细胞的活化调控，而在AD中发现存在小胶质细胞异常反应，释放的神经炎症因子也是AD的重要发病机制。研究表明阻断Notch信号通路，可改变小胶质细胞极化，可观察到神经元丢失减少现象[14]。

研究发现在脑缺血损伤中，Notch信号是上调的。脑缺血后，Notch诱导损伤后的神经再生。使用γ-分泌酶抑制物(γGSI)和Notch功能缺失模型，已经证实Notch信号通路可诱导小神经胶质细胞免疫反应，而小胶质细胞免疫反应激活，释放神经炎症因子，对神经元造成进一步损伤[15]。同样，在另一个研究中表明Notch1直接参与胶质细胞形成，在梗死周围区域有助于细胞侵袭。但是在低氧缺血中，Notch激活是一个关键过程，促进神经干细胞增殖。在低氧条件下，通过配体过表达，Notch信号通路激活。在正常生理条件下神经干细胞在SGZ和SVZ中是静息状态，但是在发生损伤之后，Notch被激活，神经干细胞增殖。这种再生潜力，是随年龄增长而降低。在使用具有神经毒性的红藻氨酸作用1周，Notch依赖的神经干细胞出现增殖，主要以星形胶质细胞为主。在大脑低氧缺血损伤时外源性Jagged1的应用可促进神经发生潜力在发生瘢痕损伤中，对神经再生和神经元更新是有利影响。近年来还有研究发现通过异氟烷预处理可诱导Notch信号，介导神经保护作用在局灶性缺血中。所以Notch信号通路在脑缺血性损伤中的作用是保护还是抑制，研究结果存在争议。

4 Notch信号通路与免疫系统疾病

Notch信号通路不仅介导神经系统的发育，还参与造血祖细胞，淋巴细胞增殖，发育以及免疫反应过程[16]。在Notch1缺陷突变和RBP-JK(CBF1)缺陷突变小鼠中，造血转录因子SCL,Lmo2,GATA-1,GATA-2,和Runx1表达量减少。此外，NICD-RBP-jk复合物介导GATA-2基因启动和调控GATA-2表达[17]。还有，Jagged1表达减少将直接影响GATA-2表达和在AGM 中的造血功能[18]。过表达NICD或Jagged1将激活Notch信号通路，增强HSCs更新能力，维持未分化细胞状态[19]。但是也有研究证明Notch信号通路并非是HSC自我更新所必须的，在Notch1或RBP-JK基因敲除小鼠中，除了T淋巴细胞出现缺陷，其他造血细胞发育正常。同时在Notch1/Jagged1条件敲除小鼠中，也并没有发现HSCs更新能力和分化情况的异常[20]。

Notch1和RBP-jk基因敲除小鼠，胸腺中T细胞早期发育停滞，产生异常B细胞。在小鼠中移植过表达NICD骨髓细胞,出现非依赖胸腺的未成熟T细胞和B细胞发育阻滞[21]。说明Notch信号通路对T/B细胞的分化具有调控作用[22]。过表达NICD，激活Notch信号通路，增加CD8SP细胞比例，降低CD4SP细胞数[23]。但也有研究显示，过表达NICD，对这两种细胞比例没有影响，但可促进DP细胞向CD4SP和CD5SP细胞发育。在Notch1和RBP-jk基因敲除小鼠中，CD4和CD8SP细胞正常，未出现异常[24]。需要更进一步的研究探索这种差异。

5 Notch信号通路与心血管系统疾病

近十年来，很多研究发现Notch信号通路在心血管发育中有着重要作用，并且与许多心血管疾病的发生和发展有联系。当老鼠胚胎发生Notch1或Notch1和Notch4突变，Notch信号减弱，出现动脉缺陷和胚胎死亡[25]。同样在人出生后和成年时期，Notch1，2和4以及其配体Dll1，4和Jagged-1，-2在血管内皮细胞的表达调节血管生成。研究发现VEGF(血管内皮生长因子)与Notch信号存在相互调控关系，在VEGF存在时，Notch 信号限制管腔的扩大和血管萌芽从而抑制血管新生，而抑制Notch 信号可诱发内皮细胞增生[26]。除了调节血管生成外，Notch信号在维持内皮细胞完整性中起着重要作用，如炎症和缺血时，抑制内皮细胞凋亡。在体外实验中，TNF-α作用于内皮细胞，会导致Notch信号减弱和凋亡。在心力衰竭病人中，Notch失调可能导致人脐静脉内皮细胞(HUVEC)凋亡，这些患者血清中TNF-α越高，疾病越严重[26]。在缺血情况下，VEGF-A调控内皮细胞增殖，侵袭和凋亡。当用γ-secretase 抑制剂阻断Notch通路，内皮细胞在无血清培养条件中，VEGF-A无抑制凋亡作用，提示Notch信号活化对VEGF-A发挥生物学功能有着重要作用[27]。

Notch信号通路由于在内皮细胞中发挥重要生物学功能作用，其在动脉粥样硬化(AS)形成起始阶段有重要影响，激活的巨噬细胞加剧粥样斑块的炎症反应和斑块的不稳定性。大量实验表明，炎症因子激活巨噬细胞中的Notch途径，诱导一氧化氮合酶(iNOS)、PTX3和Id1基因表达，加剧AS病变[28]。在载脂蛋白E缺陷的AS小鼠模型中，以DAPT阻断Notch信号激活，发现减少斑块的形成，抑制AS 病变中巨噬细胞的活性[29]。类似发现，在低密度脂蛋白受体缺陷小鼠中使用DII4拮抗剂阻断Dll4-Notch信号，动脉粥样硬化减弱，减少斑块钙化，改善胰岛素抵抗，降低的脂肪堆积的作用。血管平滑肌细胞(VSMC)增殖，迁移，基质分泌和凋亡也有助于动脉粥样硬化形成，体外实验中，激活Notch1，3 信号，促使VSMC细胞增殖，抑制其凋亡[29]。Notch信号通路还参与心脏的发育，在一些遗传性疾病，如 Alagille综合征，主动脉瓣狭窄，和左室流出道缺陷中存在Notch突变[30]。

6 Notch信号通路与遗传性疾病

常染色体显性遗传性脑动脉病(cerebral autosomal dominant arteriopathy with subcortical infarcts and leukoence Phalopathy,CADASIL)，主要临床表现为反复TIA发作，血管性痴呆，缺血性脑卒中等。CADASIL主要致病基因为Notch3，其中大部分变异发生在胞外域EGF样重复序列中，影响到EGF-R中保守半胱氨酸，主要是引起血管内皮平滑肌细胞Notch3构象改变，导致Notch信号通路发生异常[18,31]。在Alzheimer 氏病有一定的家族性，研究发现也与基因突变有关联，其中与早老素(presenilin-1、2)基因遗传突变密切相关[32]。PS同时也参与Notch信号通路调控作用。

7 展 望

Notch信号通路在进化上高度保守，广泛存在于无脊椎动物和脊椎动物中。随着近年来的研究，对Notch信号通路了解越来越深入。Notch信号通路不仅与细胞增殖，与细胞命运决定中起关键作用，而它在其他领域的作用不断被发现。Notch信号通路参与多种生理病理过程，其中一些分子的突变与缺失与很多种疾病的发生发展有关。Notch信号通路还与其他信号通路相互调节，共同发挥作用，是多条信号通路的交汇点之一，Notch信号通路更加多样性复杂性，其与疾病发生的某些分子机制还不太明确，有待进一步探讨。但是，Notch信号通路在多种疾病中的重要作用，使其成为新的药物作用靶点。随着研究的深入，进一步阐明Notch信号通路在疾病中的分子机制，Notch作为新的药物靶点具有广阔的应用前景。

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10.15972/j.cnki.43-1509/r.2016.02.027

2015-11-30；

2016-02-18

国家自然科学基金(81172712)；南华大学博士启动基金(2010XQD19).

*通讯作者，E-mail:dxlong99@163.com

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