Notch信号通路与疾病相关的研究进展*

王 昭，江梓豪，李平赫，杨 娜，王宇鹏，张学明，魏春华，李嘉欣

(1.包头医学院基础医学与法医学院2017级本科生，内蒙古 包头 014060；2.包头医学院生物化学与分子生物学教研室)

Notch信号通路广泛存在于无脊椎和脊椎动物中，在细胞表面表达，是介导细胞间信号传导的一类高度保守的信号通路。Notch突变体首次在果蝇中被发现，后在人类也发现了Notch信号通路，Notch信号通路在细胞分化、胚胎发育、组织自我更新及肿瘤的发生等多个细胞过程中发挥重要的调控作用。Notch信号通路由Notch受体、Notch配体及下游细胞核靶信号结合分子3部分组成。Notch受体与其配体结合后激活Notch信号，调控相关的基因表达，从而发挥细胞间的调控作用。在哺乳动物中，Notch受体有4种(Notch-1、Notch-2、Notch-3、Notch-4)，Notch配体有五种(DL1、DL3、DL4、Jagged1、Jagged2)。研究发现，Notch信号通路配体在小鼠胚胎时期的发育过程中表达情况和含量略有不同[1]。Notch信号通路配体的胞外结构域含有EGF重复序列，胞外结构域的N端有DSL结构域，该结构域可以与Notch受体结合。Notch信号通路直接与邻近细胞产生的信号结合，并将信号传至细胞核，诱导相关基因的表达。

1 Notch信号通路与疾病的关系

1.1Notch信号与骨重建 Notch信号通路在骨重建的过程中起双重作用，一方面可以促进成骨细胞的活性，调节破骨细胞的活性与功能；另一方面Notch信号又可以抑制成骨细胞活化。Nobta等发现，在股骨缺损的小鼠模型中，Nocth-1、Delta-like-1和Jagged-1在骨缺损部位有较高水平的表达[2]。这说明在骨损伤发生后，激活Notch信号通路可以促进成骨细胞的活性并促进骨组织的再生。Notch信号通路通过与Wnt信号通路相互对话，抑制Wnt通路的活化，进而抑制成骨细胞的活化[3]。Zhang等研究表明，Notch信号通路靶基因表达产物Hey-1和Hes-1蛋白能够抑制成骨细胞的活化[4]。吴绍军等研究表明，Notch信号可以通过调控Bax和Bcl-2的表达调节软骨细胞的存活状态[5]。

1.2Notch信号与肺损伤的关系 急性肺损伤(ALI)是由于严重创伤、感染或休克等因素引起的急性进行性呼吸功能不全，ALI可发展恶化为急性呼吸窘迫综合征(ARDS)。目前导致肺损伤的发生因素和具体机制尚不明朗，但是有大量研究证实Notch信号通路在ALI中扮演重要角色。有研究表明，Notch信号的多种受体配体在肺组织中表达，并提出Notch信号可能通过核转录因子调控肺泡上皮细胞的增殖分化[6]。在发生肺损伤之后，肺组织中细胞因子的水平急剧上升，其中TNF-α、IL-12和IL-6等水平上升较为明显。有研究显示，Notch信号通路可以通过介导TNF-α的表达调控IL-12，使机体加强抗炎反应[7]。汪鸿等在Ⅱ型肺泡上皮细胞与肺成纤维细胞共培养胎鼠模型中加入γ-分泌酶抑制剂后发现，Notch-1与Notch-3的mRNA表达水平下降，Notch信号通路的靶基因Hes-1 mRNA表达下降，表明γ-分泌酶抑制剂可阻断胎鼠模型中的Notch信号通路[8]。Notch信号可能通过调节Ⅱ型肺泡上皮细胞，参与肺损伤的发生发展，为临床用药提供潜在靶点。张蔚屏等通过构建脓毒血症大鼠急性肺损伤模型发现，Notch信号通路受体Notch-1和信号通路靶基因Hes-1蛋白表达与正常组相比升高，且呈现与时间正相关性[9]。同时研究发现，血浆中TNF-α、IL-6和IL-17的变化与Notch-1和Hes-1的变化趋势一致，可能提示Notch信号通路在脓毒血症大鼠肺损伤中起到调控炎症反应的作用。江晓琴等研究发现，持续高浓度氧环境可导致新生大鼠发生急性肺损伤，同时在研究中发现高氧环境所致的大鼠急性肺损伤中Notch1表达下降，说明高氧可抑制Notch信号的表达从而达到修复损伤肺组织的目的[10]。

1.3Notch与神经系统疾病

1.3.1Notch信号与阿尔茨海默症(AD) 阿尔茨海默症是一种神经系统退行性疾病，发病的主要机制是由γ-分泌酶水解淀粉样蛋白前体而形成的β-淀粉样蛋白(Aβ)的异常蓄积导致。单胺氧化酶B(MAO-B)在此过程发挥重要作用，MAO-B的表达上调使γ-分泌酶的活性增强，Aβ含量增加[11]。Brai等研究发现在AD患者的大脑中，Notch信号的表达受到抑制[12]。早老素(PS)是一种多功能蛋白，与细胞内多条信号通路密切相关，PS可以参与Aβ的形成。因此，PS与AD的发生发展密切相关。Notch信号通路的激活需要经过γ-分泌酶水解释放NICD片段，此过程与APP形成Aβ需要分泌酶水解切割相似。PS在上述两个过程中起着非常重要的作用，但是切割机制可能不完全相同[13]。

1.3.2Notch信号与脑缺血再灌注损伤 目前研究表明Notch信号在脑缺血再灌注后表达异常具有两面性的意义。一方面是Notch信号通路可以促进炎性反应和氧化应激，从而造成细胞损伤，从这方面来讲Notch信号通路对脑损伤后是有害的；另一方面，Notch信号通路可以促进脑细胞和神经的再生，挽救尚未坏死的细胞对抗损伤反应，保护大脑。周文芝等研究表明，脑缺血再灌注后急性期内NICD1和NICD2表达高于对照组，Notch信号受体和配体的mRNA表达高于对照组。同时发现Notch信号的下游靶基因Hes-1和Hey-1的表达变化情况与上述一致，均为表达上调且高于对照组。上述这些现象表明在脑缺血再灌注后急性期内Notch信号被明显激活[14]。王俊捷等通过应用DAPT阻断Notch信号通路后经过Nissl染色和TTC染色显示脑损伤减少，小鼠抗氧化能力增强，脑梗死面积减少[15]。他们认为阻断Notch信号通路可以改善小鼠脑缺血再灌注所致损伤。Notch信号通路可能起到一个保护机制。

1.4Notch信号与血管生成 在哺乳动物中，Notch对血管的生成与发育起着至关重要的作用。Notch信号的激活或抑制，可以影响血管的生成，通过调节Notch信号的不同状态，影响内皮前体细胞的分化方向，从而调节血管的发育。血管平滑肌细胞(VSMC)是血管壁的重要组成成分之一，对于维持血管壁的结构和功能有着不可或缺的作用。血管壁的结构改变是许多疾病发生的首要条件之一。研究发现，Notch信号的各种受体及配体不同程度的表达于血管壁之中，Notch受体1、2、3表达在VSMC中，而Notch信号配体Jagged-1和Delta-like 1则表达在内皮细胞中，内皮细胞调节Notch信号配体的表达和血管平滑肌中的Notch信号配体相互作用，从而影响血管的生成[16]。研究表明，血管损伤后，受损的血管壁中Jagged-1表达明显增加，VSMC的增殖被抑制，凋亡增多[17]。血管内皮细胞(VEC)是血管内的重要屏障，Notch信号通路对VEC的增殖分化和功能起着重要的作用，VEC表达Notch信号的多种受体和配体，且正确结合才会使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在成人血管中起着一种类似于压力感受器的作用，将血管中血流的压力信号转化为细胞信号，从而实现Notch-1对VEC的调节[18]。

1.5Notch信号与血细胞的发生 血液系统主要包括粒细胞、淋巴细胞、红细胞和血小板等，由骨髓中的造血干细胞分化形成，由骨髓迁移至外周血或外周免疫器官定居。粒细胞和淋巴细胞是人体抵御外来细菌、病毒的重要防线，是免疫防御功能的体现。其中淋巴细胞同时对人体内的细胞起到免疫监视和免疫自稳的作用，二者对维持机体细胞的正常有着不可或缺的作用。红细胞在血液中负责氧气和二氧化碳的运输，为细胞代谢提供养料，同时带走代谢废物。红细胞、粒细胞和淋巴细胞的异常会导致机体出现如白血病和障碍性贫血等疾病，严重影响机体正常生理功能。

淋巴细胞可分为T淋巴细胞和B淋巴细胞，二者由淋巴样祖细胞分化而来。骨髓多功能造血干细胞(Hematopoietic stem cells,HSCs)分化为淋巴样祖细胞，后者经过血液的运输，迁移至胸腺，在胸腺中先后经过双阴性细胞(Double negative cell,DN)、双阳性细胞(Double positive cell,DP)和单阳性细胞(Singe positive cell,SP)后分化为成熟的T细胞。B淋巴细胞由存在于骨髓当中的淋巴样祖细胞分化而来，成熟的B淋巴细胞通过血液循环进入外周淋巴器官定居。研究显示激活Notch信号可以促进淋巴样祖细胞分化为T淋巴祖细胞，且不同程度Notch信号的表达可促使T淋巴祖细胞向不同的方向分化，上调Notch信号的表达可促使T淋巴祖细胞向α、βT细胞方向分化。这种Notch信号的活化是由于淋巴样祖细胞上的Notch受体与胸腺上皮细胞表达的Notch配体结合所引起的。同时胸腺基质细胞可表达Notch配体促进T淋巴祖细胞的分化发育和成熟。Notch信号还可以参与调节T淋巴细胞的功能，影响其产生IL。在B淋巴细胞发育的全过程中都可以检测到Notch信号的表达。研究表明，在中枢或外周免疫器官中，Notch信号可能抑制B淋巴细胞的分化和发育。但是，Notch信号活化可以提高B细胞的活化程度和分泌抗体的能力。

哺乳动物的造血功能主要由造血干细胞(HSC)完成，位于骨髓的造血干细胞不断地分裂和分化形成血细胞。其为细胞、组织、器官提供氧化和营养并带走代谢废物，为机体的生长发育提供良好的环境。Notch信号对HSC有重要的调节作用，甲状旁腺激素可以促进造血微环境中Notch信号配体Jagged-1的表达，促进HSC的增殖[19]。

1.6Notch信号对肿瘤的影响 一些肿瘤能够利用Notch-1作为致癌基因和肿瘤抑制因子。根据COSMIC数据表明，造血和淋巴瘤显示Notch-1的高突变率为72 %，上呼吸消化道、大肠、肺、皮肤、胃和乳房中的实体瘤也表现出Notch1的异常表达。曾报道，Notch1蛋白表达于急性T淋巴细胞白血病(T-All)和实体瘤(如人类乳腺癌、小鼠乳腺癌和肺癌)中[20]。T-ALL患者表现出表观遗传突变，T细胞受体β基因座中Notch1 3'区的易位。Notch1细胞内结构域(Notch1-IC)过度表达，导致靶基因的激活，Notch1-IC异常表达诱导骨髓祖细胞的积聚和细胞周期的停滞，进而导致淋巴瘤的发生[21]。Notch1的异常表达也表现在乳腺癌之中，在20个乳腺癌病历中均发现Notch1-IC的高表达，而Notch-1信号转导的负调节因子Numb在这些组织中被下调[22]。对乳腺癌患者使用RT-PCR和免疫组化的研究结果显示：患者体内肿瘤组织中Notch1的表达出现异常，特别是在Ⅱ期小叶癌患者中[23]。另一项研究中，研究人员使用免疫组化技术检查了109例胃癌患者的Notch1-IC和p21的水平，结果显示在晚期癌症中的Notch1-IC表达增加，而p21的表达在这些病例中下调[24]。因此，这种负相关促进了肿瘤的侵袭和某些表型特征。

除了异二聚体化的突变外，主要的Notch1活性突变是在PEST结构域中转移至2515，从而对FBW7产生不敏感性[25]。FBW7底物CPD中的众多癌症相关突变破坏了对FBW7降解的敏感性[26]。肽-脯氨酰顺反异构酶1(Pin1)调节FBW7的异构化和失活并稳定Notch1-IC，通过抑制FBW7介导的Notch1-IC降解[27]。Notch1信号通过调控转录调节因子如Snail、Slug、TGF-β、FGF和PDGF参与上皮-间质转化，并支持肿瘤进展期间的表型和功能变化[28,29]。Notch1的激活能够促进癌症的迁移和血管生成，并增加癌症细胞的自我更新活性[30]。Notch1诱导Sox2，NANOG和Oct4的表达，以支持与肿瘤迁移和复发高度相关的肿瘤起始细胞，癌症细胞的活性[31]。

2 结语

综上所述，高度保守的Notch信号通路在决定细胞命运、细胞增殖和细胞分化等方面发挥重要作用，但是众多疾病的发生发展与Notch信号通路的异常转导相关。Notch信号在许多疾病中扮演双重角色，一方面可以促进炎性过程，使原有疾病恶化；另一方面Notch信号却能够抑制炎性反应，控制疾病的发展。因此调控Notch信号对控制疾病的发生和发展至关重要。目前，关于Notch信号通路结构和功能的研究已经广泛开展，国内外已见大量报道。Notch信号通路与疾病的相关研究不断深入，我们有理由相信，Notch信号通路将会成为治疗疾病的新靶点。