Notch信号在中枢神经系统肿瘤中的研究进展

作者：李斌综述,甄海宁,章翔审校

作者单位：第四军医大学西京医院神经外科，陕西　西安 710033

     【关键词】  Notch信号；中枢神经系统肿瘤；神经胶质瘤

    0引言

    Notch信号是一个在进化过程中高度保守的信号通路，广泛存在于无脊椎动物和脊椎动物的多个物种之中. 它通过细胞间相互作用的方式精确地调节着细胞的分化、增殖和凋亡，在生物体发育过程中决定着细胞的不同命运［1-5］. Notch信号已成为近年来发育生物学、细胞生物学、免疫学、血液学以及肿瘤学等多个领域的研究热点之一，本文就该信号通路的组成及其在中枢神经系统肿瘤中的研究进展作一综述.

    1Notch信号

    20世纪初期，遗传学家Morgan等［6］观察到果蝇的某种基因突变会导致其翅膀边缘产生锯齿样缺损(notches)，因而将该基因命名为“Notch”. 1983年，ArtavanisTsakonas等［7-8］首次成功地克隆了Notch基因，随后人们对该基因的结构和生物学功能进行了大量研究.

    1.1Notch受体迄今为止，在人类共发现了4种Notch受体，即Notch 1/TAN 1, Notch 2, Notch 3和Notch 4/int 3. Notch受体属于I型膜蛋白，分子量约300 kD，由细胞外亚基(Notch extracellular subunit, NEC)和跨膜亚基(Notch transmembrane subunit, NTM)组成，两个亚基之间通过Ca2+依赖的非共价键结合在一起形成异源二聚体. Notch受体以单链前体的形式合成，在高尔基复合体内被furin样蛋白酶在其S1位点酶切为两条多肽链，即NEC和NTM. NEC包括一组串联排列的表皮生长因子样重复序列和3个Lin12/Notch重复序列. 其中表皮生长因子样重复序列与Notch受体和配体的相互结合有关，而Lin12/Notch重复序列则介导了NEC和NTM之间Ca2+依赖的相互作用. NTM包括跨膜区(transmembrane region)、RAM序列(RBPJκassociated molecule sequence)、锚蛋白重复序列(Ankyrin repeats)、核定位序列(nuclear localization sequence)、多聚谷氨酰胺序列(ployglutamine stretch)以及PEST序列 (prolineglutamateserinethreoninerich sequence)［3］. 其中RAM序列和锚蛋白重复序列是Notch受体与DNA结合蛋白CBF1（C promoterbinding factor1），即RBPJκ (recombination signal binding proteinJκ)相结合的区域，而PEST序列与Notch受体半衰期的调节密切相关.

    1.2Notch配体目前在人类共发现了5种Notch配体，即Deltalike1, Deltalike3, Deltalike4, Jagged1和Jagged2. Notch配体又名DSL蛋白，DSL是果蝇Notch配体Delta、Serrate和线虫Notch配体Lag 2三种同源体蛋白首字母的缩写. 与受体相似，Notch配体均为单次跨膜蛋白，胞外区包括一组串联排列的表皮生长因子样重复序列和DSL结构域［9］. DSL结构域在配体家族中高度保守，是与Notch受体结合所必需的功能结构域. Notch配体的胞内区较短，功能尚未阐明.

    1.3Notch信号通路Notch配体与受体的结合是Notch信号激活的必要条件. 两者结合后促使NEC与NTM发生解离，同时激活后续的两次酶切事件. 首先，在NTM细胞膜外侧靠近细胞膜处，由ADAM(a disintegrin and metalloprotease)金属蛋白酶家族的ADAM10/Kuz(Kuzbanian)或ADAM17/TACE(TNFα converting enzyme)对其S2位点进行酶切，产生C端的酶切产物NEXT(Notch extracellular truncation). 随后由早老素1(Presenilin1)或早老素2( Presenilin2), Pen2, Aph1, Nicastrin组成的γsecretase在细胞膜内部靠近胞浆侧的S3位点，对NEXT进行酶切，从而释放了Notch受体真正的激活形式NICD(Notch intracellular domain). NICD随即转位入细胞核发生核内应答.

经典的Notch信号通路又称为CBF1/RBPJκ依赖途径. CBF1/RBPJκ为细胞核内组成型的转录抑制因子，是CSL转录因子家族的一员，CSL一词为哺乳动物CBF1、果蝇Su(H)(Suppressor of Hairless)和线虫LAG1三个同源体蛋白首字母的缩写. CBF1/RBPJκ能够特异性与DNA序列“CGTGGGAA”相结合，并通过募集SMRT或NcoR, SKIP, CIR, I类/II类组蛋白去乙酰化酶, SHARP, CtBP/CtIP等蛋白形成“共抑制复合物(corepressor complex)”，抑制下游基因的转录. 当Notch信号被激活后，NICD通过RAM序列与CBF1/RBPJκ结合使“共抑制复合物”发生解离，并募集SKIP, MAML1 (在果蝇称之为Mastermind)以及组蛋白乙酰转移酶PCAF, GCN5或p300等蛋白组成“共激活复合物(coactivator complex)”，从而激活下游靶基因的转录. 另外，解离后的NEC与配体形成复合物，通过胞吞作用进入配体表达细胞，经过一系列的酶切反应后释放配体的胞内段. 目前推测，配体胞内段可能也具有信号转导作用，但具体机制有待进一步研究［10］.

    1.4Notch信号下游元件激活的Notch信号是通过调节其下游元件发挥生物学效应的. Notch信号下游元件主要是碱性螺旋环螺旋(basic helixloophelix, bHLH)转录抑制因子家族成员，其中包括HES 1(hairy and enhancer of split 1), HES 5, HESR 1(HESrelated 1), HESR 2以及新近发现的BLBP(brain lipidbinding protein)［4,11］.

    2Notch信号与中枢神经系统发育

    基于果蝇等模式生物的初步研究表明，Notch信号能够通过放大并固化相邻细胞间的分子差异而影响细胞发育的命运，在多种生物体中枢神经系统发育过程中发挥着重要作用［5］. 在果蝇胚胎发育的早期阶段，表达有AcSc(AchaeteScute complex)和atonal两种原神经基因的外胚层细胞具有向神经系统和表皮分化的潜能. 其中最先表达Delta配体的细胞通过细胞与细胞间的相互作用激活了受体表达细胞的Notch信号，从而抑制受体表达细胞中两种原神经基因的表达，使其失去了向神经系统分化潜能而向表皮分化. 因此只有最先表达Delta配体的细胞才能最终向神经系统分化［12］. 之后，Notch信号继续发挥作用，使得向神经系统分化的细胞进一步分化成为中枢神经系统的神经母细胞(neuroblast)，也称之为神经胶质母细胞(neuroglioblast)，以及周围神经系统的感觉器官前体细胞(sensory organ precursor, SOP). 在神经母细胞的发育过程中，Notch信号在不同的发育时间点上分别抑制了神经元和少突胶质细胞的分化，促进了放射状胶质细胞和星形胶质细胞的分化［4,12］.

    3Notch信号与中枢神经系统

    肿瘤Notch信号与肿瘤的关系最早发现于急性T淋巴细胞白血病，染色体易位t (7；9) (q34；q34.3)使9号染色体上Notch 1基因的胞内段编码区与7号染色体上T细胞受体(T cell receptor，TCR)β基因的增强子和启动子区融合，导致Notch信号组成型激活，引起了肿瘤的发生［13］. 其后越来越多的研究证实Notch信号与肿瘤的关系密切. 目前已发现Notch信号参与了人类多数实体肿瘤的发生发展，包括宫颈癌、子宫内膜癌、卵巢癌、乳腺癌、肺癌、胰腺癌、前列腺癌以及骨肉瘤、间皮瘤等［3］. 但Notch信号在中枢神经系统肿瘤的研究相对较少，目前已证实Notch信号通路异常存在于髓母细胞瘤［14-16］、脑膜瘤［17］及胶质瘤［10,18,19］中.

    Fan等［14］发现Notch 2在髄母细胞瘤中呈高表达，而Notch 1很少表达或检测不到. 在体外细胞实验及裸鼠皮下肿瘤模型中，激活的Notch 2能够促进髄母细胞瘤细胞的生长和增殖，而激活的Notch 1则抑制其生长和增殖. 这提示Notch 1和Notch 2在髓母细胞瘤中可能具有相反的作用. Cuevas等［17］发现在脑膜瘤中Notch 1, Notch 2及Jagged 1的表达均高于正常脑膜组织，其中Notch 2的表达较Notch 1的表达要高. 应用γsecretase抑制剂阻断脑膜瘤细胞的Notch信号能够抑制脑膜瘤细胞的存活. 因此认为Notch 1和/或Notch 2促进了脑膜瘤的形成，但两者的相互作用关系有待进一步研究.

　Notch信号的激活可能还参与了胶质瘤的发生过程. Purow等［10］首次发现Notch 1在胶质瘤的表达明显高于正常脑组织，其中在II、III级星形细胞瘤和少突胶质细胞瘤的表达高于多形性胶质母细胞瘤；Deltalike 1在少突胶质细胞瘤的表达高于正常脑组织，而在星形细胞瘤的表达与正常脑组织无明显差异；Jagged 1在星形细胞瘤中的表达与正常脑组织相比有增高的趋势. 抑制三者的表达能够促进胶质瘤细胞的调亡，抑制其增殖和存活，还可延长颅内荷瘤裸鼠的生存期. 该研究提示Notch 1及Deltalike 1, Jagged 1在胶质瘤生物学行为中发挥着重要作用. 国内易海波等［19］发现胶质瘤标本中Notch 1在mRNA水平呈高表达，其中高度恶性胶质瘤（III~IV级胶质瘤）的表达高于低度恶性胶质瘤（I~II级胶质瘤），表明Notch 1的过表达可能与脑胶质瘤的发生发展有关. 另有学者认为，Notch信号的抑制可能参与了胶质瘤的发生发展，在正常胶质细胞演变成弥漫型星形细胞瘤(diffuse astrocytoma, DA)，继而进展成为间变型星形细胞瘤(anaplastic astrocytoma, AA)及继发性多形性胶质母细胞瘤(glioblastoma multiforme, GBM)的过程中具有关键作用. Somasundaram等［18］指出，与正常脑组织相比，在DA、AA及继发性GBM中Deltalike 1, Jagged 1的表达增高，ASCL 1(Achaetescute complexlike 1)和HES 6的表达也增高，而HES 1的表达反而降低. 因此推测在胶质瘤发生发展过程中，HES 6（HES 6不属于Notch信号通路元件）可能抑制了HES 1对ASCL 1的转录抑制作用，使得ASCL 1的表达上调，之后ASCL 1激活Deltalike 1，高表达的Deltalike 1在内质网或高尔基体内与Notch受体形成细胞内异源复合体(intracellular heteromeric complexes)，减少了细胞膜上Notch受体的表达，从而抑制了Notch信号的激活. 正是这种“Notch信号的抑制”为正常胶质细胞演变发展为胶质瘤提供了适宜的环境. 而原发性GBM中Deltalike 1, Jagged 1及HES 1高表达，但并未发现HES 6和ASCL 1的表达增高. 这可能是因为Notch信号在原发性GBM中处于激活状态.

    4结论

    Notch信号转导机制具有高度保守性，是一个既简单又复杂的信号通路. 由于信号转导过程中无需第二信使，使得信号放大的效率较低，但却增强了信号的特异性，减少了其他信号的干扰. Notch信号的整个过程存在着复杂的调节机制，与其他通路之间存在着广泛的对话，因此其功能复杂而强大.

    　　在中枢神经系统发育和中枢神经系统肿瘤中，Notch信号的作用机制有着很多相似之处. 因此通过对比两者的研究结果可能有助于加深对中枢神经系统肿瘤发生发展机制的理解. 例如在中枢神经系统发育过程中，Notch信号抑制少突胶质细胞前体细胞(oligodendrocyte precursor)向少突胶质细胞分化，而在少突胶质细胞瘤中Notch 1呈高表达，这提示Notch 1可能通过抑制少突胶质细胞的分化促进了肿瘤的形成. 再者，Somasundaram等发现在DA, AA及继发性GBM中Deltalike 1与ASCL 1表达均增高，这与外胚层细胞向神经系统分化的机制是类似的.

    　　值得注意的是，Notch信号在中枢神经系统肿瘤中的研究结果尚不完全一致. Purow等［10］认为Notch 1, Deltalike 1, Jagged 1的表达促进了胶质瘤的存活和增殖，而Somasundaram等［18］则认为“Notch信号的抑制”是胶质瘤发生发展的重要事件. 此外，各组研究资料之间均有未涉及的相关内容，例如Purow等人没有检测Notch信号下游元件的表达；Somasundaram等人没有检测Notch受体的表达；易海波等人的研究仅以恶性程度分组比较了Notch 1的表达，而未分亚型进行比较. 因此，Notch信号在中枢神经系统肿瘤发生和发展中的作用和机制尚有待更深入的研究.

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