Notch 信号通路：细胞命运的调控者

Notch 信号通路

一、Notch 信号通路概述

Notch 信号转导在多细胞生物中是一条进化上非常保守的通路，可在发育过程中调控细胞命运决定并维持成人组织的稳态。Notch 通路介导近分泌细胞信号转导，其中，信号发送和接收细胞均受到配体-受体交互作用的影响，进而在神经元、心脏、免疫和内分泌发育系统中调节一系列的细胞转归决定。Notch 受体为单一跨膜蛋白，由功能性胞外 (NECD)、跨膜 (TM) 和胞内 (NICD) 结构域组成。在接收信号的细胞的内质网 (ER) 和高尔基体 (Golgi) 内，可通过剪切和糖基化对 Notch 受体进行处理，这个过程形成 Ca2+ 稳定的异二聚体，异二聚体由 NECD 组成，NECD 非共价结合嵌入膜中的 TM-NICD（S1 剪切）。经处理的受体随后通过内体转运到质膜，从而通过 Deltex 调控和 NUMB 抑制的方式与配体结合。在哺乳动物信号发送细胞中，Delta-like（DLL1、DLL3、DLL4）和 Jagged（JAG1、JAG2）家族成员可作为 Notch 信号转导受体的配体。与配体结合后，NECD 通过 TACE（TNF-α ADAM：金属蛋白酶转化酶）从 TM-NICD 结构域上被剪切开来（S2 剪切）。NECD 保持与配体结合，在信号发送细胞中，此复合体依赖于通过 Mib 泛素化的方式发挥内吞/循环作用。在信号接收细胞中，γ-分泌酶（也可对阿尔茨海默病起作用）将 NICD 从 TM 上释放出来（S3 剪切），进而实现核转位，从而与 CSL (CBF1/Su(H)/Lag-1) 转录因子复合体结合，导致之后的经典 Notch 靶标基因的激活：Myc、p21 和 HES 家族成员。

二、Notch 信号通路的组成与活化

Notch 信号通路由关键成员组成，包括编码 Notch 受体的 NOTCH1-4 基因，以及编码配体的 JAG1-2 和 DLL1 基因。RBPJ 是 Notch 信号通路下游的关键效应分子，在 Notch 受体被配体激活后，与 Notch 内部域（ICN）结合，并从细胞浆转移到细胞核，参与靶基因的表达调控。HES1/5 和 HEY1 作为基本环螺旋转录因子，是 Notch 信号通路下游效应分子中的代表成员，通过负性反馈机制抑制 Notch 信号通路的激活。DTX1/2 基因在 Notch 信号通路中发挥调控作用，与信号转导蛋白复合体 γ 分泌酶复合物相互作用，参与 Notch 受体的剪切和内吞过程。MAML1/2/3 基因编码转录激活因子，参与 Notch 信号通路下游基因的转录调控。

Notch 受体是一种跨膜蛋白，具有三个主要部分：Notch 胞外结构域 （NECD）、跨膜结构域 （TMD） 和 Notch 胞内结构域 （NICD）。NECD 包含多个 EGF（表皮生长因子）样重复序列和一个负调节区 （NRR），由 O-糖修饰以调节 Notch 受体对不同配体的亲和力。NRR 由三个富含半胱氨酸的 Lin12-Notch 重复序列组成，稳定 NECD 和膜结合的 NICD 相互作用，这对受体切割至关重要。TMD 包括一个细胞外短区域和形成异二聚体的保守半胱氨酸残基。NICD 由一个 RBPJ 重组信号结合蛋白−J 关联模块 （RAM） 结构域、七个锚蛋白重复序列 （ANK） 结构域和 ANK 结构域两侧的两个核定位序列 （NLS） 组成。Notch1 和 Notch2 在 ANK 序列后具有转录激活结构域 （TAD），而 Notch3 和 Notch4 缺乏 TAD。NICD 的 C 端有一个“PEST”序列，富含脯氨酸、谷氨酸、丝氨酸和苏氨酸，这对 NICD 的稳定性至关重要。

三、Notch 信号通路与恶性肿瘤

Notch 信号传导通路是决定细胞命运的最重要的通路之一。Notch 通路主要由四部分组成：Notch 受体、Notch 配体、CSL DNA 结合蛋白、下游靶基因。上述四部分中任何一个因素改变都会对 Notch 信号通路传递产生影响。相邻细胞间通过 Notch 受体传递信号，可以调节细胞的分化、增殖和凋亡。Notch 受体是由 Notch 基因编码的单跨膜蛋白，在包括人类在内的哺乳动物中发现了 4 种 Notch 受体（Notch 1，2，3，4）。而 Notch 配体也是表达于细胞表面的单跨膜蛋白，相邻细胞通过 Notch 受体和配体的结合，传递 Notch 信号。人体有 5 种 Notch 配体，分别是 Jagged 1、Jagged 2、Delta 1、Delta 3 和 Delta 4。

Notch 信号传导通路与恶性肿瘤的关系首先在人类急性 T 淋巴细胞白血病（T-ALL）中得到了证实。研究发现，几乎所有的 T-ALL 都高表达 Notch 1 或者 Notch 3。而最新的研究发现，大部分 T-ALL 患者体内都存在 Notch 1 的活性突变。另外，Notch 受体及配体在多种恶性肿瘤细胞中均有大量表达。在非小细胞肺癌（NSCLC）中，Notch 1 和 Notch 2 存在高度表达的情况。除了对 NSCLC 细胞的增殖具有高度的促进作用，Notch 信号传导通路还可以介导 NSCLC 通过循环系统和淋巴系统转移到人体的其他部位。在神经胶质细胞瘤中，发现 Notch 1 以及 Notch 配体 Delta 1 和 Jagged 1 高度表达。在肾脏细胞癌中，发现 Notch 3 大量表达。

致癌事件不一定仅仅发生在 Notch 基因上，也可以发生在 Notch 信号传导通路的下游。研究发现，EB 病毒可以产生一种名为 EB 核抗原 2（EBNA2）的蛋白质，该蛋白质可以模拟胞内域（intracellular Notch，ICN），进入细胞核，在相关辅助因子的参与下，与 CSL 蛋白相结合并使之活化，激活下游的靶基因的转录，诱发恶性肿瘤。

在胰腺癌的病人中，发现了 Notch 信号传导系统的活化，和 Notch 受体和配体的大幅度上调。另外，Notch 也可以作为致癌基因 Ras 的帮凶促进上皮细胞癌的发生发展。在 Notch 和 Ras 的共同作用下，细胞的分化程度大大降低，而增殖程度大大增加，其最终结局就是恶性癌变。

四、Notch 信号通路与其他信号通路的相互作用

Notch 信号通路还可与其他信号通路之间存在“对话”、“协同表达”，如核因子 - κB（NF-κB）、缺氧诱导因子（HIF）、转化生长因子（TGF）-β 等。Notch 信号通过控制 NCR+ 细胞命运来调节 ILC3s 的可塑性。NCR- ILC3 细胞在通过 Notch 依赖的信号途径转变为 NCR+ ILC3 时，其胞内的 Ncr1 曾进行了短暂表达，即具有 NCR- ILC3（FM+）表型。然而，在肠道中，由 Treg 细胞分泌的转化生长因子（TGF-β）通过与其受体（TGF-βRI & TGF-βRII）结合后，可以抑制 NCR- ILC3s 细胞向 NCR+ ILC3s 细胞转化。因而，Notch 和 TGF-β 可相互调节 NCR- ILC3s 和 NCR+ ILC3s 亚群之间的平衡，以确保肠道内环境的稳定。

五、Notch 信号通路的研究进展与应用前景

Notch 信号通路在生理条件下调节细胞命运决策中起着至关重要的作用，影响细胞增殖、分化、发育和体内平衡。然而，在各种人类恶性肿瘤中越来越多地观察到 Notch 信号通路的失调。Notch 信号传导通路发挥致癌作用，导致细胞在增殖、细胞周期抑制、分化和凋亡的过程失调和失控，造成了细胞的转化及恶性化，最终导致了恶性肿瘤的发生。由于与人类疾病有关，Notch 信号转导通路已激起了人们寻找干预药物的兴趣。重要的是，研究人员已发现 Notch 受体激活性突变可导致 NICD 核内聚积，这在成人 T 细胞急性淋巴细胞性白血病和淋巴瘤中非常常见。此外，一些病症与 Notch 受体和配体的功能缺失突变与多种病症有关，这些病症包括阿拉吉欧综合症和常染色体显性遗传性脑动脉病 (CADASIL)。