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编号:10275412
转化生长因子β的信号转导
http://www.100md.com 《细胞与分子免疫学杂志》 1999年第1期
     作者:陈健 牛忠英 药立波 范金水

    单位:陈健 牛忠英(第四军医大学口腔医学院 口腔内科学教研室,西安710032);药立波 范金水(第四军医大学口腔医学院 全军分子生物学重点实验室,西安710032)

    关键词:转化生长因子;信号转导;Smads

    细胞与分子免疫学杂志990132

    提要 转化生长因子β(TGF-β)是一种对细胞的生长、分化和多种生理、病理过程起重要调节作用的细胞因子。本文综述了近年来国外在TGF-β跨膜信号转导途径方面所取得的研究进展。介绍了TGF-β受体的结构和作用方式,并着重介绍了Smads基因家族的发现及其在TGF-β的信号转导途径中的作用。

    中国图书资料分类号 R392.12
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    转化生长因子β(TGF-β)是一种对细胞生长、分化和多种生理、病理过程起重要调节作用的细胞因子,是TGF-β细胞因子超家族的成员。在口腔医学领域对TGF-β的作用已进行了多方面的研究。免疫细胞化学和牙胚体外培养实验都证实,TGF-β在牙胚的发育和成牙本质细胞分化中起着关键地调控作用[1]。在龋病的自身修复中,TGF-β可作用于成牙本质细胞,促进反应性牙本质的形成[2]。在牙髓炎的损伤修复中,TGF-β一方面可活化巨噬细胞,趋化嗜中性粒细胞,增加血管的通透性,以清除外来病原的刺激;另一方面又可促进细胞外基质的形成,诱导牙髓细胞分化,并调节成牙本质细胞形成修复性牙本质,以修复牙体牙髓组织的损伤[3]。同时,TGF-β对牙周组织也起着重要的调节作用,研究证实,TGF-β能够明显地增强人牙周膜成纤维细胞(HPLF)的DNA合成和碱性磷酸酶的活性[4]。由于TGF-β具有重要的生物学作用,因此,进一步深入研究其作用机理,阐明其信号转导的途径和方式,成为当前国外研究的一个重点课题。
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    1 TGF-β受体

    1.1 TGF-β受体的结构 在人的多种细胞表面存在3种类型的TGF-β糖蛋白受体(即Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型受体),它们相对分子质量(Mr)分别为65×103,85-110×103和6×105。起信号转导作用的是Ⅰ型和Ⅱ型受体。Ⅰ型、Ⅱ型受体都是单次跨膜的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶受体。胞膜外区较短,胞浆区较长。胞膜外区富含半胱氨酸。胞浆区含有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶结构域,具有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶的活性。与Ⅱ型受体相比,Ⅰ型受体的胞外区和胞浆区均较短。在Ⅰ型受体的胞浆区蛋白激酶结构N端与细胞膜之间,存在1个富含丝氨酸和甘氨酸的结构域,称为GS结构域。GS结构域中有一段保守的SGSGSGLP基序。GS结构域为Ⅰ型受体所特有[5]

    1.2 TGF-β受体的活化方式 TGF-β与其受体结合后,使受体活化的方式是:首先,TGF-β与细胞膜表面的Ⅱ型受体结合,形成二元复合物。与酪氨酸蛋白激酶受体的活化方式不同,TGF-βⅡ型受体在与TGF-β结合后,其磷酸化状况并不发生改变。Ⅱ型受体是组成性的自动磷酸化,即在未与配体结合时就已经发生磷酸化。I型受体不能单独与TGF-β自由结合。它是在Ⅱ型受体与TGF-β结合形成二元复合物后,识别这个二元复合物,并与之结合形成三元复合物。在此过程中,Ⅱ型受体胞浆区的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶结构域,可将Ⅰ型受体胞浆区GS结构域的丝氨酸/苏氨酸磷酸化,而使Ⅰ型受体活化。活化的Ⅰ型受体再进一步作用于细胞内的下游分子,使TGF-β的信号向细胞内转导[6]
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    Ⅰ型受体和Ⅱ型受体在TGF-β的信号转导中都是必不可少的。单独表达Ⅰ型或Ⅱ型受体的细胞,对TGF-β失去反应。Feng[7]研究发现,在Ⅰ、Ⅱ型受体都高表达的情况下,二者的胞浆区会形成异源二聚体,并引起非配体依赖性的TGF-β样生物学活性。Carcamo鉴定出1种发生突变的Ⅱ型受体(P525L)。该突变受体能够与TGF-β结合,但不能将信号向细胞内转导。经cDNA序列分析,发现是由于其蛋白激酶结构域中555位的脯氨酸突变为亮氨酸,影响了蛋白激酶的活性,使其无法将Ⅰ型受体磷酸化,从而阻断了TGF-β的信号转导途径[8]

    I型受体发生磷酸化的位点位于GS结构域。Wrana[6]将磷酸化的Ⅰ型受体用胰蛋白酶水解,水解后只有1个片段是磷酸化的多肽。经电泳分析,这一磷酸化的多肽片段即为GS结构域。Souchelnytskyi[9]研究发现,Ⅰ型受体的磷酸化位点是GS结构域中的Thr-185,Thr-186,Ser-187,Ser-189,Ser-191和Ser-165。
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    2 TGF-β的细胞内信号转导途径

    对TGF-β的细胞内信号转导途径的研究,随着对Mad和Smads家族的基因克隆成功而取得了突破性的进展。对Smads家族的研究已成为当前这个领域研究的热点。

    2.1 Mad和Smads家族的发现 1995年,Sekelsky等在研究果蝇Dpp(一种果蝇体内属于TGF-β超家族的细胞因子)作用时,克隆成功1种新的基因,称之为Mad(Mothers.against Dpp)。研究证实,Mad在Dpp的信号转导途径中是必需的,是细胞内Dpp受体下游的信号转导分子。随后从线虫和蟾蜍中也克隆成功Mads的同源基因,分别被称为Sma-2,Sma-3,Sma-4和Xmad-1,Xmad-2。对它们的功能研究证实,这几个基因编码的蛋白都是TGF-β家族的特异性细胞内信号转导分子[10]

    1996年,Hoodless利用EST数据库(a database of expressed sequence tags)与Mad进行了同源性比较,筛选出与Mad同源的人基因,发现多个与Mad高度同源的序列,其中一段序列含有1个完整的开放读框。这一序列长1658bp,编码1个含455个氨基酸的蛋白质,相对分子质量(Mr)为52.3×103,与Mad的同源性为76%,命名为MADR1(MAD-related,即Smad1)。随后研究证实,Smad1是细胞内的信号转导分子,可特异地转导BMPs的信号[11]。Eppert等通过研究ESP数据库,与Smad1进行同源性比较、筛选,进而设计引物,并用人肾细胞cDNA文库作为模板进行同源PCR,克隆成功MADR2(MAD-related2,即Smad2)。Smad2的基因全长为1605bp,包含1个编码467个氨基酸的完整开放读框。通过构建Flag表位标记Smad2真核表达载体,单独转染或与TGF-β受体的基因共转染COS细胞,再经TGF-β作用后,进行免疫沉淀和Westernblot,对Smad2的功能进行了研究。发现在TGFβ受体存在的情况下,TGF-β可使Smad2磷酸化,并向核内聚积。利用蟾蜍胚胎进行的研究发现,向胚胎细胞内微注射Smad2,可产生与TGF-β相同的生物学活性。以上结果说明,Smad2是TGF-β特异的细胞内信号转导分子[12]
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    在此基础上,又克隆成功Smad3~Smad8,共同构成了Smads基因家族[13,14]

    2.2 Smads家族的结构和功能

    2.2.1 结构特征 Smads家族成员与已知的其它细胞内信号转导分子相比,在结构上有其独特之处。Smads分子不存在任何一种已知的信号转导结构域,也不具有任何酶活性。Smad1~Smad5在其氨基端和羧基端各有1个独特的保守的结构域,已命名为MH1和MH2结构域。在MH2结构域的羧基端有1个SSXS基序。Smad7也含有MH1和MH2两种结构域,但没有SSXS基序。Smad6只存在MH2结构域[11~13]

    2.2.2 功能 已研究证实,Smad1和Smad2转导BMPs的信号;Smad2,Smad5特异地转导TGF-β的信号;Smad8特异地转导activin的信号;Smad4是BMPs和TGF-β信号转导途经的共同分子;而Smad7则对TGF-β的信号转导起拮抗作用[13,14]
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    细胞表面的TGF-βⅠ型受体,在被Ⅱ型受体磷酸化后而活化。活化的Ⅰ型受体,其胞浆区的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶结构域便可发挥其活性,将Smad2分子中MH2结构域的SSMS基序磷酸化。磷酸化的Smad2与Smad4结合后,形成二元复合物。这个二元复合物向细胞核内聚积,进而调节目的基因的表达。Smad3的作用方式与Smad2相似。Smad7是TGF-β信号的拮抗因子,能够牢固地与TGF-βⅠ型受体结合,使之无法将Smad2磷酸化,从而阻断TGF-β的信号转导途径[13]

    MH2结构域在TGF-β的信号转导过程中起着重要的作用。Smads的磷酸化位点是MH2结构域的SSXS基序[13]。Baker[15]观察到,单独表达Smad1和Smad2的MH2结构域具有和完整Smad2相同的生物学活性。Liu发现[16],Smad1,Smad2和Smad4的MH2结构域能通过GAL4的DNA结合结构域与DNA结合,显示转录因子的活性。以上均表明,MH2是Smads的功能性结构域,同时也提示Smads分子很可能具有转录因子的作用。
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    3 展望

    通过对TGF-βⅠ型、Ⅱ型受体和Smads基因家族的研究,已使我们对TGF-β的信号转导方式有了部分了解。但这些仅是初步的研究成果。Smads基因家族的发现仅1年多的时间,对该家族和MH1,MH2结构域的功能,以及其下游分子和对目的基因的调控方式都还不甚了解。鉴于TGF-β在牙胚发育、成牙本质细胞分化,牙髓炎、牙周炎发病机理和损伤修复中具有重要的作用,因此,加强对TGF-β的信号转导,特别是Smads家族的研究,并以此为突破口,阐明TGF-β的作用机理,将有助于从信号转导和基因调控的水平,揭示成牙本质细胞的终末分化和龋病、牙髓病、牙周病的损伤修复机理,并为牙体、牙髓及牙周疾病的基因治疗奠定基础。

    作者简介:陈健,男,29岁,医师,硕士

    西安市康复路1号,Tel.(029)3376079

    参考文献
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    (收稿 1998-05-05 修回 1998-06-17), 百拇医药