第十章Wnt 与 Notch

信号转导

adaptor protein

• 无酶活性 • 无转录活性 • 含有 SH2 、 SH3 域等保守性结构域 以及 PTB 、 WW 、 PH 、 PDZ 域等 • 含有 Pro 和 Tyr 模体，分别与互补蛋

白分子中 SH3 和 SH2 域结合 • 介导蛋白质 - 蛋白质间的相互作用

SH2 结构域

能与酪氨酸残基磷酸化的多肽链结合 。SH3 结构域

能与富含脯氨酸的肽段结合。PH 结构域 (pleckstrin homology domain)

能与 G 蛋白的 βγ 复合物结合 , 还能与肌醇磷脂结合 。

一、 Wnt 信号通路Wnt 信号转导途径 • 由 Wnt 基因调控的信号转导系统 • 进化保守 • 主要来自果蝇、爪蟾、线虫和哺乳动

物的研究 • 在胚胎发育、器官形成中起作用 • 参与肿瘤的形成

( 一 ) Wnt 信号通路组成及信号转导途径

Wnt ： 1982 年发现， MMTV 插入 (insertio

n)

该基因时，诱发小鼠乳腺癌。

(int-1 癌基因 )

1991 年发现，相当于果蝇的 Wingless

(Wg) 基因

Wnt 信号通路的主要成员 • Wnt 蛋白 ( 配体 )

• Wnt 受体 • Dsh/Dvl 蛋白 • 多蛋白复合体 — β- 连环蛋白 — GSK-3β

— 轴蛋白 — APC

Wnt 蛋白：

• 属于原癌基因家族编码的产物

• 分泌性糖蛋白的大家族

• 是信号转导分子的主要家族之一

• 人类细胞含有 19 种 wnt 基因

• 尽管结构相似，但功能不同

• 具有不同的生物学活性

Wnt 受体： — Frizzled 家族蛋白 — 低密度脂蛋白受体相关蛋白Frizzled 家族蛋白： • 7 跨膜蛋白 • 胞外 Cys 富集域和跨膜域高度保守 • 人类有 10 个成员 • 功能和配体特异性不同

低密度脂蛋白受体相关蛋白： ( Low density lipoprotein receptor

related protein , LRP )

• 单跨膜蛋白 • 胞外域直接结合 Wnt 蛋白 • Wnt 辅受体 • 胞内部分结合轴蛋白 • 哺乳动物的两个同源体 — LRP5 、 LRP6

Dsh/Dvl 蛋白：

• 胞质蛋白 • Wnt 信号转导的正性调节物 • 受体复合体的下游 • β- 连环蛋白的上游 • 哺乳动物的 3 个同源体 — DVI 1~3 • 含有 CK1 、 CK2 和轴蛋白结合部位

PDZ 域： 其名称来自于含有同样重复序列的 3 种蛋白 • PSD 95

• 果蝇盘状巨大肿瘤抑制蛋白 Dlg

• 哺乳动物闭锁小带蛋白 ZO-1

多蛋白复合体： β- 连环蛋白 (β- catenin ： • 首先作为与 E- 钙依粘连蛋白的胞质域

相互作用的人类蛋白被提出 • 与果蝇的 Arm 和爪蟾的 β- 连环蛋白同

源 • Wnt 信号转导的重要中介物 • N 端 — 调节其稳定性 C 端 — 转录激活作用

轴蛋白 (Axin:

• 起支架蛋白的作用 • Wnt 信号转导的负性调节物 • 小鼠的同源物称为 Conductin

• 哺乳动物有 2 个同源体

GSK-3β ( glycogen syntase kinase -3β :

• Ser/Thr 蛋白激酶 • 组成性激酶活性 • Wnt 信号转导途径中的关键酶 • 人类的同源物

— GSK-3α 、 GSK-3β

APC ( Adenomatous polyposis coli :

• 抑癌基因编码产物 • 含有几个不同保守结构域的大分子蛋白 • 具有许多重要的生物学功能 • 在 Wnt 信号转导途径中起重要作用

Tcf/Lcf ： • 是一类具有相关的 HMG 盒的转录因子 • 已鉴定出 4 个人类同源物 • 识别同一 DNA 序列 • 表达具有组织特异性 • 以复合体形式发挥作用 • 没有 Wnt 信号时，与辅阻遏物结合，

抑制靶基因的转录

Wnt 通路的胞内信号至少可分为 4 个分支：

• 典型 Wnt/ β- 连环蛋白信号通路

• 平面细胞极性通路

• Wnt/Ca2+ 通路

• 调节纺锤体的方向和非对称细胞分裂的胞内通路

1. 典型 Wnt/ β- 连环蛋白信号通路 (canonical Wnt/ β-catenin pathway

Wnt 配体↓

Frizzled, LRP↓

Dsh/Dvl↓

多蛋白复合体↓

β- 连环蛋白

说明：• β- 连环蛋白的稳定性与其磷酸化状态有

关 • Dsh/Dvl 蛋白可抑制 GSK-3β 活性• CKⅠε 是调节 β- 连环蛋白稳定的一个关

键正性调控分子• 核内的 β- 连环蛋白与 Tcf/Lef 家族的转

录因子相互作用，激活 Wnt 靶基因转录• 已知的 Wnt 靶基因有 50 多个

2. 平面细胞极性通路 (the planar cell polarity pathway

• 激活 JNK 并指导非对称细胞骨架形成及细胞形态的协同极化

• 不依赖于 β- 连环蛋白• 涉及 GTP 酶 Rho 和 JNK 相关级联分子• Nkd 蛋白是 Wnt 信号的拮抗分子 但能激活 JNK

Wnt

DIX PDZ DEP Dsh

Zw3APCAxin

Arm

Fz/dFz2

TCF

Rho,Rac

基因转录

细胞骨架 JNK级联

细胞平面极性

3. Wnt/Ca2+ 通路 • 最初证据来源于斑马鱼和爪蟾的研究 • Wnt-5A 能刺激细胞内 Ca2+ 的释放 • 有 Frizzled-2(Rfz-2) 参与 • Ca2+ 激活 CaMKⅡ和 PKC

Wnt

FrizzledPKCPLC

DAG

PI3

[Ca2+]i

CaMKⅡ

细胞反应

4. 调节纺锤体的方向和非对称细胞分裂 的胞内通路

• 有 GSK-3β 和 APC 参与 • 神经上皮细胞沿平面轴进行对称分裂，

通过非对称细胞分裂产生神经母细胞。 • 神经上皮黏附连接的完整性与平面极

化有关，且需要 APC 和 EB1 的参与 • Frizzled 是有丝分裂纺锤体转动的其始

因子

(二 ) Wnt 信号与胚胎体轴和中胚层模式 的建立

体轴的形成需要 β- 连环蛋白以及 W

nt/ β- 连环蛋白通路的其他信号分子参与。 • 背前侧 β- 连环蛋白的聚集 — 最早标志

• β- 连环蛋白的过表达，可诱导胚胎产生额外体轴。

• β- 连环蛋白调节的典型 Wnt 信号参与前后轴的形成

• β- 连环蛋白敲除的胚胎， 可发生细胞的错误定位，从而不能形成中胚层。

• 抑制 Wnt 信号是脊椎动物体廓形成后期阶段的关键因素。

• Wnt拮抗分子能诱导头的形成。

(三 ) Wnt 信号与器官发生 ※Wnt 信号参与大脑的形成

• Wnt3a敲除的小鼠胚胎，大脑海马回发育受损

• Lef 纯合子突变可导致小鼠胚胎缺少全部海马回

• Wnt/ Lef/tcf 基因协同作用，共同参与大脑海马回的发育。

※ Wnt 信号参与生长锥的重建和多突触球状环 (苔状神经纤维与颗粒细胞相接触时 ) 的形成。

参与轴突形成的起始过程： • Wnt7a 能诱导苔状神经纤维中轴突和生长锥的重建

• Wnt7a 能诱导突触素Ⅰ的汇集

※Wnt 信号参与脊椎动物的肢体起始和顶端外胚层脊的形成

• 三种 Wnt 信号分子 ( Wnt2b 、 Wnt3a 、Wnt8c) 是信号转导的关键诱导者。

• 依赖于与 FGF 信号通路的对话 • FGF 与 Wnt 信号的信息交流也与内耳

的形成有关。

(四 ) Wnt 信号与细胞特化和干细胞分化 干细胞 • 存在于多种组织 • 分化为多种细胞类型的多潜能细胞 • 受刺激时，产生祖细胞 • 最终成为终末分化细胞 Wnt 信号 / β- 连环蛋白信号通路控

制了皮肤干细胞的分化。

• 皮肤干细胞存在于毛囊膨突 — 毛囊角质细胞 — 毛囊间表皮 • β- 连环蛋白基因缺失，阻止毛囊细胞

系分化 • β- 连环蛋白与 LEF-1 和 TCF-3协同作

用调节皮肤干细胞向毛囊分化

(五 ) Wnt 信号与肿瘤发生 • 早期证据 — 小鼠乳腺癌 • 乳腺癌 — Wnt 通路异常 • 结肠癌、黑色素瘤、原发性肝癌 — 信号通路中成分变化 即： APC 、轴蛋白、 β- 连环蛋白的突变或缺失

• Wnt 通路的激活突变是小肠早期恶性前病变的主要遗传改变。

正常结肠上皮细胞 结肠癌细胞

二、 Notch 信号通路 • Notch 基因编码高度保守的细胞表面受体 • Notch 信号影响细胞正常形态发生的多个过程

— 多能祖细胞的特化 — 细胞凋亡 — 细胞增殖 — 细胞边界形成

( 一 ) Notch 信号通路成员

• Notch 配体 — DSL 家族 • Notch 受体 • 转录因子 CSL

• 调节因子 • 加工或调节因子 • Notch 信号靶分子

Notch 配体： • Delta/Serrate/LAG-2 — DSL 家族 • 单次跨膜蛋白 • 起始 Notch 信号Notch 受体： • 以二聚体形式存在 • 两个亚基 — 胞外亚基 (ECN)

— 跨膜亚基 (NTM)

胞外亚基含有： EGFR: 结合配体 LNR: 阻止受体异常激活跨膜亚基中的 ICN ： RAM: 结合转录因子 CSL

ANK : 同源性最高 PEST 序列 : 差异性最为明显人 NCR: 具有调节功能活性 TAD: 转录激活作用

转录因子 CSL ： • CBF1/RBP-Jκ — 哺乳类 • Su (H) — 果蝇 • LAG1 — 线虫调节因子： • FNG — 胞外 • Dtx — 胞内 • Numb — 胞内

加工或调节因子： 起始或调节受体的蛋白裂解 • 早老素 • 金属蛋白酶等 Notch 信号靶分子： • Hairy/En(spl) — 果蝇 • Hes1 和 Hes5 — 人类

(二 ) 配体诱导的 Notch 信号通路

• 相邻细胞相互交流信息 • 参与许多发育过程 • Notch 的受体作用和转录因子相连

蛋白的功能