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5 Wnt信号

Feb 16, 2009 No Comments

5 Wnt信号

Wnt信号通路广泛存在于无脊椎动物和脊椎动物中,是一类在物种进化过程中高度保守的信号通路。Wnt信号在动物胚胎的早期发育、器官形成、组织再生和其它生理过程中,具有至关重要的作用。如果这条信号通路中的关键蛋白发生突变,导致信号异常活化,就可能诱导癌症的发生。1982年,R. Nusse和H.E. Varmus在小鼠乳腺癌细胞中克隆得到第一个Wnt基因,最初它被命名为Int1(integration 1)[11]。后来的研究发现小鼠Int基因与果蝇的无翅基因wg(wingless)为同源基因,因而将两者合称为Wnt。H.E. Varmus 本人也因他在癌症研究中的杰出贡献而获得1989年的诺贝尔生理医学奖。

1) Wnt信号通路

Wnt是一类分泌型糖蛋白,通过自分泌或旁分泌发挥作用。Wnt信号通路的主要成分包括:分泌蛋白Wnt家族、跨膜受体Frizzled家族、CK1、Deshevelled、GSK3、APC、Axin、β-Catenin、以及转录因子TCF/LEF家族。

Wnt信号通路是一个复杂的调控网络,目前认为它包括三个分支:经典Wnt信号通路,通过β-Catenin激活基因转录;Wnt/PCP通路(planner cell polarity pathway),通过小G蛋白激活JNK(c-Jun N-terminal kinase)来调控细胞骨架重排;Wnt/Ca2+通路,通过释放胞内Ca2+来影响细胞粘连和相关基因表达。

一般提到Wnt信号通路主要指的是由β-Catenin介导的经典Wnt信号通路。下面我们将简单介绍一下经典Wnt信号通路的主要成分:

(1) Frizzled(Fzd或Frz):分泌型糖蛋白Wnt的细胞膜上受体,为7次跨膜蛋白,结构类似于G蛋白偶联型受体。FZD胞外的N端有一个富含半胱氨酸的结构域(cysteine rich domain, CRD),能与Wnt结合。

(2)Dishevelled(Dsh或Dvl):Dsh蛋白在细胞质中接受上游信号,通过抑制APC、Axin以及GSK3β等蛋白形成的复合物的功能,稳定细胞质中游离状态的β-Catenin蛋白。细胞质中积累的β-Catenin蛋白进入细胞核与TCF/LEF家族的转录因子结合,从而开启了下游靶基因的转录。

(3)GSK3β:是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。在没有Wnt信号时,GSK3β能将磷酸基团加到β-Catenin N端的丝氨酸/苏氨酸残基上,磷酸化的β-Catenin经β-TRCP泛素化共价修饰后,被蛋白酶体(proteasome)降解。

(4) CK1(casein kinase 1,酪蛋白激酶1):能将β-Catenin的Ser45位点磷酸化,随后GSK3β将β-Catenin的Thr41、Ser37、Ser33位点磷酸化。

(5) Axin:是一种支架蛋白,具有多个与其它蛋白作用的位点,能与APC、GSK3β、CK1等形成β-Catenin降解复合物。此外它还与Dishevelled、PP2A(protein phosphatase 2A)等wnt信号的其它组分相互作用。

(6) TCF/ LEF:是一类具有双向调节功能的转录因子,它与Groucho结合可以抑制基因转录,而与β-Catenin结合则促进下游靶基因的转录。

当细胞没有接受Wnt信号刺激时,细胞质内大部分的β-Catenin与细胞膜上Cadherin蛋白结合使之附着于细胞骨架蛋白肌动蛋白上,参与细胞的黏附作用。而少部分的β-Catenin被磷酸化后,与GSK3β等形成降解复合物,最终通过泛素化修饰而降解。Wnt信号的激活就是指分泌型的配体蛋白Wnt与膜表面受体蛋白FZD结合后,激活胞内蛋白DVL。DVL通过抑制GSK3β等蛋白形成的β-Catenin降解复合物的降解活性,稳定细胞质中游离状态的β-Catenin蛋白。胞浆中稳定积累的β-Catenin进入细胞核后结合LEF/TCF转录因子家族,启动下游靶基因(如c-mycCyclin D1等)的转录。我们可以把Wnt信号通路简单概括为:Wnt→FZD→DVL→β-Catenin降解复合体解散→β-Catenin入核→TCF/LEF→下游基因转录(如图12)。

2) 经典Wnt信号通路与癌症

虽然研究人员很早就发现了Wnt信号通路的许多成员,但是直到十年之后,人们才真正将Wnt信号通路和癌症联系起来。1993年,Vogelstein等人报道肿瘤抑制因子APC(adenomatous polyposis coli,腺瘤性结肠息肉病蛋白)和β-Catenin之间存在着相互作用。他们发现大约85%的人结肠癌中APC基因都发生了突变,其缺失突变会导致结肠癌中的腺瘤性息肉。在Wnt信号通路中,β-Catenin的稳定性与APC蛋白密切相关。APC蛋白可作为一个载体将β-Catenin和GSK3β联系起来,促进GSK3β磷酸化β-Catenin氨基端保守的Ser/Thr位点,并促使β-Catenin降解。在肿瘤细胞中,APC基因的突变导致APC蛋白不能与β-Catenin相互作用,同时也失去了对β-Catenin表达水平的调节。Β-Catenin在胞浆内大量积聚并进入细胞核,与TCF/LEF转录因子结合,激活相关基因的转录,从而导致了细胞增殖异常和肿瘤发生。

Β-Catenin本身的突变也可能造成癌症。Β-Catenin基因的突变可以造成β-Catenin蛋白无法被磷酸化和泛素化降解,致使β-Catenin在胞浆内大量聚集,从而进入细胞核并激活与细胞分裂和生长调控相关的基因(如c-mycCyclin D1等基因),导致细胞增殖失控而致癌。最初,人们只在大约10%的散发性大肠癌样本中发现了β-Catenin基因的突变。随后,研究人员检查了超过3500份的癌症样本,包括结肠癌、黑色素瘤、肝细胞瘤、脊髓母细胞瘤、消化道肿瘤等,发现在超过700个癌症病例中出现β-Catenin的多种突变。Β-Catenin的N端序列可能是其致癌的关键位点,这些位点的突变使得β-Catenin在胞内表达失控,导致Wnt信号异常激活,从而诱发包括结直肠癌、肝母细胞瘤、卵巢癌和前列腺癌等在内的多种癌症。

目前看来,超过90%的结肠癌以及很高比例的其它癌症均与Wnt信号通路的异常激活密切相关,而且细胞实验也证明如果阻断Wnt信号通路可以抑制肿瘤细胞的增殖。因此,人们开始尝试把Wnt/β-Catenin信号通路中的关键蛋白作为药物靶点,筛选分子药物治疗癌症。目前,已有多种分子靶向药物进入临床试验阶段。然而癌症的发生是一个多因素、多阶段、多基因变异积累的复杂过程,多种信号通路可能同时参与了癌症的发生。随着未来研究的深入,我们期待更多Wnt信号通路新成员的发现。细胞内信号通路相互协同机制的研究,能够为我们设计更加有效的抗癌药物提供更多的理论基础。

原文检索:

Polakis P. The many ways of Wnt in cancer. Curr Opin Genet Dev. 2007 Feb; 17(1):45-51

Klaus A, Birchmeier W. Wnt  ignaling and its impact on development and cancer. Nature Reviews Cancer. 2008 May; 8(5):387-398.

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