【word】 初级纤毛与Hedgehog信号通路相关性研究

1、初级纤毛与hedgehog信号通路相关性研究chinesejournal0fanatomyv0i.34no.42011解剖学杂志2011年第34卷第4期takehashim,kanatsu-shinoharam,inouek,eta1.adenovirusmediatedgenedeliveryintomousespermatogonialstemcellsej.procnatlacadsciusa,2007,104(8):25962601.huaj,sidhuks.recentadvancesinthederivationofgermceilsfromtheembryonicstemcell

2、sj.stemcellsdev,2008,17(3):399412.huaj,pans,yangc,eta1.derivationofmalegermcelllikelineagefromhumanbonemarrowstemcellsj.biomedreprodomine,2009,19:99105.huaj,yuh,lius,eta1.derivationandcharacterizationofhumanembryonicgermcells:serum-fleecultureanddifferentiationpotential-j.biomedreprodonline,2009,119

3、(2):238249.4o李巍,窦忠英,华进联,等.stra8基因的激活与精原干细胞的特异性分化研究ej.生物工程,2007,23(4):639644.41刘文强,曹晖,殷吉庆,等.小鼠生殖细胞特异基因oct4启动子片段克隆及报告载体构建j.农业生物技术,2010,18(1):6165.42silvac,woodjr,salvadorl,eta1.expressionprofileofmalegermcell-associatedgenesinmouseembryonicstemcellculturestreatedwithalltransretinoicacidandtestoster0ne

4、j.molreproddev,2009,76(1):1121.(编辑:黄会龙)初级纤毛与hedgehog信号通路相关性研究黄家责任俊伟杨琴(重庆医科大学附属第一医院神经内科,重庆400016)早在2o世纪中期以前,初级纤毛被认为是没有任何功能的原始运动纤毛的退化器官.但是近年发现初级纤毛参与了细胞内信号传导等一系列细胞过程,从而调控动物的发育和各种器官的正常生理功能.hedgehog信号通路对胚胎发育,器官形成具有重要作用.而hedgehog信号的传导需要初级纤毛的参与,两者中任何一个异常将导致许多人类疾病.因此,本文对这一领域近年来的研究进展综述如下.1纤毛的结构和功能1.1纤毛的结构纤毛是

5、一种非常保守的来源于细胞基体,突出于细胞表面,由细胞微管为主形成的细胞器;由纤毛膜,中央轴丝和基质组成基本结构,长度从几个微米到2个毫米不等,直径约0.25/2m;从原生生物到脊椎动物细胞都存在.纤毛可分成3大类:运动纤毛,节点纤毛和静止纤毛或初级纤毛_1j.运动纤毛由9组外周二联微管包绕中央2条单独微管构成(9+2结构),每个细胞可有多根运动纤毛,执行细胞的运动功能;初级纤毛和结点纤毛无中央微管(9+0结构),每个细胞仅有1根初级纤毛l_2一.初级纤毛很小(直径0.2/,m,长o.5m),通常在电子显微镜下才能观察到_1.它是从休眠或者已分化的有核细胞表面发出的”天线样”的细胞器,由微管基础

6、上的轴丝和纤毛膜包绕组成.纤毛膜由细胞体浆膜延神而成.纤毛膜上有很多涉及信号传导的亚单位受体和蛋白质l_3.在细胞分裂间期,中心体迁移到浆膜下并改造成为生成初级纤毛的模板一基体4.纤毛颈是分隔纤毛膜和浆膜的部位_5,它通过纤维与基体的转换区相链接.这些纤维是”纤毛孔复合物”组成部分之一,是蛋白质选择性进入纤毛内的门控装置口.纤毛底部有1个独特的浓缩脂质区域,这可能与浆膜和纤毛膜之间的扩散屏障有*国家自然科学基金(81071119)重庆市卫生局科研基金(2oo92359)第1作者email:shjwhg126.corn通讯作者,e,mail:xyqh200收稿日期:20100214;修回日期:2

7、0110422552关.因此,初级纤毛内环境完全与胞质隔离,胞质物质选择性进入纤毛内.1.2初级纤毛的组装,维持和解聚鞭毛内运输鞭毛内运输(ifr)是多亚单位蛋白复合物(ift颗粒)在纤毛膜下沿着轴丝微管的双向物质运输6.它是第1次在衣藻的鞭毛内观察到的,故得其名;ift在真核生物高度保守.初级纤毛不能合成其组装和维持所需的蛋白质,因此,ift是初级纤毛的组装,维持以及解聚所必须的7.过程可以分为6步:i盯颗粒成分的招募和组装,顺向运输(从纤毛底部到纤毛尖端),ift颗粒的解散和重新组装,逆向运输,ift颗粒成分的再循环8,这个过程和血红蛋白运输氧气和coz过程相似.因此,基体和纤毛尖端调节i

8、fr颗粒运输货物,并控制纤毛尖端轴丝的装配和解聚,进行纤毛的生长,稳定或重吸收的过程,但纤毛尖端如何进行装配与解聚则需进一步研究.沉淀分析确认ift颗粒至少由21种多肽组成2种复合物,复合物a(ift-a)和复合物b(ift-b).ift-b负责蛋白的顺向运输,ift-a负责逆向运输.bbs蛋白复合物是纤毛病一巴德一毕德氏综合症(bbs)基因所编码的,它可以促进ift颗粒组装和纤毛的生成l_g.另外,i丌需要驱动蛋白一ii家族和动力蛋白作为分子动力2.驱动蛋白一ii全酶复合体由3个不同的亚单位组成,即异源二聚体运动蛋白kif3a,kif3b和非动力亚单位kap,它们结合并调节ift颗粒在微管上

9、的顺向运输.现已确认,ift的膜相关蛋白与以纤毛为基础的信号通路有关6.1.3初级纤毛的功能长期以来,初级纤毛被认为是没有任何功能的退化器官_】.近年研究表明初级纤毛不是一个退化的器官,而是单根不动的突出细胞表面的细胞”天线”,称为”细胞全球定位系统”_4.初级纤毛膜上分布着大量的受体和离子通道,包括血小板源性生长因子受体(pdgfr),生长激素抑制激素受体,3,5一羟色胺受体,黑色素聚集激素受体1,多囊蛋白1(pc1)和2(pc2),以及hedgehog(hh)和wnt信号通路的组成部件.初级纤毛突出细胞表面,长度可随环境变化而改变,因而更易感受细胞外阳环境信号;体形细长,提供了更大的表面体

10、积比,促使跨膜受体更易于与下游信号分子相互作用.因此,初级纤毛是理想的机械和化学信号的感受器,感知细胞外机械或化学刺激,调节钙的动态平衡,启动细胞内信号传导等一系列细胞过程,从而调控动物的发育和各种器官的正常生理功能.2hedgehog(hh)信号通路hedgehog(hh)基因是1980年在果蝇体内发现的体节极性基因,从果蝇到哺乳动物具有较高的保守性.其编码的分泌性信号蛋白对胚胎发育,器官形成具有重要作用.果蝇只有一个hh基因,而在高等脊椎动物中,hh基因家族至少含有shh(sonichedgehog),ihh(indianhedgehog),dhh(deserthedgehog)3种成分,

11、分别编码shh,ihh和dhh3种蛋白.shh蛋白是早期胚胎发育的成行素,与左右不对称,中枢神经系统和体节的背腹模式及肢体和其他器官的发育有关.ihh蛋白主要来源于生长板中的软骨细胞,与shh蛋白具有相似的生理作用,可引起同样的下游信号反应,在胚胎发育中主要调节软骨形成;也可诱导骨领处原始间充质细胞核心结合因子cbfal表达,触发这些细胞向成骨细胞分化,最终形成骨领.dhh蛋白是睾丸发育所必须的一种胚胎发育调控因子,维持着睾丸精母细胞的活性.hh信号通路需要5个关键元素:配体,受体,效应器,校正器和转录因子_1.在哺乳动物,hh信号通路有3个配体:shh,ihh和dhh.膜受体是patched

12、(ptc),效应器是smoothened(smo),转录因子是gli家族(glil,2,3)e.glil,gli2是转录激活因子,gli13是转录抑制因子.主要的校正器是suppressoroffu(sufu)11.2.1hh信号通路的激活和抑制在没有配体hh时,12次跨膜蛋白pte抑制7次跨膜蛋白smo的纤毛转移和下游的hh信号传导_1.hh信号通路的gli家族通过泛素一蛋白酶体途径而被负性调控.蛋白激酶a(pka)可引发一连串的gli3被cki和gsk3磷酸化,磷酸化的gli3与trcp结合进而被sc泛素化,从而gli3被切去羧基末端激活域变成抑制因子;gli2也会经历相似的蛋白水解过程,

13、但主要是被蛋白酶体完全降解_l.同时,pka可以将glil扣留在胞质,阻止其核转移_1.当配体hh与ptc结合,ptc解除对smo的抑制,smo转运到初级纤毛上,同时ptc从纤毛上移出.smo通过尚不明确的途径使gli3被蛋白水解为抑制物和gli2被降解的过程被抑制1.因此,gli2转移到细胞核并于gli启动子结合,进而激活靶基因gli1,ptch】,hhjp的转录“.完整的gli3也在某些情况下发挥催化作用.hh信号通路激活后,完整的gli3很快就被spop/cul3复合物降解_1,gli2也可通过ift逆向转运到胞质ei8j,从而适时终结hh信号通路.2.2hh信号通路的调控2.2.1pt

14、c对smo的调控在没有hh时,ptc可以调控smo拈抗剂一环巴胺以及3羟基类固醇(如:维他命d3)与smo7次跨膜螺旋束的结合,改变smo的构象,抑制其活性_】.ptc也可能直接或间接地抑制磷脂酰肌醇一4磷脂的聚集来调节smo的活性”.-arrestin是smo转运过程的调控者,它通过调节kif3a与smo之间的相互作用来参与smo的转运l2,ptc可抑制-arrestin和smo融合凹,抑制其向纤毛转运.2.2.2smo的活化smo是hh信号通路的关键成分,在纤毛膜上富集还不足以使之传递hh信号,还必须要完全活化l2.smo的活化依靠hh诱导的smo羧基末端多个ser/thr残基的磷酸化,磷

15、酸化作用可中和smo胞质尾部多个精氨酸束分子问的静电作用,从而使smo胞质尾二聚化,二聚化的smo进一步传递hh信号2.hh可以诱发g蛋白偶联受体激酶一2(gprk2/grk2)的表达,gprk2可通过激酶依赖和不依赖激酶两种方式来调节smo的构象从而表达高水平的hh信号.gprk2一方面通过磷酸化smo羧基末端ser741/thr742来促进smo的激活,同时,gprk2形成二聚物/低聚体,通过不依赖激酶的方式结合到smo羧基末端从而稳定已激活的smo的构象,并促进其二聚化/寡聚化_2.也有报告称,smo蛋白是作为g蛋白偶联受体(gpcr)发挥作用的.当配体作用于gpcr时,gpcr通过催化

16、a-亚单位(ga)的gdp与gtp交换,进而招募并激活异源三聚体g蛋白,并导致g蛋白的解体,激活的ga抑制腺苷酸环化酶(ac)活性,进而抑制pka的活成|2.依赖环一磷酸腺苷(camp)的pka是通过型pka调节亚单位(rihka)和a_激酶抛锚蛋白(akaps)的特殊结合而锚定于纤毛底部的,当shh信号消退,胞质中的camp水平升高时,促使pka催化亚单位(c_pka)和pka调节亚单位(r-pka)分离,从而纤毛底部pka处于激活状态,c-pka磷酸化胞质和胞核底物ee7.当hh存在时,激活的smo抑制pka的活性.激活的smo也可促进gli2从胞质转运到纤毛内,进而进入细胞核发挥转录功能

17、_l.2.2.3校正器sufu的功能sufu对哺乳动物hh信号的调节至关重要,sufu功能的丢失会导致不依赖配体的强有力的hh通路的激活.sufu的主要功能是抑制gli在细胞核的转录e.sufu也通过对抗spop(1个保守的gli转录因子降解因子)作用来保存完整的gli2和gli3的稳定性l2,sufu与spop竞争性的结合gli3的氨基或羧基末端区域和gli2的羧基末端区域,但gli3抑制因子的功能不依赖于sufuca0.3初级纤毛与ith信号通路的关系很多研究表明初级纤毛与hh信号通路关系密切.在哺乳动物细胞中,hh信号通路成分ptc,smo及其下游转录因子glil,gli2和gli3均存

18、在于初级纤毛上.在没有hh时,ptc集中在初级纤毛,防止smo在初级纤毛内积聚.当有hh时,hh与ptc结合,ptc离开初级纤毛,导致smo在初级纤毛内积聚,从而启动下游基因的表达.而ift则是shh信号通路成分在初级纤毛内进出所必须的ej.因此,初级纤毛就像化学敏感器,检测细胞外的hh.当初级纤毛结构或功能异常,则导致hh信号通路不能发挥正常作用,出现发育异常或其他疾病.4初级纤毛和hedgehog(hh)信号与人类发育,健康和疾病的关系越来越多的研究表明初级纤毛和hh信号与人类发育,健康和疾病有密切的关系.现已确认初级纤毛和hh信号通路成分缺陷或异常与许多人类疾病有关.如:常染色体显性多囊

19、肾病(adpkd),隐性多效性疾病一bardet-biedl综合症(bbs),joubert综合症,meckel综合症,多指畸形,乳腺癌,基底细胞癌,髓母细胞瘤等多种癌症以及其他疾病.adpkd是一种常见的单基因遗传性全身性疾病,其主要表现为双肾出现许多大小不等的液性囊泡,囊肿进行性长大,破坏肾结构和功能,最终导致终末期肾功能衰竭,也可表现为肝,胰,553大脑等畸形或这些病变的联合_3.现已确认pkd1和pkd2基因编码的跨膜蛋白一多囊蛋白1和多囊蛋白2存在初级纤毛上并与adpkd密切相关.多囊蛋白可调节细胞内的钙离子水平,进而在钙相关性信号通路中发挥作用.但是钙信号的调节异常与多囊肾的关系仍

20、不清楚.bbs是一种基因变异导致的慢性,晚期肾功能衰竭疾病,其多系统功能障碍包括肥胖,认知障碍,泌尿生殖管道的畸形以及肢体的畸形l_3.目前14个bbs基因已被证实,任何1个基因的变异都会导致bbs特征,而bbs基因编码的蛋白参与到ift,可能与i的货物装载以及逆向运输过程有关.因此,bbs蛋白功能障碍会影响初级纤毛的组装以及功能,从而导致疾病.joubert综合症(js)是一种常染色体隐性疾病,其临床特征为肌张力减退,共济失调,眼球运动障碍,中一后脑畸形等,”磨牙标记”为其mri特征_3.目前已明确7个js基因与初级纤毛/基体的功能相关,js相关蛋白不同程度的定位于初级纤毛上,这些蛋白可能参

21、与到初级纤毛的构建以及信号通路的调节.js基因的变异会导致初级纤毛数量或形态学上的改变,进而导致早期神经管背一腹侧模式的异常.乳腺癌,基底细胞癌,髓母细胞瘤等多种癌症与hh信号通路不适当的激活有关.smo拮抗剂环王巴明可以阻止胰腺癌的浸润和转移_3.hh依赖的髓母细胞瘤同种异体移植模型在口服环王巴明类似物ipi-926以及gdc-0449后可以观察到肿瘤完全的消退38-36.成年髓母细胞瘤患者在服用gdc-0449后也可以看到非常显着但不完全,快速而短暂的肿瘤消退_3.gli3可以调节肿瘤细胞抵抗肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体(trail)诱导的细胞凋亡,阻断hh通路可以恢复肿瘤细胞对trail

22、介导的细胞毒性_3.随着对初级纤毛结构和功能以及hh信号通路的不断认识,在发育过程和组织平衡中,初级纤毛和hh信号通路的作用越来越受到关注.特别是近年来通过靶向抑制hh信号通路途径来治疗癌症取得的成就更加体现了其重要性.但是,目前对初级纤毛和hh信号通路关系的研究还需要进一步的深入探讨.参考文献1michaudlej,yoderbk.theprimaryciliumincellsignalingandcancerj.cancerres,2006,66(13):64636467.2satirp,christensenst.structureandfunctionofmammalianciliaj

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24、p.theciliarynecklace:aciliarymembranespecializationerjm,eta1.assemblyofprimaryciliaj.devdyn,2008,237(8):19932006.9nacburymv,loktevav,zhangq,eta1.acorecomd1exof554一bbsproteinscooperateswiththegtpaserab8topromoteciliarymembranebiogenesisj.cell,2007,129(6):12011213.1ochristensenst,pedersenlb,schneiderl

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27、enearthenuclearlocalizationsignalj.biolchem,2006,281(1):9-12.15chenjk,taipalej,coopermk,eta1.inhibitionofhedgehogsignalingbydirectbindingofcyclopaminetosmoothenedj.genes,2002,16(21):27432748.16suziej,scalessj,desauvagefj.mechanismsofhedgehogpathwayactivationincancerandimplicationsfortherapyj.trendsp

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31、nrb,eta1.hedgehogsignaltransductionbysmoothened:pharmacologicevidencefora2-stepactivationprocessj.procnatlaeadsciusa,2009,106(9):31963201.24zhaoy,tongc,jiangj.hedgehogregulatessmoothenedactivitybyinducingaconformationalswitchj.nature,2o07,450(7167):252258.25cheny,lis,tongc,eta1.gprotein-coupledrecep

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