转化生长因子β的信号转导

1、    转化生长因子的信号转导        关键词转化生长因子信号转导Smads提要转化生长因子（TGF）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跨膜信号转导途径方面所取得的研究进展。介绍了TGF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的信号转导途径中的作用。中国书资料分类号R392.12转化生长因子(TGF)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细

2、胞因子超家族的成员。在口腔医学领域对TGF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对牙周组织也起着重要的调节作用，研究证实，TGF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

3、4。由于TGF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。1TGF受体1.1TGF受体的结构在人的多种细胞表面存在3种类型的TGF糖蛋白受体（即型、型、型受体），它们相对分子质量（Mr）分别为65×103，85110×103和6×105。起信号转导作用的是型和型受体。型、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。与型受体相比，型受体的胞外区和胞浆区均较短。在型受体的胞浆

4、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结构域为型受体所特有5。1.2TGF受体的活化方式TGF与其受体结合后，使受体活化的方式是：首先，TGF与细胞膜表面的型受体结合，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型受体在与TGF结合后，其磷酸化状况并不发生改变。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自由结合。它是在型受体与TGF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，型受体胞浆区的丝氨酸/苏氨酸蛋

5、白激酶结构域,可将型受体胞浆区GS结构域的丝氨酸/苏氨酸磷酸化，而使型受体活化。活化的型受体再进一步作用于细胞内的下游分子，使TGF的信号向细胞内转导6。型受体和型受体在TGF的信号转导中都是必不可少的。单独表达型或型受体的细胞，对TGF失去反应。Feng7研究发现，在、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样生物学活性。Carcamo鉴定出1种发生突变的型受体(P525L)。该突变受体能够与TGF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，使其无法将型受体磷酸化，

6、从而阻断了TGF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。Wrana6将磷酸化的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。Souchelnytskyi9研究发现，型受体的磷酸化位点是GS结构域中的Thr185，Thr186，Ser187，Ser189，Ser191和Ser165。2TGF的细胞内信号转导途径对TGF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。2.1Mad和Smads家族的发现1995年，Sekelsky

7、等在研究果蝇Dpp(一种果蝇体内属于TGF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(Mothersagainst 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Sma2，Sma3，Sma4和Xmad1，Xmad2。对它们的功能研究证实，这几个基因编码的蛋白都是TGF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

8、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(MADrelated，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(MADrelated2，即Smad2)。Smad2的基因全长为1605bp，包含1个编码467个氨基酸的

9、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受体的基因共转染COS细胞，再经TGF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?受体存在的情况下，TGF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相同的生物学活性。以上结果说明，Smad2是TGF特异的细胞内信号转导分子12。在此基础上，又克隆成功Smad3Smad8，共同构成了Smads基因家族13，14。2.2Smads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

10、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。Smad1Smad5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1113。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的信号；Smad8特异地转导activin的信号；Smad4是BMPs和TGF信号转导途经的共同分子；而Smad7则对TGF的信号转导起拮抗作用13，14。

11、细胞表面的TGF型受体，在被型受体磷酸化后而活化。活化的型受体，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信号的拮抗因子，能够牢固地与TGF型受体结合，使之无法将Smad2磷酸化，从而阻断TGF的信号转导途径13。MH2结构域在TGF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。Baker15观察到，单独表达Smad1和Smad

12、2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。3展望通过对TGF型、型受体和Smads基因家族的研究，已使我们对TGF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

13、伤修复中具有重要的作用，因此，加强对TGF的信号转导，特别是Smads家族的研究，并以此为突破口，阐明TGF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作者单位：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)参考文献1Rush J, Lesot H, Beguekirn C. Odontobla

14、st differentiation. Int J Dev Biol,1995；39（1） ：5168 2Smith A, Cassidy N, Perry H,et al. Reactionary dentinogenesis. Int J Dev Biol，1995；39（1）:273280 3Tzifas D.Basic mechanisms of cytodifferention and dentinogenesis during dental pulp repair. Int J Dev Biol,1995；39（2）:281290 4牛忠英 . TGF对人牙周膜纤维细胞功能及基因的

15、调控效应. Jpn J Oral Biol,1991；33（33）:133140 5Derynck R. TGF receptormediated signaling. TIBS,1994；19（12）:548553 6Wrana J, Attisano L, Wieser R,et al. Mechanism of activation of the TGF receptor. Nature,1994；370（6488）:341347 7Feng XH, Derynck R.Ligandindependent activation of tramsforming growth factor

16、signaling pathways by heteromeric cytoplasmic domains of TGF receptors. J Biol Chem,1996；271（22）:1312313129 8Carcamo J, Zentella A. Disruption of transforming growth factor bata signaling by a mutation that prevents transphorylation within the receptor complex. Mol Cell Biol,1995；15（3）:15731581 9Sou

17、chelnytskyi S, Dijke P, Miyazono K,et al. Phosphorylation of Ser 165 in TGF type receptor modulates TGF1induced cellular resposes. EMBO, 1996；15（ 24） : 6231 6240 10Sekelsky J, Newfeld S, Raftery L,et al. Genetic characterization and cloning of mothers against Dpp, a gene required for decapentaplegic

18、 function in drosophila melanogaster.Genetics,1995；139（3）:13471358 11Hoodless P, Haery T,Abdolloh S,et al. MADR1, a Madrelated protein that functions in BMPs signaling pathway. Cell,1996；85（3）:489 500 12Eppert K, Scherer S, Ozcelik H,et al. MADR2 maps to 18q21 and encodes a TGFregulated MAD? related protein that is funtionally mutated in colorectal carc