黏着斑激酶信号转导及生物学效应

1、黏着斑激酶信号转导及生物学效应杨长春1x(综述,马增春2(审校摘要:黏着斑激酶(FAK 是一种非受体型酪氨酸蛋白激酶,起介导细胞外信号由整合素向细胞内转导的作用,FAK 的磷酸化激活以及由此所产生的一系列下游蛋白质的磷酸化,是细胞外基质与细胞相互作用并产生一系列生物学效应的关键环节,参与细胞增殖、迁移与凋亡的调节过程。研究显示,黏着斑激酶表达及活化与肿瘤、心血管疾病密切相关,已成为生物学领域研究的热点及治疗的新靶点。关键词:黏着斑激酶;信号转导;生物学效应Fo cal Adh es i on K i na s e Signa lT ran s d ucti on and Its B i o l

2、 og i cal E ffects Y A NG Chang 2c hun 1,MA Z e ng 2chun 2.(1.The F irs t De part men t of Na lou,t he Ge nera lH os pit a l of Ch i neseP eople c s Armed P oli ce F orces ,Bei 2jing 100039,Ch i na;2.Beiji ng In s tit u t e of Rad iation M ed i ci ne ,Beijing 100850,Ch i na Ab stract :I n creasi ng

3、st ud ies have de m on strated that f ocal adhes i on k i nase(F AK,a non 2recep t or t yro 2si n e k i n ase ,i nvol ves i n the i ntracell u l ar si gnal transducti on m ed i ated by i ntegri n.Phosphoryl ati on of F AK it 2self and follo w i ng protei n s is the key li nk in t h e interactions be

4、t w een extracell u l ar m atri x and cell s wh ich i n turn s h o w a series of b i ological effects ,i ncl ud i ng cell p roliferati on,m i grati on and apop t osis .M any researchesh ave reported t hat the exp res s i on and acti vati on ofFAK has correlat ed with t um or and cardiovascu l ar d i

5、sease ,FAK has been t h e hot spot i n b i ol ogy fiel d and i t w ill be a ne w target i n therapy .K ey word s :Focal adh es i on k i nase ;Si gnal transdu cti on;Bi ological effects黏着斑激酶(f ocal adhesion kinase ,FA K ,是一种非受体型酪氨酸蛋白激酶,在细胞内信号转导中具有重要作用,是细胞内多条信号转导通路的交汇点,与细胞迁移、增殖、凋亡等生物学过程的调节密切相关。近年,黏着斑激

6、酶信号转导机制的研究越来越受到重视,已经成为生物学领域研究的热点问题之一。现就黏着斑激酶信号转导及生物学效应研究进展进行综述。1 FAK 的结构FAK 由Scha ller 等1在转染的V 2Src 鸡胚成纤维细胞中首次被发现,它是一种进化上高度保守的蛋白质,在体内分布广泛。对鸟、鼠、人、非洲蟾蜍的FAK 氨基酸序列进行比较,发现其同源性高达90%,编码鼠和人的FAK 基因分别位于15号和8号染色体上。FAK 相对分子质量为125103,由1028个氨基酸组成,结构上可分为3个功能域:N 2端功能域、激活区和C 2端功能域,每个区域包含大约400个氨基酸。中间部分自390650位为高度保守的催

7、化区域,两翼分别为氨基端和羧基端。FAK 的羧基端存在多个可与细胞骨架蛋白和信号转导蛋白结合的位点,其功能可能是将多种蛋白聚集在一起。在FAK 羧基末端的150个氨基酸中包含一个黏着斑定位序列(f ocal adhensi o n targeting sequence ,FAT ,对于FAK 与黏着斑相连是充分而且又必要的序列。N 2端区域可连接到B 整合素胞浆区。C 2端区域含有2个富含Pr o 的区域,是FAK 发挥信号转导功能的关键部位。FAK 在功能上不同于其他非受体酪氨酸蛋白激酶(protein tyrosine k i n ase ,PTK ,不含S H 2和S H 3功能域。已知

8、FA K 有6个可以被磷酸化的位点,Tyr 397是主要的自身磷酸化位点,与Src 家族直接作用,Tyr576、Tyr 577是Src 家族激酶磷酸化的主要部位。被磷酸化的Tyr 925可以与接头蛋白G rb2结合,Tyr397、Tyr407和Tyr861可能是与其他S H 2蛋白结合的部位,位于C 2端的2个富含Pr o 的区域,PR1和PR2是含有S H 3结构域的蛋白质,如Cas 是相对分子质量为130103的Cr k 相关底物焦点黏附蛋白的结合部位2。FA K 基因通过不同的剪接产生的不具催化功能活性的羧基端功能域称为FAK 依赖的非激酶(FAK 2re l a ted non k i

9、 n ase ,FRN K ,相对分子质量为41/43103,在结构上具有与黏着斑结合的FAT ,可以与FAK竞争结合在黏着斑的结合位点,阻止FAK 活化3。2 FAK 活性的调节FA K 的激活主要依赖于整合素聚集成簇,整合素B 胞浆区是F AK 活化所必需的。整合素与基质蛋白的聚集调节FAK 活性,配体诱导的整合素聚集可导致FAK 酪氨酸激酶的活化。整合素聚集或胞浆区构象的改变可能与增强F AK 的N 2末端结构域和B 整合素尾的结合有关,这种FAK 构象的变化使FAK 活化位点Tyr 2397暴露出来,整合素依赖的FAK 寡聚化使Tyr 2397位点自身磷酸化,继而通过磷酸化Src 2家

10、族激酶,导致Tyr576、Tyr577及整个酶区的FAK 活化。整合素刺激的FAK 活化依赖于acti n 骨架蛋白的完整性,细胞actin 骨架蛋白的收缩可进一步增强整合素受体的聚集和FAK 酪氨酸磷酸化,从而将信号传递至其他信号分子,如骨架蛋白Paxilli n 、Tensi n 和Ta li n 可使FAK 激活。同时,突变分析结果显示,膜远端的氨基酸对于#1779#医学综述2010年6月第16卷第12期M ed icalR ecapitulate ,Jun 2010,Vo.l 16,N o .12诱导体内酪氨酸磷酸化具有重要作用,这表明仅仅是整合素与FAK结合不足以产生FAK活化。许多

11、生长因子、神经肽等参与调节FAK活化,尽管其机制尚不清楚,但是内皮素、溶血磷脂酸、铃蟾肽等诱导FAK酪氨酸磷酸化是通过G蛋白受体或其他机制增强FAK酪氨酸磷酸化水平而实现的。一些因素直接影响FAK激酶活性,而另一些可能通过活化其他酪氨酸间接提高FAK酪氨酸磷酸化水平。G蛋白受体刺激因子提高FAK酪氨酸磷酸化活性依赖于小G TP结合蛋白p21Rho。Rho与FAK之间连接通路以及Rho是否是通过肌动蛋白导致F AK酪氨酸磷酸化目前尚不清楚,但在非整合素刺激的FAK 酪氨酸磷酸化事件中,应用细胞松弛素D处理对FAK酪氨酸磷酸化亦有抑制作用4。Pyk2是FA K家族的新成员,是一种富含脯氨的酪氨酸激

12、酶,其激活机制不同于FAK,其主要是通过提高细胞内Ca2+内流信号而介导的,因此又称为CAD TK2钙依赖酪氨酸激酶。Ca2+介导的信号也可以刺激FAK酪氨酸磷酸化,但水平较Pyk2低。Ca2+信号系统激活Pyk2的机制还不完全清楚,可能与调节Pyk2N2末端与钙结合蛋白的反应有关5。FAK活性的调节主要发生在翻译后阶段,其转录水平的调节机制目前尚不清楚。F AK的失活主要是通过蛋白酶水解作用完成。此外,R ic hardson等6认为,FRNK可以作为FA K的一种内源性抑制因子,通过与FAK竞争FAT位点而参与体内FAK激活功能的负向调节。3FAK相关信号转导途径3.1整合素介导的信号转导

13、整合素受体与细胞外基质(extracell u lar m atrixc,EC M蛋白结合后产生的细胞内信号通过增加FAK酪氨酸磷酸化调节细胞的生长、生存、迁移与增殖等功能。F AK可与不同的信号蛋白结合,已经证明的有Src2家族PT K、p130 cas、Shc、G rb2、肌醇三磷酸(i n ositol tri p hosphate,PI3激酶、Paxillin等,这种结合导致c2Jun氨基端激酶(C2Jun N2ter m i n al k i n ase,J NK/促分裂原活化蛋白激酶(m itogen2acti v ated pr ote i n k i n ase,MAPK途径的

14、活化。然而,FAK并不是诱导活化MAPK的惟一途径,在某些情况下,还有其他信号通路使整合素诱导活化MAPK。进一步研究显示,FAK对MAP K活化的诱导是整合素信号转导通路的晚期事件,不依赖FA K的信号转导仅导致短暂的M APK活化,而FAK 依赖的MAP K将产生长时程的MAPK活化反应8。3.2酪氨酸激酶受体信号转导酪氨酸激酶受体是一种跨膜受体,其膜内侧具有PT K,配体和受体结合后,生成同源或异源二聚体,使PT K活化。研究表明,FAK在酪氨酸激酶受体信号转导途径中也发挥一定作用。有资料显示,随PDGF浓度的升高,FAK 酪氨酸磷酸化水平也升高,这种变化可能与PI3激酶的活化有关10。

15、研究表明,FAK还参与生长因子受体介导的MAP K信号传递途径。FAK-/-细胞显示了PDGF和血清诱导的MAPK活化的缺失。突变的FAK在N I H3T3细胞可以阻止血清诱导的M APK活化。FA K也参与尿激酶型纤溶酶原激活物受体刺激的MAP K活化11。Vadali等12认为,FAK在整合素和生长因子刺激M APK信号中有协同作用,整合素和生长因子受体同时受刺激时,可通过不同的途径活化MAPK,而F AK则是这两条途径的交汇点。3.3G蛋白耦联受体介导的信号转导G蛋白耦联受体是一种穿膜七次的受体,可以和小分子神经递质、多肽和糖蛋白等配体结合,在Rho的作用下对细胞骨架蛋白的聚集/解聚和F

16、AK磷酸化产生影响。抑制Rho的功能,可以使FAK磷酸化水平降低。在G蛋白耦联受体介导的MAPK活化的过程中,Pyk2/CAK B可能起关键作用,其402位点磷酸化后成为Src激酶的结合位点。在G蛋白受体配体复合物的作用下Src激活,催化Pyk2/CAK B磷酸化,产生多个与信号蛋白的结合位点,G r b2/S OS直接或在Src帮助下与Pyk2/C AK B结合,在Src/Grb2/S OS复#1780#医学综述2010年6月第16卷第12期M ed i calRecap it u l ate,J un2010,V o.l16,No.12合体作用下激活Ras/M AP K13。4FAK信号转

17、导途径引发的生物学效应FAK与细胞多种信号转导有关,因此对细胞的多种生物学功能具有调节作用。研究表明,FAK对于胚胎发育有重要作用,对细胞的黏附、伸展、迁移、增殖和凋亡具有调节作用14。4.1调节发育早期胚胎中即可检测到FAK表达,并分布于神经胚形成阶段的所有细胞类型。FA K在发育的血管中表达也增高。FAK基因剔除可导致中胚层的缺乏。FAK基因剔除小鼠有早期胚胎致死性突变,不能形成完全的血管和心脏。有研究表明, FAK可能与胎盘植入和胎盘建成的关键环节有关,应用反义核酸及FAK抗体可以抑制外胎盘锥黏附、扩展及滋养细胞的迁移和铺展,因而证明FAK和胚胎发育密切相关15。4.2FAK和细胞黏附细

18、胞在整合素介导下与EC M黏附后,FAK磷酸化水平升高,抑制FAK磷酸化水平则显示降低细胞的黏附和伸展。导入FRNK 减少内源性FA K磷酸化,细胞伸展也减少,说明FAK 在细胞黏附和伸展中有重要作用。目前对FAK在黏着斑形成及解聚中作用的认识已有了很大变化,FAK 以前被认为与黏着斑构成有关,但应用V2Src转化的成纤维细胞显示,F AK可能起相反作用16。FAK控制黏着斑解聚可能是通过下调Rho活性实现的,细胞黏附到纤维结合蛋白时伴有短暂的Rho 活性降低,FAK-/-成纤维细胞Rho活性不降低,而抑制Rho可负反馈调节FA K和活化。进一步形态学观察结果也支持FAK调节黏着斑活性是通过调

19、节Rho实现的。FA K抑制Rho信号通路原因还未明确,可能与FAK结合伙伴蛋白GRAK,一个Rho负向调节因子有关17。4.3调节细胞迁移FAK在细胞迁移中起重要作用18。对FAK缺陷鼠研究显示,该鼠细胞在纤维结合蛋白上的迁移性显著降低,进一步的突变分析证明,Tyr397位点是介导细胞迁移的关键部位;在C HO 细胞中的研究发现,增加F AK表达可促进细胞迁移,说明F AK与细胞迁移密切相关。FAK影响细胞迁移的机制目前尚不清楚,可能与FAK/Src复合体对细胞内骨架蛋白聚集/解聚的调节以及黏着斑的形成、解离有关,此外,p130Cas 与FAK引起的细胞迁移有关,FAK影响细胞迁移可能还与P

20、I3激酶有关。整合素与配体结合后激活FAK,通过Ras/M APK的活化,使金属蛋白酶的表达增加,也有利于细胞的迁移。此外,F AK也参与控制细胞的化学趋化反应,F AK过度表达增加MDC K细胞对生长因子的趋化反应。4.4FA K与细胞周期和细胞增殖FAK是细胞周期的正向调节因子19,当饥饿的成纤维细胞用血清刺激时,过度表达的FAK可以增加DNA的合成,突变的FAK抑制细胞周期进程。FAK调节细胞周期进程的机制还不完全清楚。FA K可能通过调节Cycli n和CD K I P21的表达而发挥此作用。在N I H3T3细胞研究显示,细胞发生黏附时Cyc li n A表达增加,它是细胞内G1期进

21、入S期所必需的,G1期的两种蛋白D和E以及相关CD K在细胞黏附后表达也增加。整合素与EC M结合后在生长因子的共同作用下激活FAK,通过Ras2MAPK或PI3激酶促进细胞增殖20。4.5FA K与细胞凋亡细胞需要黏附于EC M才能存活,一旦与EC M脱离将发生凋亡,细胞黏附于EC M时伴有FAK磷酸化的增加,是抑制细胞凋亡的关键因素21。FAK持续活化可抑制悬浮生长的细胞发生凋亡。将FAK与整合素B1胞内域结合的SP1肽或抑制FAK与黏着斑结合的F AK单抗用微注射技术注入成纤维细胞,终导致细胞凋亡,此外,用转染技术使细胞过度表达F AK,也直接证明FAK 可抑制细胞凋亡,应用反义核酸技术

22、抑制F AK表达可诱导肿瘤细胞凋亡22。研究显示,FAK是caspase的底物之一,多种caspase可以作用于FAK,去除FAK抑制细胞凋亡的作用,使细胞最终发生凋亡23。由此可见,FAK活性的调控直接影响细胞凋亡,是细胞凋亡环节中又一值得重视的环节。FA K与PI3激酶的连接提供了一个非常重要的锚定依赖的生存信号,对于防止细胞凋亡具有重要作用。FAK诱导细胞凋亡还可能与J N K/S APK途径有关24,FAK可能通过募集p130cas酪氨酸磷酸化,将信号传至Rac、Pak1和MKK4,刺激J N K活化。FA K过度表达可以增加核因子J B活化刺激凋亡抑制蛋白(i n h i b ito

23、r of apoptosis prote i n,I A PCI A P21、CI AP22、X2I A P的表达,而这些都是caspase的抑制因子,具有抑制凋亡作用,因此FAK过度表达抑制细胞凋亡。4.6FA K与肿瘤F AK表达和活化与人类多种恶性肿瘤的发病有关25,包括肺癌、鳞状细胞喉癌、结肠癌、乳腺癌、前列腺癌等。在肿瘤细胞中FAK过度表达并与肿瘤的浸润、转移相关联,这可能与F AK表达增加使细胞迁移和增殖能力增强有关。应用反义核酸技术抑制FAK表达可以抑制肿瘤细胞增殖,诱导细胞凋亡。F AK有可能成为肿瘤发生和转移的标志物,并有望成为肿瘤治疗新的靶位点之一。研究显示,缺氧、血小板#

24、1781#医学综述2010年6月第16卷第12期M ed icalR ecapitulate,Jun2010,Vo.l16,N o.12衍生生长因子(plate let derived gro w th f actor,PDGF、血管紧张素Ò、内皮素、纤粘连蛋白、骨桥蛋白可通过多种信号转导机制引起血管平滑肌细胞(vascular s mooth muscle cel,l VS MCF AK表达升高与活化,促进VS MC的表型转换、迁移与增殖26228,而VS MC的迁移、增殖和血管重塑是心血管疾病的共同病理基础,最终可以导致血管腔的狭窄,进而影响靶器官的功能。FAK还参与导致心肌肥大

25、细胞信号转导调控29。反义核酸可抑制VS MC迁移和增殖,诱导细胞凋亡;中药黄芪、当归通过抑制FAK表达对血管内皮剥脱后再狭窄具有抑制作用30。奥美沙坦通过抑制局部F AK活化对大鼠移植静脉再狭窄具有治疗作用31。FAK处于多种因素引起心血管疾病的多条信号转导通路的交汇点,因此,进一步研究FAK的信号转导机制,不仅将会使人们对心血管疾病发病机制有进一步的了解,也将为其防治提供新的靶点。5小结近年来,尽管对FAK信号转导机制及其引发的细胞生物学行为进行了一些研究,但详细机制尚不清楚。一些FAK信号转导通路已经被证实,另一些尚在研究之中。FAK已经被证实与肿瘤和血管增生性疾病的发病密切相关,与其他

26、疾病发生的关系也正在成为研究的热点。进一步研究FAK及其与其他信号转导分子的相互作用,应用现代分子生物学技术调控FAK表达与活性,将会对疾病的诊断与治疗提供新的方法与手段,具有重要意义。参考文献1Schall erMD,Borg m an CA,Cobb BS,et a l.PP125FAK,a struct u r2a ll y d isti n cti ve protei n2t yrosine k i nase associated with f ocal adh e2si onJ.Proc NatA cad SciUS A,1992,89(11:519225196. 2Jiang X,

27、Sinn ett2S m it h J,Roz engurt E.Differen tial FAK phospho2rylati on at Ser2910,Ser2843,Tyr2397i nduced by angioten si nÒ,LPA and EGF i n i ntesti na l ep it h eli al cellsJ.Cell Si gna,l2007,19(5:100021010.3H ayasakaH,Marti n K H,H ers hey ED,et al.D isrupti on of FR NK ex2p ress i on by gene

28、targeti ng of t h e i ntron i c p ro moter with i n the focaladh esion k i nase geneJ.J Cell Bi oc h e m,2007,102(4:9472954. 4Gu an J L.Foca l adhesi on k i nase i n i n tegri n s i gnali ngJ.M atri xBi o l ogy,1997,16(4:1952200.5A vraha m H,Park S Y,Sch i nkmann K,et a l.RAFTK/Pyk22m ed i a2ted cel

29、l u lar si gnalli ngJ.Cell Si gna,l2000,12(3:1232133. 6Richardson A,Shannon J D,A da m s RB,et al.Iden ti fi cati on of i n te2gri n2s ti m ulated sites of s eri ne phosphory l ation i n FRNK,the sepa2ratel y expressed C2ter m i nal do m ai n of focal adhesion k i nas e:a po2tenti al role for p rote

30、i n k i n ase AJ.Bioch e m J,1997,324(Pt1:1412149.7Y ee KL,W eaver V M,H a m m er DA.I n t egri n2m ed i ated si gnalli n gt h rough t heMAP2k i nase pat hwayJ.I ET Syst Bio,l2008,2(1:8215.8Wang J G,M i yazu M,X iang P.Stretc h2i nduced cell p roliferati on ism ed iated by FAK2MAPK p athwayJ.L ife S

31、c,i2005,76(24:281722825.9Zhao J,Guan J L.Si gnal transdu cti on by focal adhesion k i nase incancerJ.Can cer M etast as i s Rev,2009,28(1/2:35249.10Rosari o C,H u s na A,Ian Z.Plat elet2deri ved gro w t h fact or2B B(PDGF2B Bregulation of m i grati on and f ocal adh es i on k i nas ephos phorylati o

32、n i n rabb i t aorti c vas cu lar s m ooth mu scl e cel:l rol esof phosph ati dylinos it ol32k i nase and m itogen2activated p rotei n k i2nas esJ.Card i ovas c R es,1999,41(3:7082721.11D c A l essio S,Bl as i F.The urok i n ase receptor as an en tertai ner ofs i gn al transdu cti onJ.Fron t Bi osc,

33、i2009,14:457524587.12Vad aliK,CaiX,Schaller MD.Focal adh es i on k i nase:an ess en tialk i nase i n the regu lati on of card i ovascu l ar functi onsJ.I U B MBL ife,2007,59(11:7092716.13Rozengurt E.M i togen ic s i gn ali ng pat hways i nduced by G p rot ein2coupled receptorsJ.J Cell Phys i o,l2007

34、,213(3:5892602. 14L i S,H ua ZC.F AK exp ress i on regu lati on and therapeu tic pot en tialJ.Adv Cancer Res,2008,101(1:45261.15Chatziz achari as NA,K ourakli s GP,Theocharis SE.Cli n ical s i gn ifi2cance of FAK expressi on i n hum an neoplas i aJ.H istol H is2t op atho,l2008,23(5:6292650.16Van Sl

35、a m brouck S,G rij el m o C,DeW ever O,et al.A cti vati on of theF AK2src m ol ecu l ar scaffol d s and p130Cas2J NK s i gna li ng cascadesby a l pha12i ntegri ns du ri ng colon cancer cell i nvas i onJ.I n t J On2co,l2007,31(6:150121508.17L i m S T,M i kol on D,St upack DG,eta l.FERM control of F A

36、K f unc2ti on:i m p lications for cancer t herapyJ.Cell Cycl e,2008,7(15:230622314.18Schall erMD.B i oc h e m ical si gnals and b iol og i cal respon s es elici tedby t he focal adhesi on k i n aseJ.Bi och i m Bi ophys Act a,2001,1540(1:1221.19D i ng Q,Gra m m er J R,Nels on MA,et al.P27(k i p1and c

37、ycli n D1are neces sary f or f ocal ades i on k i nase(FAKregulati on of cell cy2cle p rogressi on i n g li ob lasto m a cells p ropagat ed i n vitro and in vi voi n the sci d m ouse b rai nJ.J Biol Che m,2005,280(8:680226815.20Boosan iCS,N al abothula N,M unugalavadla V,et a l.F AK and p382MAP k i

38、nas e2dependen t activation of apoptos i s and caspase23i n ret2i nal endothelial cell s by al pha1(I VNC1J.Inves t Ophthal m olV is Sc,i2009,50(10:456724575.21Hu iAY,M eens J A,Sch i ck C,et al.Src and FAK m ed i ate cell2m a2tri x adhesion2dependen t activation ofM et duri ng transfor mati on ofbr

39、east ep it h eli al cell sJ.J Cell Bi oc h e m,2009,107(6:116821181.22Shen J G,Zhang XL,H uo XX.The role of FAK2ERK si gnal tran s2ducti on pathway i n apoptos i s of hepati c s t ell ate cellJ.ZhonghuaGan Zang Bi ng Za Zh,i2008,16(11:8492853.23M i an MF,Kang C,Lee S,et al.Cleavage of f ocal adhesion k i nase isan earl y m ark er and m odu l ator of ox i dative stress2i nduced apoptosisJ.Ch e m Bi ol Intera