Notch信号通路的作用机制

Notch信号通路的作用机制

一个世纪前，科学家发现了一种特殊的基因突变，这种突变会导致黑腹果蝇出现锯齿缘翅膀的现象，因此他们将这个基因命名为“Notch”。Notch信号在细胞的生命周期中扮演着至关重要的角色，它不仅影响细胞的增殖、分化和生存，还参与细胞的凋亡、抗肿瘤血管生成以及细胞的自我更新过程。值得注意的是，Notch信号的异常与包括肿瘤在内的多种疾病有着密切的联系，这使得Notch通路蛋白成为了疾病药物研发的重要靶点。

早在一个世纪前，科学家便已经在果蝇中发现Notch基因，由于其功能异常可导致果蝇翅膀出现锯齿状缺口（notches），因此，便以“Notch”命名该基因。目前已知的大多数经典的信号通路（如AKT信号通路的磷酸化传递[1]，图1）均遵循信号级联放大模式进行信号传递，通路中的信号蛋白能够进行一系列的翻译后修饰，将信号逐步放大。而Notch通路则不按照这个套路出牌：Notch通路的受体与配体相互作用均通过短时通讯介导，从细胞表面到细胞核基因组的信号是直接的，线性的，没有信号级联放大的过程，这意味着该通路不存在磷酸化泛素化等蛋白翻译后修饰。因此，Notch通路的信号传递速度也较快，但是所引起的下游生物学效应也较弱。

Notch的性质

Notch基因编码一类高度保守的细胞表面受体，在进化上高度保守。Notch蛋白分为胞内和胞外段，胞外区由10～36个表皮生长因子（EGF）样重复序列、3个富含半胱氨酸Lin-12-Notch重复序列（LNR）和1个含异二聚体结构域（HD）组成，此区域调控Notch胞内与胞外相互作用。Notch胞内段包括一个RAM结构域，7个锚蛋白（ANK）样重复序列，两个核定位序列（NLS），一个PEST序列和转录激活区（TAD）。在哺乳动物中Notch家族主要有4种受体，为Notch1、Notch2、Notch3和Notch4，如图所示，四种受体主要的区别在于胞外的EGF样重复序列以及胞内的核定位序列（图2），而其在生理功能上却没有太大的差别，均在细胞分化、胚胎发育、组织自我更新及肿瘤的发生等多个细胞过程中发挥重要的调控作用。Notch1在胰腺与肺部存在高表达，Notch2与Notch3在皮肤与骨骼高表达，Notch4则在毛囊中表达较高。研究表明，这四种Notch蛋白均在肿瘤中表达增高 [2]。

Notch信号通路

Notch蛋白首先以无活性的单肽前体形式在内质网中合成，此时未成熟的Notch蛋白包括膜外受体部分、跨膜区域以及Notch胞内域（NICD）三个部分，之后转运至细胞高尔基体内被水解切割，形成成熟的Notch受体并转运至细胞表面。Notch的配体主要包括Delta-like 1（DDL1）、Delta-like 3（DDL2）、Delta-like 4（DDL4）、Jagged1和Jagged2。Notch受体与配体相互作用，受体的胞外域在金属蛋白酶/肿瘤坏死因子-α转化酶（ADAM）的切割下，受体膜外部分完全被切除，并进一步在γ-分泌酶（γ-secretase）的切割下，形成可溶性的NICD。随后，可溶性NICD易位至细胞核，与细胞核内CSL（CBF1/Su(H)/LAG-1，CSL）结合，并募集核转录激活蛋白家族MAML，形成三元络合转录激活物（NICD-CSL-MAML），激活转录靶基因，继而影响相关蛋白表达（图3），全通路的蛋白不存在任何的加工修饰，因此信号传递极为迅速[3, 4]。

Notch信号通路抑制剂

目前临床上尚无有效的针对Notch蛋白的抑制剂，主要是因为Notch的亚型较多，且生理功能类似，因此无法完全抑制所有Notch蛋白的功能。Notch信号通路的抑制剂主要包括Notch配体的单克隆抗体、γ-分泌酶抑制剂与Notch转录复合体抑制剂[5]。γ-分泌酶抑制剂是最早发现和最大的一类Notch通路的靶向药物，能阻止Notch受体的切割，使其无法产生可溶性的NICD，从而阻止NICD 向细胞核的转移。γ-分泌酶抑制剂主要包括DAPT、YO-01027、BMS 299897和LY-411575。Notch转录复合体抑制剂主要包括IMR-1（阻止MAML募集到Notch三元复合体）、IMR-1A（IMR-1的代谢物，相对于IMR-1的效力增加）、SAHM1（阻止MAML募集到Notch三元复合体）下表总结了目前正在进行临床研究的Notch通路抑制剂（表1）

当前，Notch通路的主要临床治疗手段是Notch配体的单克隆抗体，尤其是DDL3和DDL4的单克隆抗体，在多种肿瘤治疗中展现出了显著的疗效。然而，在探索其他Notch通路的小分子抑制剂类药物时，我们面临着安全性的挑战。这些药物在临床试验中显示出较为严重的腹泻副作用[6]，这限制了它们的广泛应用。因此，未来仍需投入更多的研究力量，致力于开发出既安全又有效的Notch通路抑制剂类药物，以满足肿瘤患者的治疗需求。

参考文献:

1. Manning BD, Cantley LC. AKT/PKB signaling: navigating downstream. Cell.2007 Jun 29;129(7):1261-74
2. Zanotti S, Canalis E. Notch Signaling and the Skeleton. Endocr Rev. 2016Jun;37(3):223-53.
3. Majumder S, Crabtree JS, Golde TE, Minter LM, Osborne BA, Miele L.Targeting Notch in oncology: the path forward. Nat Rev Drug Discov. 2021Feb;20(2):125-144.
4. Meurette O, Mehlen P. Notch Signaling in the Tumor Microenvironment.Cancer Cell. 2018 Oct 8;34(4):536-548.
5. Luo Z, Shang X, Zhang H, Wang G, Massey PA, Barton SR, Kevil CG, Dong Y.Notch Signaling in Osteogenesis, Osteoclastogenesis, and Angiogenesis. Am JPathol. 2019 Aug;189(8):1495-1500.
6. Notch Inhibitor Shows Modest Efficacy. Cancer Discov. 2017 Feb;7(2).

本文原文来自bilibili