Notch信号通路

Notch信号通路广泛存在于脊椎动物和非脊椎动物，在进化上高度保守，通过相邻细胞之间的相互作用调节细胞、组织、器官的分化和发育。

Notch信号通路由Notch受体、Notch配体（DSL蛋白）、CSL （CBF-1，Suppressor of hairless，Lag的合称）DNA结合蛋白、其他的效应物和Notch的调节分子等组成。1917年，Morgan及其同事在突变的果蝇中发现Notch基因，因该基因的部分功能缺失会在果蝇翅膀的边缘造成缺刻（Notch）而得名。哺乳动物有4种Notch受体（Notch1- 4）和5种Notch配体（Delta-like 1, 3, 4，Jagged1和Jagged2）。Notch信号的产生是通过相邻细胞的Notch配体与受体相互作用，Notch蛋白经过三次剪切，由胞内段（NICD）释放入胞质，并进入细胞核与转录因子CSL结合, 形成NICD/CSL转录激活复合体，从而激活HES、HEY、HERP等碱性-螺旋-环-螺旋(basic-helix-loop- helix,bHLH)转录抑制因子家族的靶基因，发挥生物学作用。

20世纪80年代中期，Artavanis-Tsakonas研究小组首次克隆了该基因，并发现其编码一类大的跨膜受体Notch受体。随后的研究发现，Notch广泛表达于从无脊椎动物到脊椎动物等多个物种，各物种在进化上具有高度的保守性。研究表明，相邻细胞可以通过Notch受体与配体的结合传递Notch信号，从而扩大并固化细胞间的分子差异，最终决定细胞命运，影响器官形成和形态发生。Notch信号是相邻细胞之间通讯进而调控细胞发育的重要通路。

Notch基因编码一种膜蛋白受体，由Notch受体、Notch配体（DSL蛋白）及细胞内效应器分子（CSL-DNA结合蛋白）三部分组成。

（1）Notch受体：分别为Notch 1.2.3.4种；其结构：胞外区（NEC）、跨膜区（TM）和胞内区（NICD/ICN）三部分；

<1>胞外区（NEC）:其结构域包含29-36个串联的表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）序列及3个富含半胱氨酸的Lin Notch重复序列（Lin Notch repeats，LNR），它们的主要功能是和配体结合并启动Notch。

<2>跨膜区（TM）：单孔跨膜区在跨膜区甘氨酸-1743和缬氨酸-1744之间有一个裂解位点（S3位点）。经由Presenilin（突变型早老素）蛋白等水解作用，Notch在S3位点发生断裂，生成胞内区ICN和一个短的跨膜片段。

<3>胞内区（NICD）：胞内区域（Notch intraCellular domain，Notch IC）主要包含5个部分：①1个RAM（RBP2J kappa associated molecular）区，可与DNA结合蛋白（C2 promoter binding protein，CBF）结合；②6个锚蛋白重复序列（ankyrin repeats，ANK），是启动Notch的增强子，可介导Notch与其他蛋白质之间的相互作用；③2个核定位信号（nuclear localization signal，NLS）；④1个翻译启动区（translational active domain，TAD）；1个PEST（Proline），P（脯氨酸）；Glutamate，E（谷氨酸）；Serine，S （丝氨酸）；Threonine，T（苏氨酸）的区域，与Notch受体的降解有关。

（2）Notch配体：又被称为DSL蛋白；分别为：Delta like（DLL1，DLL3，DLL4），Jagged1和Jagged 2（目前为止）。是一种含保守分子结构的跨膜蛋白，是Delta/Serrate/Lag2的简称，它包含一个氨基末端，胞外区包含数量不等的EGF-R结构域和DSL结构域（富含半胱氨酸）与Notch受体结合部位。

（3）细胞内效应器分子：CSL DNA结合蛋白（CBFl/Suppresor of Hairless/Lag1）；CSL蛋白: CBF-1（C-promoter binding factor-1）在哺乳动物中叫RBP-JK（recombination signal binding protein-Jk），是转录抑制因子，在Notch信号通路中起关键作用的转录调节因子，它识别并结合特定的DNA序列（GTGGGAA），这个序列位于Notch诱导基因的启动子上。Notch的胞内区（the Intracel|uIar Domain of Notch，ICN）能通过它的RAM和ANK结构域与CBF-1相互作用，使转录激活即ICN的结合置换了SMRT辅阻碍物和与之结合的HDAC酶，从而解除了转录抑制。没有NICD（ICN）存在时，Su(H)/CBFI能通过募集阻遏蛋白SMRT和组蛋白脱乙酰酶（HDAC）抑制基因转录。CSL[CBF-1(C-promoter binding protein-1),Su(H)(Suppressor of Hairless) ,Lag1]，它们是Notch信号在核内活化的转录因子，CBF-1、Su(H)、Lag1是这个蛋白在哺乳动物、果蝇、线虫的不同名称。(CSL= CBF-1/Su(H)/Lag1)。

Notch信号通路活化有两条途径Ⅰ：经典的Notch信号通路又称为CBF-1/RBP-Jκ依赖途径(1) Notch信号传导在活化过程中经3次裂解：第1个裂解点(S1，胞外区1654位精氨酸残基-1655位替氨醢残基之间)于Notch成熟过程中在高尔基内furin样转化酶(furin-like convertase)的作用下发生裂解，产生胞外区(Notch extraCellular domain，NEC)和跨膜片段(Notch transmembrane fragment，NTM)2个亚基，NEC与NTM以二硫键连接在一起，形成异二聚体形式的Notch受体，位于细胞膜表面；第2个裂解点(S2，胞外近膜区1710丙氨酸-1711缬氨酸残基之间)与配体结合后，在金属蛋白酶(Metal Loprotease，ML)/肿瘤坏死因子-a转换酶（TNF-a converting enzyme，TACE）作用下裂解为2个片段，N端裂解产物(胞外区)被配体表达细胞吞噬，而C端裂解产物进一步在跨膜区的第3个裂解点(S3，(1743甘氨酸残基-1744缬氨酸残基之间)经1高分子量多蛋白联合体[其中主要包括r-分泌酶(r-secretase)，突变型早老素(presenilin)和各种的辅因子]所裂解，释放Notch蛋白的活化形式NICD（ICN）。(2) NICD（ICN)进入细胞核，通过RAM域和cdc/ankyrin重复序结合CSL蛋白[CBF1、Su(H)、LAG1]并募集核转录激活蛋白家族MAML (mastermind-like)，形成三元络合转录激活物（NICD-CSL-MAML）后，Notch靶基因转录编码HES(hairy/enhancer of split)和HEY_(Hey—hairy/enhancer--of-split related with YRPW motif family members)等在内的碱性螺旋-环-螺旋（bHLH）家族转录因子,这些转录因子促进下游基因表达，从而促进细胞增殖和抑制细胞分化。（MAML(mastermind-like family members）募集组蛋白乙酰转移酶p300（HDAC），使组蛋白乙酰化，NICD与CSL蛋白的结合使CSL蛋白由转录抑制物转变为转录激活物，激活靶基因的转录。）Ⅱ：CSL非依赖途径：Notch受体的ANK区与细胞内的锌指蛋白Deltex结合，抑制转录因子E47（目前研究较少）。Notch信号转导有三种调节方式:1.胞外水平，一种是通过与Notch的胞外段相互作用，从而影响正常的Notch受体与配体的结合，进而影响信号的传导，如：Fringe、Wingless，Scabrous等。另一种是通过在金属蛋白酶的作用下产生受体和配体的活性片段，影响正常Notch受体和配体的结合，如：Kuzbanian、Fhrin等。2.胞内水平，调节分子仍然主要是通过蛋白水解和相互作用这两种方式来进行调节的。主要为：Presenilins蛋白酶；Deltex是一个含有zinc finger结构域的蛋白，是Notch信号途径的负性调节物；numb是膜相关蛋白。3.胞核水平：如果蝇的核内蛋白Mastermind和Groucho，它们可调控由Notch激活引起基因表达。已证明Mastermind是通过结合在染色质的特定结构上，上调或下调基因的表达。Groucho是一个非bHLH蛋白，它可以与DNA结合蛋白bHLH、E(sp1)/HES相互作用，协同抑制转录。研究证明，Groucho可与染色质上的组蛋白H3结合使转录停止。

参考文献

[1]Weng AP,Ferrando AA,Lee W,et al.Activating mutations of Notch1 in human T cell acute lymphoblastic leukemia[J].Science,2004,306(5694):269-271.

[2]Radtke F,Schweisguth F,Pear W.The Notch‘gospel’[J].EMBO Rep,2005,6(12):1120-1125．

[3]De Strooper B,Annaert W,Cupers P. A presenilin-1-dependent r-secretase-like protease mediates release of Notch intraCellular domain.Nature,1999,398(6727):518-522.

[4]Iso T,Kedes L,Hamamori Y.HES and HERP families:multiple effectors of the Notch signaling pathway.J Cell Physiol,2003,194(3):237-255．