第二节 Notch信号通路
一、Notch 信号通路简介
Notch信号通路在脊椎动物和无脊椎动物中广泛存在，在进化上高度保守，通过相邻细胞之间相互作用调节细胞、组织、器官的分化和发育。Notch信号通路由Notch受体、Delta/Serrate/Lag2（DSL 蛋白，又称 Notch 配体）、CBF-1/Suppressor of hairless/Lag（CSL）DNA 结合蛋白、细胞内其他效应分子和Notch调节分子等组成。
Notch受体（Notch 1-4）主要分布于干细胞或祖细胞表面，在T细胞、B细胞、巨噬细胞和树突状细胞等免疫细胞表面也有表达。到目前为止，已发现5种Notch配体（Delta-like 1、Delta-like 3、Delta-like 4和Jagged 1、Jagged2），它们主要表达于树突状细胞、巨噬细胞等抗原提呈细胞和血管内皮细胞表面。经典Notch通路的活化依赖于受体的两次剪切修饰。当相邻细胞的Notch配体胞外区与受体胞外区相互结合后，Notch受体先被ADAM（a disintegrin and metalloproteinase）金属蛋白酶家族的Kuz（又称ADAM10）或者ADAM17［又称肿瘤坏死因子 -α转换酶（TNF-α converting enzyme，TACE）］切割，然后被γ-分泌酶（γ-secretase）复合物［主要包括突变型早老素（presenilin）、Nicastrin、APH-1、PEN-2等］所裂解，释放具有核定位信号的Notch胞内段（the active Notch intracellular domain，NICD）进入细胞核与转录因子CSL结合。CSL在哺乳动物中叫RBP-Jκ（recombination signal binding protein-Jκ），它识别并结合于Notch靶基因启动子上特定的DNA序列（GTGGGAA），并抑制基因转录。当结合NICD时，RBP-Jκ能同时募集核转录激活蛋白家族MAML（mastermind-like）成员MAML1，形成三元转录激活物（NICD-RBP-Jκ-MAML1），从而激活 HES、HEY、HERP 等与分化相关的基因，以及NF-κB、Cyclin D1、c-myc等其他基因的转录，进而发挥生物学功能（图 7-2）。
二、Notch 信号通路在干细胞中的作用
Notch信号通路对多种组织的干细胞具有重要的调节作用，如哺乳类动物的造血系统，肠道和皮肤以及果蝇的肠道和线虫的生殖系统干细胞等。研究表明，Notch信号通路在组织的自我更新中发挥着主要功能，如维持干细胞的干性、影响细胞分化的方向、诱导终末分化的进程等。Notch信号通路对于维持哺乳动物肠道隐窝内未分化的干细胞和祖细胞的状态具有重要作用。有研究认为，肠道干细胞分化为吸收肠上皮还是分泌型肠上皮，可能是通过诱导Hes-1的表达来控制这种干细胞的分化命运。另一项针对果蝇的研究表明，在成年果蝇的中肠内有两种肠道干细胞，细胞质中富含Delta的囊泡的这类肠道干细胞能够激活周围子代细胞中的Notch信号通路并下调子代细胞中Delta的水平，使这类子代细胞分化成为肠上皮细胞；细胞质中无Delta的囊泡存在的肠道干细胞，它们周围的子代细胞Notch信号通路被抑制，这类子代细胞则分化成肠内分泌细胞。因此，肠道干细胞通过调节Notch信号通路来控制子代细胞的分化。
三、Notch信号通路在肿瘤中的异常
Notch信号通路在多种血液系统肿瘤和实体瘤中表现异常，但是Notch信号通路在肿瘤中的作用尚未明确。根据Notch所表达的组织和器官的位置不同，Notch信号通路表现出原癌基因或者抑癌基因的特性。在子宫颈、肺、结肠、头颈和肾脏肿瘤以及急性髓性白血病、霍奇金淋巴瘤和大细胞淋巴瘤中都能发现Notch受体及其配体的表达上调，Notch信号通路表现出致癌能力。然而在另一群肿瘤如人类的肝细胞癌、皮肤癌、小细胞肺癌以及神经内分泌肿瘤中，Notch信号通路则表现出抑制增殖的能力。
多种因素可以导致肿瘤中Notch信号通路的异常。例如染色体易位［t（7，9）］导致NICD的持续表达，Notch 1功能获得性突变，Notch 3基因扩增以及Notch的拮抗蛋白Numb的低表达等。
四、Notch信号通路与肿瘤干细胞
关于Notch信号通路在肿瘤干细胞中作用的研究目前尚处于起步阶段，到目前为止仅在脑部肿瘤和乳腺癌的研究中证明了Notch信号通路在肿瘤干细胞中的作用。
有研究表明，Notch信号通路参与人类胶质细胞瘤中肿瘤干细胞样细胞群的形成过程。在正常生理过程中，Notch信号通路能促进神经元干细胞的自我更新，抑制其分化成神经元和神经胶质前体细胞，因此Notch信号通路对神经元干细胞的干性维持非常关键。近年的研究表明，Notch信号在胶质细胞瘤中不仅能抑制Nestin（Nestin是神经干细胞的特异性标志物）降解，而且能促进Nestin的表达，并与K-ras协同维持细胞的增殖，促进肿瘤在室管膜下层的扩散。
在添加生长因子的培养基中，过表达NICD能增加SHG-44胶质瘤细胞神经元干细胞样特性的神经球克隆形成。这些神经球克隆Nestin表达呈阳性，可被诱导成表达不同特异性分化标记的细胞类型，如神经元、星形胶质细胞或者少突胶质细胞，这提示Notch信号通路在人类胶质瘤的肿瘤干细胞形成过程中可能具有某种潜在的作用。另有研究表明，用γ-分泌酶的抑制剂GSI-18抑制Notch信号通路后，胶质细胞瘤的CD133+的干细胞样亚群数量降低约80%，同时体外移植瘤的形成也被抑制。GSI-18处理后Nestin阳性细胞的凋亡水平是Nestin阴性细胞的10倍。该结果在成神经管细胞瘤CD133+干细胞样亚群的研究中也得到证实。
Notch信号通路在正常的人类乳腺干细胞/前体细胞中的作用已经被广泛研究。Notch的激活能够刺激体外培养的人类乳腺干细胞形成更多微球体。在乳腺癌中Notch 1/Jagged-1和2型表皮生长因子（HER2）高表达常提示与不良预后相关，而Notch能够激活乳腺癌细胞系中具有干细胞样表型的细胞表达HER2，并且HER2的活性对于维持乳腺癌细胞的生存和自我更新非常必要。另外，高水平的Notch 1胞内结构域与乳腺导管原位癌患者的生存期缩短也具有密切关系。用γ-分泌酶抑制剂DAPT抑制Notch或者使用Notch 4的中和抗体都能够降低乳腺导管原位癌细胞的微球体形成能力。也有研究表明重组的人红细胞生成素依赖Notch促进乳腺癌干细胞的生存和自我更新能力。IL-6信号通路可能也是通过依赖于Notch 3的活性来维持正常乳腺干细胞和乳腺癌干细胞的自我更新。
除了脑部肿瘤和乳腺癌之外，急性髓性白血病中CD34+/CD38+的肿瘤干细胞的生存和自我更新过中，也发现有Notch信号通路参与。该细胞亚群在DAPT存在条件下克隆形成能力减弱。目前，Notch信号通路在调节结肠癌肿瘤干细胞方面的作用尚不明确，已有研究发现Notch信号通路的组分大量地定位于结肠隐窝的基底部，而隐窝干细胞标记分子之一的musashi-1同时也是Notch信号通路的一个很重要的正向调节分子。另外，激活Notch信号通路能够引起干细胞调节分子Bmi-1的活化。这些研究都提示Notch信号通路也有可能参与结肠癌肿瘤干细胞的形成。
五、Notch信号通路作为潜在的肿瘤治疗靶点
由于Notch信号通路在维持肿瘤干细胞功能中的作用，Notch信号通路被认为是治疗肿瘤的一个潜在靶点。目前针对Notch通路的药物研究主要针对受体的活化部分。抑制γ-分泌酶所介导的Notch的裂解是研究靶向Notch的治疗策略中的主要目标。目前已经有两种针对γ-分泌酶的小分子抑制剂［γ-secretase inhibitor，GSI（RO4929097〔Roche〕和 MK0752〔Merck〕］处在一期临床试验阶段。但是由于GSI并非针对单一的γ-分泌酶，因此特异性较差而且副作用尚不明确。然而有研究表明，GSI可能对雌激素受体阴性和三阴性乳腺癌具有较好的治疗作用。DLL4是一种参与血管生成的Notch配体，DLL-4的抗体目前也处于一期临床，但是这种药物在抑制Notch的同时可能会提高血管瘤发生的风险。除此之外，一种新型的抑制剂（dominant-MAML1，DN-MAML1）靶向Notch通路的核内MAML1-CSL-NICD转录复合物，这种药物目前仍处于临床前研究。