Notch信號通路

Notch信號通路是大多數多細胞生物體中存在的高度保守的細胞信號轉導系統。^[1]哺乳動物具有四種不同的notch受體，分別稱為NOTCH1, NOTCH2, NOTCH3, NOTCH4。Notch受體是單跨膜的受體蛋白。它是由大的胞外部分構成的異源寡聚體，通過鈣依賴性的非共價作用與包含有短的胞外結構域，一個跨膜區域和一小段膜內結構域的notch蛋白相互作用。^[2]

Notch介導的相鄰細胞間的鄰分泌信號。

Notch信號轉導步驟。

Notch信號通路提升了神經增殖過程中的增殖信號，而其活性被Numb所抑制，以促進神經分化。他在胚胎發育中起到重要的調控作用。

Notch信號通路在很多癌症中表現出調節異常，且其信號傳導缺陷與多種疾病有關，包括T細胞急性淋巴細胞白血病（T-ALL）^[3]、伴有皮質下梗死和白質腦病的常染色體顯性遺傳性腦動脈病（CADASIL）、多發性硬化症、法洛四聯症以及阿拉吉爾症候群。在培養細胞和通過小鼠模型的研究中發現抑制 Notch 信號能夠抑制 T細胞急性淋巴細胞白血病的增殖^[4][5]。

發現

1914年， 約翰·S·德克斯特（John S. Dexter）注意到果蠅（Drosophila melanogaster）的翅膀上有缺口出現。 該基因的等位基因在1917年由托馬斯·亨特·摩爾根（Thomas Hunt Morgan）確定。^[6][7]其分子層面上的分析和測序由Spyros Artavanis-Tsakonas和麥可·揚（Michael Warren Young）在20世紀80年代獨立進行。^[8][9] 根據發育表型鑑定了兩個線蟲（C.elegans）中Notch基因的等位基因： lin-12^[10] 和 glp-1.^[11][12]果蠅lin-12的克隆與部分序列同時由Iva Greenwald報道。^[13]

作用機制

Notch蛋白橫穿過細胞膜，部分在細胞內而部分在細胞外。配體蛋白結合到胞外域後誘導蛋白切斷並釋放胞內域，胞內域進而進入細胞膜並調控基因表達。^[14]

剪切模型最初在1993年基於在果蠅Notch 和線蟲lin-12上的研究而提出。^[15][16]對於這一模型，令人信服的證據來自於1998年在果蠅上的活體分析^[17]以及細胞培養。.^[18] 儘管這個模型在最初引來爭議，^[1]無可辯駁的證據在2011年被提供。^[19][20]

受體通常被直接的細胞-細胞接觸所觸發。Notch能夠使得細胞自我組織-一旦一個細胞表現出一定特性，這一特性可能會通過notch通路被相鄰的細胞消除。從而，一群細胞通過相互影響形成一個大結構。由此可見，水平抑制機理對於Notch通路是很關鍵的。 lin-12 和Notch 介導雙細胞的命運決定, 同時水平抑制也包括了放大初始差異的負反饋機制。^[19]

Notch 級聯包括了Notch和Notch配體以及細胞內把Notch信號轉導到細胞核內的蛋白。Notch/Lin-12/Glp-1 受體家族^[21] 被發現在果蠅和線蟲的細胞命運特化中起作用。^[22]

Notch的細胞內結構域與CBF1和Mastermind形成複合物，以激活靶基因的轉錄。複合體的結構已經確定。

途徑

在高爾基體複合體的細胞內運輸過程中，切跡受體的成熟涉及預期細胞外側的裂解。這導致了一種二分蛋白，由一個大的細胞外結構域組成，該結構域與較小的跨膜和細胞內結構域相連。配體的結合促進了兩個蛋白水解加工事件;由於蛋白水解，細胞內結構域被釋放並可以進入細胞核以與其他 DNA 結合蛋白結合併調節基因表達。

Notch及其大部分配體是跨膜蛋白，因此表達配體的細胞通常必須與表達Notch的細胞相鄰才能發生信號傳導。Notch 配體也是單通道跨膜蛋白，是 DSL（Delta/Serrate/LAG-2）蛋白家族的成員。在果蠅（果蠅）中，有兩種配體，名為 Delta 和 Serrate。在哺乳動物中，相應的名稱是類似三角洲和鋸齒狀的。在哺乳動物中，有多個 Delta 樣和鋸齒狀配體，以及可能的各種其他配體，例如 F3/接觸蛋白。

在線蟲秀麗隱杆線蟲中，兩個基因編碼同源蛋白 glp-1 和 lin-12。至少有一份報告表明，一些細胞可以發出允許信號傳導的過程，這些信號傳導發生在相距四到五個細胞直徑的細胞之間。

切跡細胞外結構域主要由稱為EGF樣重複序列的富含胱氨酸的小基序組成。

例如，缺口 1 有 36 個這樣的重複。每個 EGF 樣重複序列由大約 40 個胺基酸組成，其結構主要由六個保守的半胱氨酸殘基定義，這些半胱氨酸殘基形成三個保守的二硫鍵。每個EGF樣重複序列都可以被特定位點的O-連接聚糖修飾。[30] 可以在第一和第二保守的半胱氨酸之間添加 O-葡萄糖糖，並且可以在第二和第三保守的半胱氨酸之間添加 O-岩藻糖。這些糖分別由尚未鑑定的 O-葡萄糖基轉移酶（Rumi 除外）和 GDP-岩藻糖蛋白 O-岩藻糖基轉移酶 1 （POFUT1） 添加。POFUT1 添加 O-岩藻糖對於缺口功能是絕對必要的，並且，如果沒有添加 O-岩藻糖的酶，所有缺口蛋白都無法正常發揮作用。到目前為止，缺口糖基化影響功能的方式尚不完全清楚。

通過木糖基轉移酶添加兩個木糖糖，切口上的O-葡萄糖可以進一步拉長為三糖，而O-岩藻糖可以通過N-乙醯氨基葡萄糖（GlcNAc）糖的有序添加（稱為Fringe）的N-乙醯氨基葡萄糖（GlcNAc）糖，通過半乳糖基轉移酶添加半乳糖，以及添加唾液酸通過唾液酸轉移酶。

為了增加另一個層次的複雜性，在哺乳動物中，有三種邊緣 GlcNAc 轉移酶，分別稱為瘋子邊緣、躁狂邊緣和自由基邊緣。這些酶負責對陷波信號傳導產生所謂的「邊緣效應」。如果 Fringe 在 O-岩藻糖中添加 GlcNAc，則隨後會添加半乳糖和唾液酸。在這種四糖存在下，Notch 在與 Delta 配體相互作用時發出強烈的信號，但在與鋸齒狀配體相互作用時顯著抑制信號傳導。這種糖的添加抑制通過一種配體的信號傳導，並通過另一種配體增強信號傳導的方法尚不清楚。

一旦切跡細胞外結構域與配體相互作用，一種稱為 ADAM10 的 ADAM 家族金屬蛋白酶就會在膜外切割切跡蛋白。這釋放了切口的細胞外部分 （NECD），它繼續與配體相互作用。然後，配體加上切跡細胞外結構域被配體表達細胞內吞。內吞作用後，配體表達細胞中可能存在信號傳導效應;Notch信號轉導的這一部分是一個積極研究的主題。[需要引證]在第一次切割之後，一種叫做γ-分泌酶（與阿爾茨海默病有關）的酶切割出表達切跡細胞細胞膜內小葉內的切跡蛋白的剩餘部分。這釋放了缺口蛋白 （NICD） 的細胞內結構域，然後移動到細胞核，在那裡它可以通過激活轉錄因子 CSL 來調節基因表達。最初認為這些CSL蛋白抑制Notch靶標轉錄。然而，進一步的研究表明，當細胞內結構域與複合物結合時，它會從抑制因子轉變為轉錄激活因子。其他蛋白質也參與缺口信號級聯的細胞內部分。

配體相互作用

當細胞表面的Notch受體與相反細胞上反式呈遞的配體結合時，Notch信號轉導啟動。儘管Notch胞外結構域的大小很大，但已經證明EGF結構域11和12是與Delta相互作用的關鍵決定因素。其他研究表明 Notch EGF11-12 以外的區域與配體結合有關。例如，Notch EGF 結構域 8 在選擇性識別鋸齒狀/鋸齒狀中發揮作用，而 EGF 結構域 6-15 是配體刺激時最大信號傳導所必需的。Notch1 和 Delta-like 4 （Dll4） 相互作用區域的晶體結構提供了 Notch-配體相互作用的分子水平可視化，並揭示了配體的 N 端 MNNL（或 C2）和 DSL 結構域分別與 Notch EGF 結構域 12 和 11 結合。Notch1-Dll4 結構還闡明了 Notch O 連接岩藻糖和葡萄糖部分在配體識別中的直接作用，併合理化了聚糖介導的 Notch 信號轉導調諧的結構機制。

合成Notch信號轉導

通過將細胞外受體和細胞內轉錄結構域替換為其他選擇的結構域，可以設計合成Notch受體。這使研究人員能夠選擇檢測哪些配體，以及哪些基因在響應中上調。使用這項技術，細胞可以報告或改變其行為，以響應與用戶指定信號的接觸，從而促進細胞-細胞信號轉導的基礎和應用研究的新途徑。值得注意的是，該系統允許將多個合成途徑並行設計到一個細胞中。

在中樞神經系統發育和功能中的作用

關於 Notch 信號在中樞神經系統 (CNS) 發育中作用的早期發現，主要來自果蠅的誘變實驗。例如，研究發現果蠅的胚胎致死表型與 Notch 功能障礙有關^[23]，這表明 Notch 突變會導致早期果蠅胚胎中神經細胞與表皮細胞的分離失敗 (Segregation failure)。在過去十年中，突變和基因敲除技術的進步使得在哺乳動物模型（尤其是齧齒類動物）中研究 Notch 信號通路成為可能。

Notch 信號通路被發現主要對神經祖細胞 (NPC) 的維持和自我更新 (Self-renewal) 至關重要。近年來，Notch 通路的其他功能也被發現，包括膠質細胞特化 (Glial cell specification)^[24][25]、神經突發育 (Neurites development)^[26] 以及學習和記憶功能^[27]。

神經細胞分化

Notch 通路對於維持發育中大腦里的神經祖細胞 (NPCs) 至關重要。激活該通路足以將 NPCs 維持在增殖狀態，而該通路關鍵組分的功能缺失性突變 (Loss-of-function mutations) 則會導致早熟的神經元分化 (Precocious neuronal differentiation) 和 NPC 耗竭^[28]。Notch 信號的調節因子，如 Numb蛋白，能夠拮抗 Notch 的效應，導致細胞周期停滯並促使 NPCs 分化^[29][30]。與之相反的，成纖維細胞生長因子 (FGF) 通路則通過促進 Notch 信號來維持大腦皮層幹細胞處於增殖狀態，這一機制調節了皮層表面積的增長，並可能涉及腦回形成 (Gyrification) 的調控^[31][32]。通過這種方式，Notch 信號控制了 NPC 的自我更新以及細胞命運特化 (Cell fate specification)。

Notch 信號通路的一個非經典分支 (Non-canonical branch) 涉及 STAT3 在 727 位胺基酸絲氨酸殘基上的磷酸化，隨後引起 Hes3 表達增加（STAT3-Ser/Hes3 信號軸）。該機制已被證實能調節培養環境中及成年齧齒類動物大腦中 NPCs 的數量^[33]。

在成年齧齒動物和細胞培養中，Notch3 促進神經元分化，其作用與 Notch1/2 相反^[34]。這表明不同的 Notch 受體可能具有發散的功能 (Divergent functions)，具體取決於細胞語境 (Cellular context)。

Notch抑制劑

Notch 信號在多種癌症中的參與引發了對 Notch 抑制劑（特別是γ-分泌酶抑制劑）作為癌症治療手段的研究，這些藥物正處於不同的臨床試驗階段^[35][36]。截至 2013年，至少有7種 Notch 抑制劑處於臨床試驗中^[37]。MK-0752在乳腺癌的早期臨床試驗中取得了可喜的結果^[38]。臨床前研究顯示，γ-分泌酶抑制劑在子宮內膜異位症 (Endometriosis) 中具有有益效果^[39]，該疾病的特徵是 Notch 通路成分的表達增加^[40][41]。

數學建模

Notch-Delta信號轉導的數學建模已成為理解細胞間相互作用驅動的模式形成的關鍵工具，特別是在橫向抑制機制的背景下。Collier模型是該領域的基石，它採用耦合常微分方程組來描述相鄰細胞之間的反饋迴路。該模型由以下公式定義：$${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {d}{dt}}n_{i}&=f(\langle d_{i}\rangle )-n_{i}\\{\frac {d}{dt}}d_{i}&=\nu (g(n_{i})-d_{i})\end{aligned}}}$$

${\displaystyle n_{i}}$ 和 ${\displaystyle d_{i}}$ 表示細胞中Notch和Delta活性的水平，函數 ${\displaystyle f}$ 和 ${\displaystyle g}$ 是典型的希爾函數。反映了信號轉導過程中的動態調控。${\displaystyle \langle d_{i}\rangle }$ 表示與細胞相鄰的細胞的Delta平均活性水平。

該模型的最新擴展包含長程信號傳導，承認到達非鄰近細胞的細胞突起（如絲狀偽足（細胞細胞）的作用。該模型有助於探索模式形成的魯棒性（穩健性）和生物模式細化，同時考慮絲狀偽足動力學和固有噪聲的隨機性。數學建模在Notch-Delta信號轉導中的應用在理解果蠅的切口和翅膀邊緣中感覺器官前體（SOP）的模式化方面特別有啟發性。

因此，Notch-Delta信號轉導的數學建模為生物系統中的橫向抑制機制和模式形成提供了重要的見解。它增強了對細胞間相互作用變化的理解，這些變化導致不同的組織結構，有助於發育生物學，並為與Notch-Delta失調相關的疾病提供潛在的治療途徑。

外部連結

• 示意圖： notch signaling pathway in Homo sapiens（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
• 示意圖：Notch signaling in Drosophila（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）