一文吃透Notch信號(hào)通路｜從機(jī)制到科研熱點(diǎn)，新手也能快速入門(mén)
在細(xì)胞信號(hào)通路的“大家族"中，有這樣一位“全能調(diào)控者"——它進(jìn)化保守，從果蠅到人類(lèi)都能看到它的身影；它不靠遠(yuǎn)距離信號(hào)傳遞，僅憑相鄰細(xì)胞的“近距離接觸"就能發(fā)揮作用；它掌管著細(xì)胞的生死、分化與增殖，既是胚胎發(fā)育的“總設(shè)計(jì)師"，也是疾病發(fā)生的“關(guān)鍵參與者"，它就是——Notch信號(hào)通路。
不管你是剛接觸科研的新手，還是深耕機(jī)制研究的老手，Notch通路都是繞不開(kāi)的重點(diǎn)方向。今天就用一篇推文，把Notch通路的核心機(jī)制、生物學(xué)功能、疾病關(guān)聯(lián)及科研熱點(diǎn)，一次性講清楚、講透徹，收藏起來(lái)慢慢看！
Notch信號(hào)通路
(Notch signaling pathway)
Notch信號(hào)通路是一類(lèi)進(jìn)化高度保守、依賴(lài)細(xì)胞間直接接觸的信號(hào)傳導(dǎo)系統(tǒng)，核心功能是調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)。它無(wú)需復(fù)雜級(jí)聯(lián)放大，僅通過(guò)相鄰細(xì)胞表面的受體-配體直接結(jié)合，就能快速傳遞信號(hào)，調(diào)控細(xì)胞增殖、分化、凋亡等關(guān)鍵生命活動(dòng)，是胚胎發(fā)育和成體組織穩(wěn)態(tài)維持的核心，也與多種疾病相關(guān)。
Notch信號(hào)通路的成員—
四大“關(guān)鍵成員"缺一不可
Notch通路的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，依賴(lài)四大核心組件的協(xié)同作用，就像一臺(tái)機(jī)器的不同零件，各自承擔(dān)專(zhuān)屬功能，缺一不可：
1. Notch受體：哺乳動(dòng)物中共有4種（Notch1-4），是位于“信號(hào)接收細(xì)胞"表面的單跨膜蛋白，分為胞外域（NECD）、跨膜域（TM）和胞內(nèi)域（NICD）三部分。其中，胞外域負(fù)責(zé)結(jié)合配體，胞內(nèi)域（NICD）是信號(hào)激活的“核心 effector"，包含RAM區(qū)、錨蛋白重復(fù)序列等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，可介導(dǎo)后續(xù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。
2. Notch配體：又稱(chēng)DSL蛋白，位于“信號(hào)發(fā)送細(xì)胞"表面，哺乳動(dòng)物中共有5種，分為兩類(lèi)——Delta樣家族（DLL1、DLL3、DLL4）和Jagged家族（JAG1、JAG2），其胞外的DSL結(jié)構(gòu)域是與Notch受體結(jié)合的關(guān)鍵部位。
3. 轉(zhuǎn)錄因子CSL: 全稱(chēng)是CBF1/Su(H)/Lag1，是通路的“轉(zhuǎn)錄開(kāi)關(guān)"。在沒(méi)有信號(hào)激活時(shí)，CSL會(huì)募集阻遏蛋白，抑制下游靶基因轉(zhuǎn)錄；當(dāng)信號(hào)激活后，CSL會(huì)與NICD結(jié)合，轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)。
4.下游靶基因：最核心的是HES家族（Hes1、Hes5等）和HEY家族轉(zhuǎn)錄因子，它們會(huì)進(jìn)一步抑制分化相關(guān)基因的表達(dá)，維持細(xì)胞未分化狀態(tài)，同時(shí)調(diào)控Myc、p21等基因，參與細(xì)胞增殖與凋亡調(diào)控。
Notch信號(hào)通路的激活和調(diào)控
1. 激活機(jī)制：三步剪切，一步到位
Notch信號(hào)的激活，最大的特點(diǎn)是「無(wú)激酶磷酸化」，全程依賴(lài)三次蛋白酶切，就像“解鎖密碼"一樣，一步都不能錯(cuò)，最終釋放活性分子NICD，啟動(dòng)靶基因轉(zhuǎn)錄：
(1) S1剪切（預(yù)處理）：Notch受體在高爾基體中，被弗林蛋白酶樣轉(zhuǎn)化酶切割，形成胞外域（NECD）和跨膜-胞內(nèi)片段（NTM），二者通過(guò)二硫鍵結(jié)合，形成成熟的異二聚體受體，轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞膜表面，等待配體結(jié)合。
(2) S2剪切（配體結(jié)合后）：信號(hào)發(fā)送細(xì)胞的配體與接收細(xì)胞的Notch受體結(jié)合，誘導(dǎo)受體構(gòu)象改變，使其胞外近膜區(qū)被ADAM金屬蛋白酶（如TACE）在S2位點(diǎn)切割，釋放胞外域（NECD），被配體表達(dá)細(xì)胞內(nèi)吞。
(3) S3剪切（激活關(guān)鍵步）：剩余的跨膜片段，被γ-分泌酶復(fù)合物（含Presenilin等成分）在跨膜區(qū)S3位點(diǎn)切割，釋放出Notch胞內(nèi)域（NICD）——這是通路激活的“核心信號(hào)分子"。
最終，NICD通過(guò)核定位信號(hào)進(jìn)入細(xì)胞核，與轉(zhuǎn)錄因子CSL結(jié)合，并招募MAML等共激活分子，形成NICD-CSL-MAML轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合物，結(jié)合到下游靶基因啟動(dòng)子上，啟動(dòng)HES、HEY等基因轉(zhuǎn)錄，完成信號(hào)傳遞。整個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)潔高效，無(wú)需復(fù)雜的信號(hào)級(jí)聯(lián)，直接實(shí)現(xiàn)“細(xì)胞接觸→信號(hào)激活→基因調(diào)控"的閉環(huán)。
2. 通路調(diào)控：三層核心“剎車(chē)"，維持信號(hào)平衡
(1) 受體層面：糖基化修飾調(diào)控配體結(jié)合效率，泛素化介導(dǎo)受體內(nèi)吞降解，快速終止信號(hào)。
(2) 配體層面：配體可釋放可溶性片段，競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合受體抑制信號(hào)；配體內(nèi)吞調(diào)控信號(hào)強(qiáng)度。
(3) 下游層面：NICD可被泛素化降解，HES家族靶基因通過(guò)負(fù)反饋抑制通路過(guò)度激活。
Notch通路的核心價(jià)值
1. 核心生物學(xué)價(jià)值
Notch通路的核心功能是調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)，其作用貫穿機(jī)體從胚胎發(fā)育到成體穩(wěn)態(tài)的全過(guò)程：
(1) 胚胎發(fā)育調(diào)控：參與神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、骨骼系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等所有組織器官的形成，通過(guò)“側(cè)向抑制"機(jī)制，調(diào)控細(xì)胞分化方向，奠定機(jī)體的組織器官格局。
(2) 成體穩(wěn)態(tài)維持：調(diào)控腸隱窩、表皮、造血系統(tǒng)等多種成體干細(xì)胞的自我更新與分化平衡，維持組織細(xì)胞的動(dòng)態(tài)更新；同時(shí)參與免疫細(xì)胞發(fā)育與活化，維持機(jī)體免疫平衡。
(3) 損傷修復(fù)調(diào)控：在皮膚損傷、肝臟修復(fù)、血管再生等過(guò)程中，調(diào)控細(xì)胞增殖與分化，促進(jìn)損傷組織愈合，避免過(guò)度修復(fù)導(dǎo)致纖維化。
2. 疾病關(guān)聯(lián)與科研熱點(diǎn)
當(dāng)Notch信號(hào)通路的調(diào)控平衡被打破，就會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞命運(yùn)調(diào)控異常，引發(fā)多種疾病，也是當(dāng)前科研和藥物研發(fā)的核心靶點(diǎn)：
(1) 腫瘤領(lǐng)域：超過(guò)50%的T細(xì)胞急性淋巴細(xì)胞白血?。═-ALL）存在Notch1激活突變，導(dǎo)致細(xì)胞無(wú)限增殖；在乳腺癌、三陰性乳腺癌、肺癌、卵巢癌等實(shí)體瘤中，Notch信號(hào)過(guò)度激活，會(huì)促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移和干細(xì)胞特性維持；而在部分皮膚癌、血液病中，Notch信號(hào)失活則發(fā)揮抑癌作用。
(2) 其他疾病：Alagille綜合征（由Jagged1或Notch2基因突變引起，表現(xiàn)為多系統(tǒng)發(fā)育異常）、CADASIL?。ㄓ蒒otch3基因突變引起，導(dǎo)致腦小血管病和癡呆），以及心血管疾病、自身免疫病、肝纖維化等，均與Notch信號(hào)通路異常密切相關(guān)。
Notch信號(hào)通路，以“細(xì)胞接觸依賴(lài)"“三步蛋白酶切"為核心特點(diǎn)，四大成員協(xié)同作用，調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)的方方面面，既是基礎(chǔ)科研的重點(diǎn)，也是臨床轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。