成纤维细胞生长因子信号分子的结构和功能

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通过同源序列PCR法，已经发现了6种新的FGFs基因（FGF10、FGF16、FGF17、FGF18、FGF20、FGF21）4。虽然T7噬菌体cDNA显示法能获得较多的阳性克隆，但不能确认是新发现的FGFs。随着人类基因组结构的解析及其DNA数据库被公开，通过基因检索进而又发现3种新的FGFs基因（FGF19、FGF22、FGF23）5,6，并发现FGF-22mRNA选择性表达于皮肤毛囊的内毛根鞘7。加上在探索视网膜特异性表达基因的过程中所发现的4种新的FGFs基因（即FGF11、FGF12、FGF13和FGF14）1，以及McWhirter等8在探索嵌合体同源结构域癌蛋白（chimerichomeodomainoncoprotEin）E2A-Pbx1下游目标过程中发现的FGF15，迄今共鉴定出23种人或鼠FGFs。但是人FGF15和小鼠FGF19尚未被证实。人FGF19与小鼠FGF15显示很高的同源性（约50%），且这两种基因都跟FGF3、FGF4基因的染色体邻接3，由此推断人FGF19是小鼠FGF15的相同体。由于人与小鼠其他FGFs结构之间的同源性达90%以上，因而除非FGF15和FGF19在进化过程中意外地发生大的变异，否则两者将伴随着进化过程而逐渐消失。2FGFs家族成员和基因定位 在人类的FGFs中，能细分出FGF7、FGF10、FGF22和FGF9、FGF16、FGF20等许多亚科(subfamily)。FGFs亚科与各染色体定位之间无明显的相关性，人类FGFs基因多数散在分布于全基因组中。但也有一些FGFs基因在基因组上形成群落，如FGF3、FGF4和FGF19位于染色体11q13，FGF6、FGF23位于染色体13p13，而FGF17、FGF20则位于染色体8p21-p22相互邻接位置上。由此推断FGFs基因家族是在进化、复制和易位等复杂过程中形成的1。人类FGFs基因的翻译区域多数由3个基因构成相似的外显子(exon)构成。但在FGF1114的翻译区域是由5个外显子构成的3，FGFs基因翻译区域的大小约5100kb。此外，部分FGFs可通过机制不清的选择性剪接（alternativesplicing）形成FGFs亚型。 FGFs可以分为几个亚组，FGF10和FGF7同属于角朊细胞生长因子(KGF)组。除了FGF15外，以22种人类FGFs氨基酸序列的中心区域为基础制成以上进化系统树(FGF15使用小鼠的氨基酸序列)。树中横线显示氨基酸序列偏离程度，箭头所指为人类FGFs在染色体上的位置，(注：人类FGF15基因和FGF16基因位置未确定)。 多数FGFs（FGF38、10、15、1719、2123）的N末端具有典型的信号序列分泌蛋白。然而FGF19、FGF16和FGF20虽然没有明确的信号序列却能高效地分泌到细胞外3。FGF1和FGF2也缺乏信号序列和正常的分泌途径，却能出现在胞外基质，推测两者可能来自受伤的细胞，或者通过与内质网-高尔基体通路不同的细胞脱颗粒机制进行释放。此外，FGF1114没有信号序列，认为这些FGFs被储留在胞内1。 FGFs不仅存在于脊椎动物体内，也存在于无脊椎动物体内。通过基因组的解读，在果蝇和分别找到1种FGF(branchless)1和2种FGFs(egl-17和let-756)9，斑马鱼（zebrafish）有4种FGFs（FGF3、8、17、18），爪蟾（xenopus）则有6种FGFs（FGF（i）、(ii)和FGF3、8、9、20，鸡有7种FGFs（FGF2、4、8、12、14、18、19），然而在和等单细胞生物中未检到FGFs，显示FGFs家族成员在向脊椎动物进化的过程中呈现增加的趋势3。 图1是FGFs家族进化树及其基因定位1,3,6。FGFs可以分为几个亚组，FGF10和FGF7同属于角朊细胞生长因子(KGF)组。除FGF15外，以22种人FGFs氨基酸序列的中心区域为基础制成该进化系统树（FGF15使用小鼠的氨基酸序列）。横线显示氨基酸序列偏离程度。箭头所指为人FGFs在染色体上的位置3,6(注：人FGF15基因和FGF16基因位置未确定)。3FGFs基因敲除(KO)与功能解析 目前已经报告11种FGFsKO小鼠，其表型多种多样（表1）。FGF1和FGF2因广泛表达于胚胎和成体组织器官，并因参与组织器官修复而倍受关注10，但在其基因敲除小鼠身上不是完全正常就是仅有轻微异常。此前曾推测，FGF1和FGF2KO小鼠几乎不发生异常的原因可能与两者结构和生物活性类似、可相互弥补对方的功能缺失有关，然而在FGF1/FGF2双KO小鼠依旧显示轻微的异常11。因此，需继续加强FGF1和FGF2的生理功能的研究。此外，FGF4，FGF8，FGF9和FGF10KO小鼠会导致胚胎死亡或出生即刻死亡。通过这些FGFsKO小鼠的表型的解析，将逐渐明确FGFs作为形态发生因子的重要性3。在所有FGFs中，FGF10是广泛作用于上皮细胞（无论在外胚层上皮还是在内皮层上皮）重要的间质调控因子，在胚胎多种组织或器官发生中起着不可或缺的作用（表2）。FGF10KO小鼠不仅不能形成四肢、肺、甲状腺、胸腺、垂体前叶和下颌下腺，还导致牙齿，肾脏，胰腺等器官的发育不全1。已知FGFR2b的配体有FGF1、FGF7、FGF10，但FGF1和FGF7KO小鼠表型正常或只有轻微异常（表1 ），而FGFR2bKO小鼠12表型与FGF10KO小鼠表型又非常相似（表2），从而推断FGF10是FGFR2b的主要配体，充当上皮-间质相互作用的重要信号，是多种器官发育必需的形态发生因子。4FGFs作用机制及其影响因素 的信号通路：FGFs与存在于细胞表面的FGFRs结合，将信号传递到胞内。FGFRs有4种基因型(FGFR14)，同是一种跨膜蛋白质，主要由3个部分组成：即胞外段、跨膜区和胞内段。胞外段为配体结合区，包括2个或3个免疫球蛋白样功能区。根据FGFRs选择性拼接的差异，目前已知存在7种受体蛋白的亚型结构15。如FGFR1有FGFR1b,1c,2b,2c,3b,3c,47种2，各自均有不同的配体特异性。同样FGFR2也可产生FGFR2-b和FGFR2-c两种受体亚型。FGFR2-b主要在上皮细胞中表达，FGFR2-c主要在间质细胞中表达。间质细胞表达的FGF7和FGF10能特异性地激活FGFR2-b，而FGF2、FGF4、FGF6、FGF8和FGF9则特异性激活FGFR2-c，这种结合的特异性与细胞膜环境和硫酸乙酰肝素有关16。其中，FGF10与FGFR2b有较高的亲和力，是特异性配体。当FGFR2胞外段发生点突变(S252W)时，促使FGF7和FGF10激活FGFR2-c和FGF2、FGF6、FGF9激活FGFR2-b，导致表达这些配体的细胞自分泌信号激活。 与多数生长因子受体一样，FGFRs都是酪氨酸激酶型受体，在与配体结合后发生二聚体化，从而激活酪氨酸激酶，在激活Shc/Frs-Raf/MAPKKK-MAPKK-MAPK通路的基础上，通过大量释放磷脂酶C(PLC)、蛋白激酶C(PKC)、磷脂酰肌醇3-激酶系统(IP3K)和Ca2+，向细胞内传递信号2,17。目前，对细胞内FGF-FGFR系统下游其他信号的传递作用仍所知甚少，有待研究揭示。 胞外基质对FGFs的调节作用：FGFs与肝素和硫酸肝素等酸性多糖结合13。这些酸性多糖不仅能提高FGFs的热稳定性和对蛋白酶解（proteolysis）的抵抗性，也能起到浓集和释放FGFs等作用。最近研究显示，FGFs与酸性多糖结合可提高与FGFRs的亲和力和稳定性。而且，通过结构研究，已经明确了FGFs与FGFRs和酸性多糖的结合部位18。目前已知23种FGFs均分别作用于硫酸乙酰肝素(HSPG)链的不同特异性部位，并通过选择性形成FGFRs-FGFs-HS(硫酸乙酰肝素)复合体以调控生长因子浓度及其信号传递，由此证实酸性多糖是FGFs信号的必需因子。 拮抗剂的调节：属于Wnt、Bmp和Hedgehog家族等分泌性信号分子存在分泌性拮抗剂，通过信号和拮抗剂的双调节（dualregulation）作用精细而巧妙地控制各自的信号系统19。最早被确认的FGFs拮抗剂是来自果蝇的sprouty(spry)。起初曾认为spry是一种分泌性信号，其后的研究证实spry是一种与细胞膜内侧结合的胞内蛋白质，spry通过阻碍Ras信号传递来阻断FGFs信号20。随后，spry也在脊椎动物得到确认。研究显示，spry表达受FGFs信号的诱导，如肢芽形成区域spry过表达将阻碍肢芽形成21。5结语 庞大的FGFs家族成员是对多种细胞显示多样生理和(或)药理作用的多能信号分子2。随着FGFs基因组工程的完成和蛋白组工程（结构、功能和作用机制）的研究深入，作为细胞增殖因子、血管形成因子、神经营养因子、形态发生因子、组织修复-再生因子的FGFs，有望在发育学、生理学和临床药理学方面作出贡献。参考文献:diversityofstructureandfunction.Seikagaku,2001,73(7):525-535.2SzebenyiG,factors.IntRevCytol，1999，185:45-106.3OrnitzDM,.GenomeBiol，2001，2(3):(Review)4OhmachiS,WatanabeY,MikamiT,anovelneurotrophicfactor,preferentiallyexpressedinthesubstantianigraparscompactaofratbrain.BiochemBiophysResCommun,2000,277(2):355-360.5NakatakeY,HoshikawaM,AsakiT,FGF-22,preferentiallyexpressedintheinnerrootsheathofthehairfollicle.BiochimBiophysActa，2001，1517(3):460-463.6YamashitaT,YoshiokaM,factor,FGF-23,preferentiallyexpressedintheventrolateralthalamicnucleusofthebrain.BiochemBiophysResCommun,2000,277(2):494-498.7NakatakeY,HoshikawaM,AsakiT,FGF-22,preferentiallyexpressedintheinnerrootsheathofthehairfollicle.BiochimBiophysActa，2001，1517(3):460-463.8McWhirterJR,GouldingM,WeinerJA,systemisadownstreamtargetofthechimerichomeodomainoncoprotein,1997,124(17):3221-3232.RoubinR,NaertK,PopoviciC,etal.Let-756,.Oncogene,1999，18(48):6741-6747.付小兵,孙同柱,孙晓庆,等.EGF和bFGF在大鼠不同发育阶段肠道定位和表达特征的比较研究.中国危重病急救医学,2001，13(7):407-409.1MillerDL,OrtegaS,BashayanO,factor1(FGF1)doesnotaccountforthemildphenotypicdefectsobservedinFGF2nullmice.MolCellBiol，2000，20(6):2260-2268.1DeMoerloozeL,Spencer-DeneB,RevestJ,bisoformoffibroblastgrowthfactorreceptor2(FGFR2)inmesenchymal-epithelialsignallingduringmouseorganogenesis.Development,2000，127(3):483-492.1OhuchiH,HoriY,YamasakiM,binmousemulti-organdevelopment.BiochemBiophysResCommun,2000，277(3):643-649.1SakaueH,KonishiM,OgawaW,etissue.GenesDev,2002，16(8):908-912.1McKeehanWL,WangF,factorfamily:diversityofstructureandfunction.ProgNucleicAcidResMolBiol，1998，59:135-176.1UematsuF,KanM,WangF,etal.Ligandbindingpropertiesofbinarycomplexeso