第三节
转化生长因子-β信号通路

一、转化生长因子-β信号通路简介

转化生长因子-β（transforming growth factor，TGF- β）超家族是多功能的多肽类生长因子，已经发现30余种TGF-β家族成员，主要分为TGF-β/Activin/Nodal和BMP（bone morphogenetic protein）/GDF（growth and differentiation factor）/MIS（mullerian inhibiting substance）2个亚家族。TGF-β信号通路对细胞的增殖与分化、细胞外基质的产生、血管的生成、细胞凋亡及机体免疫系统均起着重要的调节作用。

TGF-β的受体定位于细胞膜，人类细胞中有Ⅰ型和Ⅱ型两种。Ⅰ型受体包括ALK1-7，Ⅱ型受体包括TβRⅡ、ActR-Ⅱ、Act R-ⅡB、BMPR-Ⅱ和 AMHR-Ⅱ。Ⅰ型和Ⅱ型受体都含有N-末端细胞外配体结合域，跨膜区和细胞质中丝/苏氨酸激酶功能域。当受体与配体结合后，2个Ⅰ型受体和2个Ⅱ型受体形成4聚体复合物，Ⅱ型受体能磷酸化Ⅰ型受体，从而激活Ⅰ型受体，Ⅰ型受体磷酸化后，活化Smad蛋白，将信号放大并转导至细胞内。

Smad是TGF-β信号通路中关键的调节分子，包含8个成员，分为受体调控的Smad（receptor-regulated，RSmad），协同调节分子Smad4（Co-Smad）和抑制型Smad（inhibitory Smad，I-Smad）。R-Smad又分为由BMPⅠ型受体激活的Smad1、Smad5、Smad8和TGF-βⅠ型受体激活的 Smad2、Smad3。I-Smad 包括 Smad6 和 Smad7。当TGF-β受体与配体结合后，TGF-βⅠ型受体磷酸化RSmad，然后磷酸化R-Smad与Smad4形成多聚体复合物，该复合物转移到细胞核内，直接与基因启动子结合或与细胞特异性转录因子相结合，实现对靶基因表达的调节作用。I-Smad抑制R-Smad的磷酸化，防止R-Smad与Smad4形成复合物抑制TGF-β信号作用。

TGF-β信号通路除了Smad调控的经典通路，还有不依赖Smad激活的其他信号通路，如MAPK、AKT等，使TGF-β的信号通路变得更为复杂。

二、TGF-β信号通路的调控

TGF-β信号通路参与多种细胞活动，在细胞内受到精密的调控，包括配体和受体蛋白水平的调节、Smad磷酸化水平的调节、I-Smad的抑制作用等过程。

TGF-β受体和Smad的磷酸化在TGF-β信号通路中起重要作用。一方面多种磷酸酯酶发挥去磷酸化作用，另一方面I-Smad也在抑制R-Smad的磷酸化。当TGF-β信号激活后，R-Smad被磷酸化并与Smad4形成复合物转移到细胞核中发挥作用，当TGF-β信号终止时，R-Smad需要去磷酸化，从细胞核转移到细胞质中。Smad分子中存在多个结构域可因磷酸化修饰调控其活性。调控Smad磷酸化水平的磷脂酶还受其他信号通路如MAPK等的影响，增加了TGF-β信号通路的复杂性。

Smad还受多种转录后修饰调控，如泛素化、乙酰化等。如细胞内存在的Smurf（Smad ubiquitination-related factor）家族蛋白，包括Smurf1、Smurf2和相关的NEDD4-2。它们调节Ⅰ型TGF-β受体和R-Smad的泛素化和降解作用。Smurf1参与Smad1和Smad5的泛素化降解过程，Smurf2参与Smad1和Smad2的降解。Smurf1和Smurf2还参与TGF-β受体的泛素化和降解过程。Smad7的乙酰化能阻止其泛素化的修饰过程，提高细胞内Smad7的水平，发挥抑制TGF-β信号的作用。相反Smad7去乙酰化降低Smad7的稳定性，增加其泛素化水平。

三、TGF-β信号通路与疾病

TGF-β作为一种多功能的蛋白质家族，在细胞增殖、分化、胚胎发育、血管形成、伤口愈合等过程中发挥作用。TGF-β信号通路与肿瘤等疾病也密切相关。正常上皮细胞中或者肿瘤发生早期阶段，TGF-β信号通路起着抑制肿瘤的作用，但在肿瘤细胞中，TGF-β具有促进肿瘤细胞生长、侵袭和转移的作用。因此，遗传学或者表观遗传学调控的改变可使TGF-β信号通路丧失功能导致肿瘤的发生；但同时又抑制肿瘤细胞在体内的转移。TGF-β信号诱导上皮细胞型细胞，包括肝细胞、胸腺细胞等细胞凋亡，从而抑制细胞增殖。在早期肿瘤细胞中，TGF-β信号通路以自分泌调节方式诱导cdk抑制因子p16、p21和p27等的表达，同时下调Myc、Id1（inhibitors of differentiation）和Id2的表达，发挥抑癌作用。在大部分肿瘤细胞中，由于突变等原因TGF-β丧失了这些功能，失去了抑制肿瘤细胞生长的作用。Smad4基因敲除实验显示，Smad4功能失调与胰腺癌、皮肤癌等的发生关系密切。在多种肿瘤细胞中还发现I-Smad、Smad6和Smad7的表达上升，Smad7的高表达诱导肿瘤的发生。Smad7的高表达抑制Smad2/3-Smad4复合物的形成，从而抑制早期肿瘤细胞中TGF-β信号通路的肿瘤抑制活性。

肿瘤细胞的侵袭和转移需要TGF-β信号通路Smad2的作用和H-Ras的活性，显示TGF-β信号通路在肿瘤发展过程中的作用。RAS信号通路与TGF-β信号通路相关，并且与TGF-β由抑制肿瘤生长转变为促进肿瘤生长密切相关。TGF-β信号与RAS的协同作用表现为：①TGF-β信号磷酸化与RAS信号途径相关；②RAS调控的激酶可以磷酸化Smad蛋白，从而调节Smad在细胞内的分布以及活性；③Smad和RAS依赖的转录因子协同作用调控靶基因的表达。因此TGF-β信号通路的作用是多功能的，取决于细胞的种类及其微环境。同时，TGF-β与Ras-MAPK等信号通路的交互作用也使TGF-β的调控变得非常复杂。

基于TGF-β信号通路在肿瘤发生中的重要作用，调控TGF-β信号通路是设计治疗肿瘤药物重要途径。由于TGF-β信号通路在不同类型细胞，以及肿瘤发生的不同阶段起着不同的作用，同时TGF-β信号通路还与Ras等相互作用，设计药物时需要综合考虑。目前调控TGF-β信号的策略有：TGF-β特异性的反义核酸降解TGF-β；用TGF-β配体的抗体以及可溶性TGF-β受体片段阻断受体与配体的结合；利用小分子抑制TGF-β受体细胞内激酶的活性等。根据这些策略，已有部分药物进行临床试验。TGF-β信号通路见图2-4-3。