TGF-β信号传导通路及其生物学功能 - 图文

TβR-II的共同存在和作用。还有一种方式是协同式，即TβR-I和TβR-II以协同方式与配体相互作用，没有先后次序关系，当两型受体同时在细胞内表达并呈现在细胞膜上时，它们与配体的亲和力最强[3]。 4 Smads

Smads蛋白是TβR-I的直接作用底物，是将配体与受体作用的信号从胞浆传递到细胞核内的中介分子，活化的Smads进入核内后共同激活或者抑制它们调节的靶基因的转录。目前研究已发现，Smads家族是由多种细胞因子组成，从结构和功能上主要可以分为3个亚族：受体调节的Smads（receptor-regulated Smads，R-Smads）、共同通路型Smads（common-partner Smads，Co-Smads）和抑制性Smads（inhibitory Smads，I-Smads）（图2）[9]。R-Smads包含Smad 1/2/3/5/8五个成员，它们的羧基端含有SSXS结构，是路径特异性的。R-Smads作为TβR-I激酶的底物被磷酸化后与Co-Smads结合形成复合物，再进入核内调节特定基因的表达；其中Smad 1/5/8主要被BMPR磷酸化激活，介导BMP的生物效应，Smad 2/3被TβR磷酸化激活，介导TGF-β/Activin/Nodal的效应。Co-Smads包括Smad 4和Meden，其为TGF-β/Activin/Nodal和BMP /GDF/MIS信号通路所共享；Smad 4羧基端不含SSXS结构，不能被磷酸化，所以并不特异性介导信号传导，只有当R-Smad被磷酸化后才能与之结合。有研究表明，Smad 4蛋白在TGF-β诱导的基因表达调控和随后的生长抑制中是必不可少的关键转录因子[10-12]。I-Smads主要包括Smad 6/7，可直接与激活的TβR-I结合，阻断受体激活R-Smad，对R-Smads和Co-Smads介导的基因表达发挥调节或抑制作用[13]。

图2 Smads家族及其物理结构图[9]

Figure 2 The Smads families and their physical structure map [9]

所有的Smads蛋白都可以分为3个结构域：MH1区、MH2区（即mad-homology domain，mad同源区）和L区（图2）[9]。MH1区为高度保守的氨基末端，约含130个氨基酸残基，可与DNA结合，在基态时，MH1区自动抑制MH2区，维持在非激活状态。MH2区是高度保守的羧基末端，约含200个氨基酸残基，含有受体激酶作用位点。Smad 1和Smad 2需要Smad 4的MH2区存在才能激活转录；对于拮抗性的Smads，MH2区也是必需的。MH1区和MH2区被中间的L区（即连接区）分开，L区在长度和序列上都是可变的，富含脯氨酸。Smad 4的L区对于其结合其它Smads是必不可少的。Smads本身缺乏酶的活性，自己不能激活转录，在信号传导过程中无放大作用。Smad被认为是与其他的转录因子形成功能转录复合物触发目标基因转录启动，依赖于启动子和细胞类型这些转录复合物被其他的信号转导耦联调控。 5 核内效应分子

TGF-βs超家族成员通过与受体丝氨酸/苏氨酸激酶结合激活细胞活性。TGF-βs信号通路的生物学效应的多样性是由其信号传导通路中存在有大量的协同效应分子所决定的，该信号通路的激活可以对数百基因的表达产生或正或负的影响[14]。目前已报道的其下游协同效应分子主要包括四大类：①细胞增殖周期相关因子（Cyclins、CDKs和CDIs等）；②转录因子类（c-myc、RB，c-fos、c-jun、myb和E2F等）；③凋亡相关因子（Bcl-2、Bax等）；④组织间质成分等（牛秀珑 等，2004）。由于Smads本身与DNA结合的特异性不高，所以它们必须互相协作、以及与上述DNA结合蛋白协同激活下游转录因子，在所有细胞中诱发相同的应答，或者在不同细胞中诱发细胞特异性的应答[13]。 6 TGF-β/Activin/Nodal信号通路介导的生物学功能

TGF-β/Activin/Nodal信号通路在生殖细胞与胚胎发育、组织炎症和修复以及免疫细胞的发育、分化和参与免疫应答等方面发挥重要的作用。

6.1 在生殖与胚胎发育中的作用 目前研究已知，TGF-β在哺乳动物的生殖与胚胎发育过程中是一个重要的因子，其在生殖细胞的增殖与分化、胚胎形成中发挥重要作用。在正常情况下，可发现胚胎组织中有高水平的TGF-β表达，尤其是在鄂部和心脏的室间隔等器官的重要部位。体外研究表明，TGF-β1和TGF-β3在胚胎腭发生早期表达于腭上皮中；TGF-β2在水平期和融合后早期表达于腭胚

中嵴上皮下的间充质中，抑制细胞增殖，其水平在腭突发生过程中显著下降，若TGF-β2的下降被人为注射可的松延迟1天，则抑制了间充质细胞的增殖和腭生长，可导致腭裂。TGF-β3可诱导产生硫酸软骨素，介导腭突粘连，TGF-β3缺陷型小鼠由于两侧胚腭粘着但不能融合、上皮中缝不能溶解，从而表现出腭裂畸形；加入重组TGF-β3之后，可以改善TGF-β3缺陷型小鼠的腭裂畸形；而加入TGF-β1或者TGF-β2后，腭突仅接近正常融合；加入Activin/Inhibin对未融合的腭突则没有影响[15]。因此，TGF-β亚型在哺乳动物的腭发生中作为内源性调节因子发挥重要的作用。

Freitas TC等通过原位杂交检测发现，血吸虫复性尾蚴感染的小鼠，其体内曼氏血吸虫雌虫的生殖系统高表达TGF-β/Activin类配体分子（Schistosoma mansoni inhibin/Activin，SmInAct）；利用 RNA干扰（RNA interference，RNAi）技术抑制合抱虫体内的SmInAct 基因表达后，雌虫体内虫卵的发育被阻断。上述研究表明，SmInAct与曼氏血吸虫的生殖生理密切相关，其在雌虫生殖细胞的发育以及虫卵的胚胎发育过程中起着关键作用[16]。

6.2 在炎症和组织修复中的作用 研究表明，TGF-β是调节组织炎症和修复的重要细胞因子。以经典的组织修复的例子——皮肤伤口的愈合为例，伤口愈合是一个复杂生物学活动调节的结果，从血小板引起的止血开始，然后炎性细胞、成纤维细胞迁移到损伤部位，新的细胞外基质（Extracellular Cell Matrix，ECM）和血管生成形成肉芽组织，细胞增殖并重新构建组织，TGF-β1在这一系列过程中发挥了重要作用。血小板释放其富含的TGF-β1和血小板源性生长因子（Platelet-derived Growth Factor，PDGF）进入损伤部位；同时，与局部ECM结合的TGF-β1前体在组织损伤后也被激活。在TGF-β1的强烈趋化作用下，中性粒细胞、单核细胞、成纤维细胞以及T细胞等纷纷向损伤部位迁移，遇到高浓度的TGF-β1后被激活，活化的单核细胞分泌TGF-β、IL-1和TNF等细胞因子，成纤维细胞则增加ECM的合成与分泌。TGF-β1诱导浸润细胞和常居细胞合成分泌更多的TGF-β1，从而放大TGF-β1的生物学效应。大鼠实验证明，局部或者静脉适量给予TGF-β1可促进因年老或者糖皮质激素影响而难以愈合的伤口正常愈合[17]。

组织纤维化是各种原因导致的组织慢性损伤后组织修复过度的一种病理结局。虽然TGF-β在正常的组织损伤后修复中起着非常重要的作用，但是TGF-β1

过多或者合成与降解失衡则会导致组织发生纤维化。动物实验表明，人为地连续给大鼠注射TGF-β1可使其多数器官（如肝、肾等）以及注射局部发生严重的组织纤维化。组织慢性损伤或者反复损伤可引起TGF-β1持续合成释放并自我诱生，从而使ECM进行性沉积，最后发展为组织纤维化和瘢痕的形成[18, 19]。 6.3 在免疫细胞功能及免疫应答中的调节作用 研究表明，TGF-β超家族细胞因子在免疫调节方面也发挥着重要的功能。在3个TGF-βs家族成员（TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3）中，TGF-β1是表达于各种免疫细胞如淋巴细胞、巨噬细胞、树突状细胞等的主要形式，其通过自分泌或旁分泌的形式调节这些细胞的增殖、分化和活化；TGF-β还可调节粘附分子的表达，进而调节粒细胞以及其他参与炎性反应的细胞的趋化作用。TGF-β的合成与激活被认为与恶性肿瘤发生和自身免疫紊乱等免疫缺陷疾病、对机会性感染易感以及慢性炎症疾病引起的纤维化并发症等有关。

Kehrl JH等学者于1986年首次发现TGF-β参与调节免疫细胞的功能——T淋巴细胞能够产生TGF-β，并且TGF-β参与了调节T 淋巴细胞的生长过程[20]。后来的研究进一步确认产生TGF-β1的是CD4+ T细胞的一个亚群——Th3细胞，由Th3细胞产生的TGF-β1作用于Th1和Th2细胞抑制它们的分化，并辅助B淋巴细胞产生IgA抗体。1990s年代，对TGF-β1?/?（TGF-β1基因敲除）小鼠的研究发现，TGF-β1的缺失导致了小鼠胸腺和外周的T淋巴细胞的同时凋亡，同时发生以多器官出现炎性细胞浸润和循环中出现自身活化的抗体为症状的自身免疫炎性疾病，表明由T细胞产生的TGF-β1在抑制T细胞活化和调节炎症反应与自身免疫性疾病方面发挥着重要作用[21, 22]。调节性T细胞（regulatory T cells，Tregs，CD4+CD25+ FoxP3+ T cells）的存在是在1970s发现的，其在抑制免疫应答和维持免疫耐受方面发挥重要作用。研究发现，TGF-β1在体外能够使CD4+CD25? T细胞转化成Tregs，T细胞的抑制调节功能与FoxP3的表达密切相关，而且只有表达FoxP3的T细胞才具有抑制功能。但是，生理状态下TGF-β对Tregs的产生和维持中的作用至今尚不是很清楚，且仍然存在争议[23, 24]。

TGF-β也是调节B淋巴细胞的重要细胞因子：它抑制B细胞的增殖，诱导未成熟B细胞和静止性B 细胞凋亡，阻断B细胞的活化与分化，抑制除IgA以外大多数抗体的类型转换和生成。TGF-β部分通过诱导转录因子Id3的表达介导对B细胞增殖的抑制效应[25]。另外，TGF-β通过介导细胞周期阻滞（G1/S的过