Notch信号通路

Notch通路（英文：Notch signaling pathway）是一种高度保守的细胞间通信系统，介导相邻细胞之间的直接相互作用，通过受体-配体结合来传递信号，从而精确调控细胞的命运决定、增殖、分化和凋亡。其核心特征是短程性和双向性，在胚胎发育、组织稳态和干细胞生物学中扮演着“开关”或“边界形成器”的关键角色。

核心组件与信号转导机制

1. 受体与配体

• Notch受体：单次跨膜蛋白，在细胞表面以前体形式存在。哺乳动物有4种（Notch1-4）。其胞外域含有多个EGF样重复序列（介导配体结合）和LIN-12/Notch重复序列。胞内域为Notch intracellular domain，是信号的效应部分。

• Notch配体：也是单次跨膜蛋白，属于 Delta/Serrate/LAG-2 家族。哺乳动物有5种：Delta-like 1, 3, 4 和 Jagged 1, 2。它们表达在信号发送细胞表面。

2. 蛋白水解切割的激活过程（三步切割）

Notch信号转导是蛋白水解级联反应，不涉及第二信使。

1. S1切割（高尔基体内）：Notch前体在高尔基体中被弗林蛋白酶样转化酶切割，形成成熟的异源二聚体受体，转运至细胞膜。

2. 细胞间相互作用与S2切割：相邻细胞的配体（发送细胞）与受体（接收细胞）结合。这种结合诱导受体的构象变化，使其胞外域易被 ADAM金属蛋白酶（如TACE/ADAM17）在S2位点切割。这释放了受体的胞外域，被配体表达细胞内吞（反式内吞）。

3. S3/S4切割与NICD释放：S2切割后，剩余的跨膜片段被γ-分泌酶复合物（含Presenilin）在膜内进行S3/S4位点切割。这释放出受体的胞内域，即NICD。

3. 核内转录调控

• 核转位：NICD易位进入细胞核。

• 形成转录激活复合物：在核内，NICD与DNA结合蛋白 CSL（哺乳动物中为 RBP-Jκ/CBF1）结合，并招募共激活因子 Mastermind 和 组蛋白乙酰转移酶（如p300）。

• 靶基因激活：该复合物结合到靶基因启动子的特异性序列上，激活转录。最主要的靶基因是 Hes 和 Hey 家族的碱性螺旋-环-螺旋转录抑制因子，它们进而抑制促进分化的基因（如神经原蛋白），从而维持或改变细胞状态。

核心特征与调控

1. 侧向抑制：Notch通路的经典功能。两个潜能相同的相邻细胞中，随机一个细胞先表达较高水平的Notch配体（如Delta），激活相邻细胞的Notch信号；被激活的Notch信号反过来抑制该细胞自身配体的表达。这导致两个细胞命运截然不同（一个高配体/低Notch活性→分化；一个低配体/高Notch活性→保持未分化或走向另一命运）。在神经发生中，确保神经元与胶质细胞正确镶嵌。

2. 诱导性信号：在边界形成中，一群细胞表达配体，诱导相邻细胞群通过Notch信号采取不同的发育命运。

3. 配体：Delta样配体通常诱导更强的信号，而Jagged可能在某些情境下起拮抗作用。

4. 双向信号：

   • 正向信号：接收细胞内的经典NICD信号。

   • 反向信号：配体被内吞或切割后，其胞内域也可能进入核内影响发送细胞的基因表达。

主要生物学功能

1. 胚胎发育：

   • 神经发生：通过侧向抑制精确调控神经元与胶质细胞的比例。

   • 血管生成：Notch1/Dll4信号决定尖端细胞（引导迁移）与柄细胞（形成管腔）的命运，是血管分支模式化的关键。

   • 体节发生：在分割时钟中周期性振荡，决定体节边界。

   • 免疫细胞分化：调控T细胞谱系决定（如αβ vs. γδ T细胞）。

2. 成体组织稳态与再生：

   • 维持肠隐窝、表皮、造血系统等多种成体干细胞的自我更新与分化平衡。

3. 细胞命运选择：在大量发育系统中作为“二选一”的分子开关。

病理学：异常激活与疾病

1. 癌症

Notch通路在癌症中扮演着 “双刃剑” 角色，既是肿瘤抑制因子，也是致癌因子，高度依赖环境。

• 致癌作用（Notch作为癌基因）：

  • T细胞急性淋巴细胞白血病：最常见的Notch相关癌症。>50%的病例存在 Notch1 的激活突变（如缺失PEST域导致NICD稳定），导致不受控的增殖。

  • 乳腺癌、三阴性乳腺癌、卵巢癌等实体瘤中Notch信号常过度激活，促进肿瘤生长、干性维持、上皮-间质转化和血管生成。

• 抑癌作用：在皮肤鳞状细胞癌和某些血液病中，Notch信号通路失活（如Notch1功能丧失）会促进肿瘤发生。

2. 发育疾病

• Alagille综合征：由 Jagged1 或 Notch2 基因突变引起，导致肝、心脏、眼睛、骨骼等多系统发育异常。

• CADASIL：由 Notch3 基因突变引起，导致成年期脑小血管病和痴呆。

• Adams-Oliver综合征：与 Notch1 等多种组分突变相关，表现为先天性肢体末端和头皮缺陷。

3. 心血管疾病

• 血管平滑肌细胞中Notch信号异常参与主动脉瓣疾病和血管钙化。

治疗靶点

鉴于Notch在多种疾病中的核心作用，针对其开发药物是活跃领域：

1. γ-分泌酶抑制剂（GSIs， 如DAPT）：可阻断所有Notch受体（及APP等其他底物）的切割。但广谱抑制导致严重肠道毒性（杯状细胞化生），限制了其临床应用。

2. 单克隆抗体：

   • 抗Notch受体抗体：如针对Notch1/2的抗体，更具选择性。

   • 抗配体抗体（如抗DLL4抗体）：在临床前模型中显示抗血管生成和抗肿瘤活性，但可能引起血管增生副作用。

3. Notch胞外域阻断剂（如重组配体胞外域）。

4. 靶向NICD-CSL相互作用的肽段。

总结

Notch通路是一个独特的细胞接触依赖性信号系统，通过蛋白水解级联直接将细胞表面的相互作用转化为基因表达的改变。它在建立细胞多样性、组织边界和干细胞微环境中不可或缺。其剂量敏感性和背景依赖性使得其在疾病中既可致癌又可抑癌，因此开发组织或受体亚型特异性的调控剂是未来的关键方向。

参考文献

1. Artavanis-Tsakonas, S., Rand, M. D., & Lake, R. J. (1999). Notch signaling: cell fate control and signal integration in development. Science, 284(5415), 770–776. （Notch信号领域的里程碑式综述）

2. Bray, S. J. (2016). Notch signalling in context. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 17(11), 722–735. （全面且更新的综述，强调Notch信号的背景依赖性）

3. Kopan, R., & Ilagan, M. X. G. (2009). The canonical Notch signaling pathway: unfolding the activation mechanism. Cell, 137(2), 216–233. （详细阐述经典Notch信号激活机制的分子细节）

4. Radtke, F., & Raj, K. (2003). The role of Notch in tumorigenesis: oncogene or tumour suppressor? Nature Reviews Cancer, 3(10), 756–767. （经典综述Notch在癌症中的双重角色）

5. Siebel, C., & Lendahl, U. (2017). Notch signaling in development, tissue homeostasis, and disease. Physiological Reviews, 97(4), 1235–1294. （系统评述Notch在生理与病理中的作用）

6. Aster, J. C., Pear, W. S., & Blacklow, S. C. (2017). The varied roles of Notch in cancer. Annual Review of Pathology: Mechanisms of Disease, 12, 245–275. （深入分析Notch在不同癌症中的作用机制）