成纤维细胞生长因子信号分子的结构和功能
http://www.100md.com
2005年10月10日
作者：姜笃银
早期研究使用的成纤维细胞生长因子(FGFs)主要来自牛脑和脑垂体的提取液，是大约150 个氨基酸结构的酸性或碱性成纤维细胞生长因子(aFGF：FGF1或bFGF：FGF2)。其后分离的 癌基因产物的细胞增殖因子与上述FGFs结构类似，也被分类在FGFs家族，并依次命名为FGF3 ~9〔1〕。目前已发现23种 FGFs。现主要就多能FGFs结构和相关功能机制 的研究进展进行综述。
1 发现和鉴定新的FGFs结构
FGFs作为细胞间信号分子在胚胎发生和分化过程中起重要作用。FGFs 是由约150~200氨基酸 组成的多肽，相互之间的氨基酸序列有20%~50%是相同的〔2,3〕。其中心区域有大约 120个氨基酸序列存在高度的同源性(30%~70%)。利用该区域的同源性，以人、小鼠或大鼠 cDNA 和基因组DNA为模板、采用同源序列PCR法进行新 FGFs基因检测。当然 ，还可以采用T7噬菌体cDNA显示法鉴定新FGFs。FGFs受体(FGFRs)是典型的膜结合酪氨 酸激酶型受体。将FGFRs的胞外结构域在杆状病毒群(baculovirus) 表达株表达，制成重组的细胞外结构域(可溶性 FGF受体)。进而利用可溶性 FGFRs与配体 结合的特性，通过T7噬菌体 cDNA显示法对互补cDNA 文库进行筛选。
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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、FG F21)〔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-22 mRNA 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McWhirt er等〔8〕在探索嵌合体同源结构域癌蛋白(chimeric homeodomain oncoprotein)E 2A-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。
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2 FGFs家族成员和基因定位
在人类的FGFs中，能细分出FGF 7、 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FG F17、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FGF11~14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5~100 kb。此外，部分FGFs 可通过机 制不清的选择性剪接(alternative splicing)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〔3，6〕(注：人类 FGF15基因和FGF16 基因位置未 确定)。
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多数FGFs(FGF3~8、10、15、17~19、21~23)的N末端具有典型的信号序列分泌蛋白。 然而F GF19、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 ，FGF11~14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C. e legans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E.coli和S.cerevisiae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〕。
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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F GF7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)。
3 FGFs基因敲除(KO)与功能解析
目前已经报告11种 FGFs KO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 FGF2 KO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/ FG F2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 FGF10 KO小鼠会导致胚胎死亡或出生即刻死亡。通过这些 FGFs KO 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)。FGF10 K O 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FGF 7 KO小鼠表型正常或只有轻微异常(表1 )，而FGFR2b KO小鼠〔12〕表型与FGF10 KO 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。
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4 FGFs作用机制及其影响因素
4.1 FGFs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(FGFR1~4) ， 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,4 7种〔2〕， 各自均有不同的配体特异性。同样FGFR2也可产生FGFR2-Ⅲb和FGFR2-Ⅲc两种受体亚型。FGFR2-Ⅲb主要在上皮细胞中表达，FGFR2-Ⅲ 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- Ⅲb，而FGF2、FGF4、FGF6、FGF8和FGF9则特异性激活FGFR2-Ⅲc，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FGFR2Ⅲb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FGF R2-Ⅲc和FGF2、FGF6、FGF9激活FGFR2-Ⅲb，导致表达这些配体的 细胞自分泌信号激活。
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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(IP3 K)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。
4.2 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。
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4.3 FGFs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(dual regulation)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FG Fs 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。
参考文献略, http://www.100md.com
早期研究使用的成纤维细胞生长因子(FGFs)主要来自牛脑和脑垂体的提取液，是大约150 个氨基酸结构的酸性或碱性成纤维细胞生长因子(aFGF：FGF1或bFGF：FGF2)。其后分离的 癌基因产物的细胞增殖因子与上述FGFs结构类似，也被分类在FGFs家族，并依次命名为FGF3 ~9〔1〕。目前已发现23种 FGFs。现主要就多能FGFs结构和相关功能机制 的研究进展进行综述。
1 发现和鉴定新的FGFs结构
FGFs作为细胞间信号分子在胚胎发生和分化过程中起重要作用。FGFs 是由约150~200氨基酸 组成的多肽，相互之间的氨基酸序列有20%~50%是相同的〔2,3〕。其中心区域有大约 120个氨基酸序列存在高度的同源性(30%~70%)。利用该区域的同源性，以人、小鼠或大鼠 cDNA 和基因组DNA为模板、采用同源序列PCR法进行新 FGFs基因检测。当然 ，还可以采用T7噬菌体cDNA显示法鉴定新FGFs。FGFs受体(FGFRs)是典型的膜结合酪氨 酸激酶型受体。将FGFRs的胞外结构域在杆状病毒群(baculovirus) 表达株表达，制成重组的细胞外结构域(可溶性 FGF受体)。进而利用可溶性 FGFRs与配体 结合的特性，通过T7噬菌体 cDNA显示法对互补cDNA 文库进行筛选。
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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、FG F21)〔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-22 mRNA 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McWhirt er等〔8〕在探索嵌合体同源结构域癌蛋白(chimeric homeodomain oncoprotein)E 2A-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。
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2 FGFs家族成员和基因定位
在人类的FGFs中，能细分出FGF 7、 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FG F17、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FGF11~14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5~100 kb。此外，部分FGFs 可通过机 制不清的选择性剪接(alternative splicing)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〔3，6〕(注：人类 FGF15基因和FGF16 基因位置未 确定)。
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多数FGFs(FGF3~8、10、15、17~19、21~23)的N末端具有典型的信号序列分泌蛋白。 然而F GF19、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 ，FGF11~14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C. e legans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E.coli和S.cerevisiae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〕。
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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F GF7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)。
3 FGFs基因敲除(KO)与功能解析
目前已经报告11种 FGFs KO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 FGF2 KO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/ FG F2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 FGF10 KO小鼠会导致胚胎死亡或出生即刻死亡。通过这些 FGFs KO 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)。FGF10 K O 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FGF 7 KO小鼠表型正常或只有轻微异常(表1 )，而FGFR2b KO小鼠〔12〕表型与FGF10 KO 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。
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4 FGFs作用机制及其影响因素
4.1 FGFs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(FGFR1~4) ， 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,4 7种〔2〕， 各自均有不同的配体特异性。同样FGFR2也可产生FGFR2-Ⅲb和FGFR2-Ⅲc两种受体亚型。FGFR2-Ⅲb主要在上皮细胞中表达，FGFR2-Ⅲ 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- Ⅲb，而FGF2、FGF4、FGF6、FGF8和FGF9则特异性激活FGFR2-Ⅲc，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FGFR2Ⅲb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FGF R2-Ⅲc和FGF2、FGF6、FGF9激活FGFR2-Ⅲb，导致表达这些配体的 细胞自分泌信号激活。
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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(IP3 K)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。
4.2 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。
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4.3 FGFs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(dual regulation)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FG Fs 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。
参考文献略, http://www.100md.com