刺猬信号通路

昆虫细胞表达Ci蛋白（Cubitus interruptus），一种全尺寸的锌指转录因子。Ci蛋白与驱动蛋白样蛋白Costal-2（Cos2）形成复合物，并定位于与细胞微管结合的细胞质中（图2）。SCF复合物靶向全长的Ci蛋白（155kDa）进行蛋白酶体依赖性裂解，从而产生一个75kDa的片段，即CiR。CiR在细胞中积累并扩散到细胞核中。在那里它将作为刺猬靶基因的共阻遏物发挥作用。[9]

Ci蛋白通过几种蛋白激酶，如PKA、糖原合成酶激酶-3和酪蛋白激酶1等的磷酸化作用而水解（图2）。[10]果蝇Slimb蛋白是SCF复合物的一部分。Slimb靶向蛋白质进行泛素化并和磷酸化后的Ci蛋白结合。

在没有刺猬信号蛋白的情况下（图3），一种称为PTCH（Patched）的细胞表面跨膜蛋白会阻止称为SMO（Smoothened）的G蛋白偶联受体[11]的高表达和活性。PTCH与已知的膜转运蛋白具有序列相似性。当刺猬信号蛋白存在于细胞质外时，刺猬信号蛋白会与PTCH结合并抑制其活性，从而使SMO积累并抑制Ci蛋白的水解。这个过程很可能会涉及SMO和Costal-2的直接相互作用，并且可能将含有Ci蛋白的复合物封存到一个微域中，导致Ci蛋白水解过程被破坏。[9]目前尚不清楚刺猬信号蛋白与PTCH的结合为什么会导致SMO的水平升高（图3中的相互作用1）。在刺猬信号蛋白与PTCH结合后，SMO的水平大大高于PTCH未与刺猬信号蛋白结合时SMO在细胞中保持的水平。[12]有人认为，有可能SMO的磷酸化在SMO水平的刺猬依赖性调节中起作用。[13]

在具有刺猬信号蛋白激活的PTCH的细胞中，完整的Ci蛋白会在细胞质中积累，并且CiR水平会降低，从而允许某些基因的转录，例如Decapentaplegic（Dpp，骨塑型蛋白生长因子家族的成员）。对于其他刺猬蛋白调节基因，表达不仅需要CiR的缺失，还需要未切割的Ci蛋白作为转录激活因子来积极的调控。[10]Costal-2通常是将Ci蛋白保留在细胞质中的关键蛋白，但SMO与Costal-2的相互作用会允许一些完整的Ci蛋白进入细胞核。

果蝇Fu蛋白（Fused）是一种与Costal-2结合的蛋白激酶。Fu可以抑制SUFU（Fu抑制因子），后者又与Ci蛋白相互作用以调节某些细胞类型中的基因转录。[14]

图4。Wingless蛋白和刺猬蛋白之间的相互作用。

刺猬信号通路在幼虫体节发育和成虫附肢形成中发挥作用。在发育中的果蝇胚胎的体节形成期间，合成转录因子Engrailed基因的细胞条带也可以表达细胞间的刺猬信号蛋白（图4中的绿色）。刺猬信号蛋白不能自由地远离制造它的细胞，因此它只会激活与表达engrailed的细胞相邻的一条细条的细胞。当以这种局部方式发挥作用时，刺猬信号蛋白会以旁分泌因子的形式发挥作用。在刺猬蛋白与受体蛋白PTCH产生相互作用后，只有位于表达engrailed的细胞的一侧的细胞才能对刺猬信号蛋白做出反应（图4中的蓝色）。

具有刺猬激活的PTCH受体的细胞合成Wingless蛋白（图4中的红色）。如果改变果蝇胚胎，使其在所有细胞中产生刺猬蛋白，所有感受态细胞都会做出反应，并在每个区段中形成更宽的Wingless表达细胞带。Wingless基因有一个上游转录调节区，以刺猬依赖性的方式与Ci转录因子结合，导致邻近刺猬蛋白产生细胞条带的细胞中的Wingless转录增加（图3中的相互作用2）。[15]

Wingless蛋白作为一种细胞外信号，通过激活其细胞表面的卷曲受体来排列相邻的细胞行。Wingless蛋白作用于表达engrailed的细胞以稳定engrailed表达的条带。Wingless蛋白是细胞间信号蛋白Wnt家族的成员。刺猬蛋白和Wingless蛋白的相互信号传递稳定了副体节之间的边界（图4顶部）。Wingless蛋白和刺猬信号蛋白对每个节段中其他细胞条带的影响建立了一个位置代码，该代码说明了节段前后轴上不同的解剖特征。[16]

Wingless蛋白之所以被称为“Wingless”，是因为一些无翼果蝇突变体的表型。Wingless蛋白和刺猬蛋白在变态过程中共同发挥作用，协调翅膀的形成。刺猬蛋白在发育中的果蝇四肢的后部表达。刺猬蛋白还参与眼睛、大脑、性腺、肠道和气管发育的协调。刺猬蛋白的下调被认为与片脚类动物钩虾的眼睛发育减少有关。[17]

图5。音猬因子信号概述。

音猬因子（SHH）是脊椎动物通路中研究最充分的配体。大多数关于刺猬信号的已知信息都是通过研究SHH建立的。它被翻译为~45kDa前体并经历自催化处理（图5中的过程1），产生~20kDa N端信号结构域（称为SHH-N）和一个~25kDa C端结构域，没有已知的信号作用。在裂解过程中，胆固醇分子被添加到N端结构域的羧基端，[19]参与配体的运输、分泌和受体相互作用。SHH能以自分泌的方式发出信号，并影响产生它的细胞。分泌和随之而来的旁分泌刺猬信号需要DISP（Dispatched）蛋白的参与（图5中的过程2）。

当SHH到达其靶细胞时，它会与PTCH1（Patched-1）受体结合（图5中的过程3，蓝色分子）。在没有配体的情况下，PTCH1会抑制SMO，这是该通路中的下游蛋白（图5中的过程4）。有人认为SMO是由一种小分子调节的，其细胞定位则由PTCH控制。[20]PTCH1与尼曼匹克症C1型（NPC1）具有同源性，已知后者可以跨膜运输亲脂性分子。[21]PTCH1有一个甾醇感应结构域（SSD），已被证明对抑制SMO的活性至关重要。[22]目前的一个理论认为，PTCH通过从SMO中去除氧化胆固醇来调节SMO。PTCH的作用类似于胆固醇泵，可去除由7-脱氢胆固醇还原酶产生的氧化胆固醇。[23]当刺猬蛋白结合或PTCH的SSD发生突变时，泵被关闭，并允许氧化胆固醇积聚在SMO周围。

图6。建议通过刺猬信号蛋白和Ptch1调节SMO的通路。

这种胆固醇的积累使SMO变得活跃或在膜上停留更长的时间。这一假设得到了作用于SMO的通路的许多小分子激动剂和拮抗剂的支持。SHH的结合解除了SMO的抑制，导致GLI转录因子的激活（图6中的过程5）：激活因子Gli1和Gli2以及抑制因子Gli3。将SMO连接到GLI的分子事件的序列知之甚少。被激活的GLI在细胞核中积累（图6中的过程6）并控制刺猬靶基因的转录（图6中的过程7）。最近有报告称PTCH1通过独立于SMO受体的机制抑制刺猬靶基因的转录。[24]

除了PTCH1，哺乳动物还有另一个刺猬受体，PTCH2，其序列对比与PTCH1的一致性为54%。[25]那三种哺乳动物刺猬因子都以相似的亲和性结合这两种受体，因此PTCH1和PTCH2不能区分配体。然而，它们的表达模式确实不同。PTCH2在睾丸中的表达水平更高，并在那里调节沙漠刺猬信号。[25]PTCH2似乎有一个与PTCH1不同的下游信号作用。在没有配体结合的情况下，PTCH2抑制SMO活性的能力下降。[26]此外，在基底细胞癌中，PTCH2的过度表达并不能取代突变的PTCH1。[27]

在无脊椎动物中，就像在果蝇中一样，刺猬信号蛋白与PTCH的结合会导致配体的内化和封存。[28]因此，刺猬信号蛋白在体内通过表达受体的感受野会导致信号衰减，这种效应称为配体依赖性拮抗（LDA）。与果蝇相反，脊椎动物通过刺猬相互作用蛋白1（HHIP1）介导的LDA具有另一种水平的刺猬调节。HHIP1也能封存刺猬配体，但与PTCH不同，它对SMO的活性没有影响。[29]

图6. 音猬因子在哺乳动物发育过程中指定Digit的特性。

刺猬家族的成员在各种发育过程中发挥着关键作用。[16]研究得最充分的例子之一是音猬因子在脊椎动物肢体发育过程中的作用。1968年，[30]Saunders和Gasseling对小鸡肢芽的发育所做的经典实验[31]形成了形态发生素概念的基础。他们表明，小鸡肢体中的Digit的特性是由极化活动区（ZPA）产生的被动运输因子决定的，ZPA是位于肢体后缘的一个小区域的组织。哺乳动物的发育似乎遵循同样的模式。这种被动运输的因子后来被证明是音猬因子。然而，直到现在，音猬因子究竟如何确定Digit的特性仍然是个谜。目前由Harfe等人提出的模型指出，[32]接触音猬因子的浓度和时间都决定了小鼠胚胎组织的发育走向。（图6）

Digit V、IV和部分的III是直接来自在胚胎发生过程中表达音猬因子的细胞。在这些细胞中，音猬因子以自分泌的方式发出信号，这些Digit在没有DISP的情况下正常发育，而DISP是配体的细胞外扩散所必需的。这些Digit在音猬因子持续表达的时间长度上有所不同。最靠后的是Digit V，由表达配体时间最长的细胞发育而来。而Digit IV细胞表达音猬因子的时间较短，Digit III细胞表达时间则更短。Digit II由暴露在中等浓度的细胞外音猬因子中的细胞发展而来。Digit I的发育不需要音猬因子。从某种意义上说，它是肢芽细胞的默认程序。

刺猬信号在成人中仍然很重要。音猬因子已被证明可以促进来自各种组织的成体干细胞的增殖，包括原始造血细胞、[33]乳腺[34]和神经干细胞。[35]毛囊从静止期过渡到生长期需要刺猬信号通路的激活。[36]由于在动物模型中发现的毒性，这一点失败了。[37]

在胚胎发育过程中，通过有害突变或妊娠的母亲服用致畸剂等，刺猬信号的中断可导致严重的发育异常。全前脑畸形是指胚胎前脑不能分裂形成大脑半球，发生概率约为每8,000名活产婴儿中有1人患有，每200名自然流产婴儿中有1人患有，通常与参与刺猬通路的基因突变有关，包括音猬因子和PTCH。[38]如果妊娠期的哺乳动物食用了通路抑制剂环杷明，就会导致全前脑畸形中最严重的缺陷之一，独眼畸形。[39]

刺猬信号通路的激活与各种器官的癌症发展有关联，包括脑、肺、乳腺、前列腺和皮肤。基底细胞癌是最常见的癌症恶性肿瘤，与刺猬信号通路的关系最为密切。在患有这种疾病的患者中发现PTCH的功能丧失性突变和SMO的激活性突变。[40]刺猬信号通路的异常激活可能通过将成体干细胞转化为癌症干细胞而导致疾病的发展，从而产生肿瘤。癌症研究人员希望，刺猬信号的特异性抑制剂能够为各种恶性肿瘤提供有效的治疗。[41]刺猬信号通路和癌症发展之间的联系是非常复杂的。然而，很明显刺猬信号的异常激活会导致肿瘤细胞的生长、增殖和侵袭。[42]除了参与癌症的发展外，刺猬信号通路还可能导致主要的呼吸系统疾病，如肺纤维化，[43]和慢性阻塞性肺病等。[44][45][46]

靶向此通路的最常见方法是调节SMO。SMO的拮抗剂和激动剂已被证明会影响下游的通路调节。目前有几种刺猬信号通路抑制剂可用于癌症治疗，如维斯莫吉布（vismodegib）和索尼吉布（sonidegib）。这些药物被认为是有前途的癌症治疗药物，特别是对于难治性或晚期癌症患者。SMO抑制剂代表了对某些类型癌症的潜在治疗方法。然而，由于SMO抑制剂的有害和潜在的毒副作用，在儿童中的安全性尚未确定，以及有证据表明一些病人对SMO抑制剂产生抗性，因此需要新的药物类别。[42]临床上最先进的SMO靶向剂是竞争性环杷明。伊曲康唑（药品名为斯皮仁诺）也被证明可以通过不同于环巴胺和维斯莫吉布的机制靶向SMO。[47]伊曲康唑在赋予维斯莫吉布和其他竞争性环杷明拮抗剂（如沙利吉布和索尼吉布[48]）抗性的突变存在时抑制SMO。PTCH[49]和Gli3（5E1）[50]抗体也是调节刺猬信号通路的一种方式。下游效应器和强转录激活剂SiRNA Gli1已被用于抑制细胞生长和促进细胞凋亡。[51]砒霜（三氧化二砷）也被证明可以通过干扰Gli的功能和转录来抑制刺猬信号。[52][53]

刺猬信号传导的几个环境修饰物已被确认，它们是潜在的健康或发育危害。在番茄（番茄碱）、[54]马铃薯（茄啶）、[54]茄属植物如辣椒和茄子（茄解定）[54]及姜黄（姜黄素）[55]中发现的膳食生物碱已被证明可以对抗SMO并扰乱刺猬信号。此外，某些环境毒物可以阻断刺猬信号传导。胡椒基丁醚（PBO）是1940年代开发的一种半合成农药添加剂，可以在上千户家庭和农产品中找到。[56]尽管PBO被广泛使用，但直到最近才认识到它能够抑制刺猬信号传导并作为一种强有力的发育致畸剂。[57][58]

刺猬信号通路的激活会导致Snail蛋白表达增加以及E-钙粘蛋白和紧密连接的减少。[59]

刺猬信号通路的激活导致血管生成因子（血管生成素1和血管生成素2）、[60]周期蛋白（周期蛋白D1和周期蛋白B1）[61]和抗凋亡基因的增加以及凋亡基因（Fas）的减少。[62]

• 维斯莫吉布，[63]FDA批准（2012年1月）用于基底细胞癌。
• 索尼吉布，FDA批准（2015年7月）用于基底细胞癌。
• 伊曲康唑[64]