FAK通路在RA發病機制中的作用

許金鑫 綜述 張 育 審校 (揚州大學臨床醫學院,揚州 225001)

1 粘著斑激酶(FAK)的結構與功能

粘著斑激酶(Focal adhesion kinase,FAK)是一種廣泛表達的胞漿內非受體蛋白酪氨酸激酶,定位于整聯蛋白聚集處,具有多種功能,臨床研究顯示其在多種人類腫瘤中均有表達,與腫瘤細胞的侵襲與轉移特性關系密切,并且能夠促進細胞增殖、遷移和存活。大量研究發現,FAK在多種生物及其組織中表達,在惡性轉移腫瘤中呈現高表達,FAK的高表達和酪氨酸磷酸化與多種惡性腫瘤的生長及侵襲轉移能力相關。FAK是整合蛋白介導的信號轉導中的重要成員,有酪氨酸蛋白激酶活性,并可自身磷酸化。新近發現FAK可抑制細胞凋亡[1],擁有類似FAK作用的FAK家族新成員被不斷發現,作為信號分子的FAK,具有廣泛的治療學意義。比如在基因治療上,通過調節它的轉錄因子SiRNA水平,或者在其mRNA或蛋白水平,從而改變它的信號表達可以達到治療目的。FAK相關非激酶或粘著斑目標域及酶活性的表達可被一種FAK激酶結構域相關的激酶活化抑制劑FIP200所阻斷[2]。近年來,已有許多對抗FAK轉錄與激活的小分子被發現,這些都為其治療學上的靶向治療提供了無限潛力[3,4]。

1.1 FAK的結構 隨著細胞生物學的發展,人們早已認識到細胞粘附不單純是機械連接,整合蛋白(integrin)是廣泛存在于各種哺乳類動物細胞的主要粘附分子之一,它引起細胞與基質成分粘附而介導的信號轉導,特別是胞內第一個信號分子—FAK的研究倍受重視,現已初步了解整合蛋白介導信號轉導的主要信號分子及其網絡結構,特別是FAK的分子結構。FAK是一種非受體依賴型酪氨酸激酶,最先被發現存在于Src轉化的細胞中,后來有很多實驗表明它在多種腫瘤組織中高表達,參與了腫瘤的發生、發展、侵襲和轉移,在細胞周期調控、粘附、遷移、生存等多方面發揮重要作用。在許多細胞中,FAK通過其特異性的磷酸化位點與含有Src同源序列2(SH2)結構域的蛋白質結合,介導整合素、FAK/Src、FAK/JAK等多條信號傳導途徑[5]。

FAK在許多物種中都廣泛表達,包括人、嚙齒類動物、蛙類、雞、果蠅及爪蟾屬等,提示其在進化過程中高度保守。小鼠及人的FAK基因已被定位,編碼鼠的FAK基因定位于15號染色體myc基因遠端,編碼人的FAK基因定位于8q24,與c-myc locus相鄰,cDNA全長4 285 bp,編碼1 028個氨基酸,分子量為125 kD。FAK在人的組織和細胞中也廣泛表達,如間質細胞、神經細胞、血小板、淋巴細胞、紅細胞等[6]。在結構上,FAK包括一個N-氨基端FERM調節結構域、一個中央催化酶結構域、兩個富含脯氨酸的主鏈及一個羧基端粘著斑結構域[5,7]。

1.2 FAK的功能 通過FAK信號通路可以調節細胞的基本功能,比如細胞的增殖、生長、粘附、凋亡、擴散、侵襲及游走等特性。FAK的信號異常多見于向惡性轉化的細胞,但也可出現于正常細胞來修正細胞的功能[6]。

細胞的定向遷移是一個復雜的過程,它需要調節細胞支架的信號在時間和空間上的統一。FAK可以促進細胞的遷移,但其機制還未被清楚地闡明。有報道證實成纖維細胞、內皮細胞及癌細胞的極性在細胞遷移過程中需要FAK信號及它們之間的復雜協調的聯系。首先,FAK通過p120RasGAP和p190RhoGAP誘導p190A的酪氨酸磷酸化,纖連蛋白整合介導的FAK激活及磷酸化促進SH2介導的p190A與FAK的粘附,進而FAK又促進p190A的酪氨酸磷酸化。缺失p190A或者抑制FAK活性可阻斷FAK和p190A復合物的形成以及下游p190A的磷酸化,從而使細胞極性喪失,這就說明了FAK可通過調節p190A的定位及磷酸化而調節細胞的極性[8]。FAK作為最具潛力的信號分子之一,還被證實具有調節整合蛋白調節信號的能力。有學者證實CTGF(結締組織生長因子)可以通過上調FAK等信號通路以增強人軟骨肉瘤細胞的游走及MMP-13的表達[9]。

整合素、生長因子、G蛋白偶聯受體配體可以誘導FAK磷酸化和激活。其中整合素是一類重要的細胞表面受體家族,其與細胞外基質(ECM)配體結合后,可以促使粘著斑形成。整合素β1、β3和β5亞基的胞質端與FAK的N端區結合,從而引起FAK構像改變,使激酶結構域處于活化狀態。同時,FAK的酪氨酸位點Tyr397發生自身磷酸化,消除Src的自體抑制,活化的 Src再催化 FAK的 Tyr407、Tyr576、Tyr577和Tyr925位點的磷酸化,從而使FAK完全活化。FAK與Src結合形成FAK/Src復合體后FAK被激活。激活的FAK一方面磷酸化樁蛋白(paxillin)和Cas的酪氨酸殘基,進入Ras途徑激活ERK;另一方面,FAK/Src復合體導致Tyr925磷酸化,磷酸化的Tyr925處肽模體TENN可與接頭蛋白Grb2結合,Grb2的SH3結構域可與另一種鳥苷酸交換因子SOS(son of seven-less)結合,進入Ras途徑激活ERK。因此,磷酸化FAK通過以上兩種途徑激活下游的ERK,完成FAK-ERK信號傳導通路(圖1)[10,11]。

FAK還與腫瘤細胞的存活、增殖、粘附、侵襲和轉移都密切相關[7]。多種惡性腫瘤中均可發現FAK的表達異常增高,包括肝癌、乳腺癌、肺癌、結直腸癌、卵巢癌、白血病等[3,12,13]。在體外腫瘤細胞的研究中發現,FAK的激活或磷酸化水平的增高與多種惡性腫瘤細胞的增殖呈正相關,包括黑色素瘤細胞、乳腺癌細胞等[14],許多研究揭示FAK還在細胞毒的作用機制中發揮作用,它可以下調大多數致神經毒性的物質對神經的毒副作用,它還可以調節滋養層細胞的發育,胚胎及形態的發生等等[6]。

圖1 FAK介導的信號通路示意圖Fig.1 FAK-mediated signal pathways diagram

FAK參與抑制細胞凋亡,若干實驗均提示FAK可能有兩個作用,一是在細胞鋪展和移動時,FAK參與粘著斑形成和調節;二是FAK參與信號轉導過程,以告知細胞核其細胞已錨定了。近年有關FAK在細胞凋亡中的作用也已肯定[4]。細胞粘附阻止凋亡,細胞凋亡時出現諸如細胞皺縮、染色質固縮并產生細胞與胞外基質(ECM)或細胞間粘附的解離等生物學特性變化,同樣道理,如果破壞ECM、減少細胞表面粘附分子或解除細胞粘附,都可引起不同程度細胞凋亡,這被稱為失巢凋亡(anoikis),充分說明細胞粘附可阻止細胞凋亡。可見許多細胞生物學特性的呈現都是以細胞錨定依賴(anchorage dependent)為基礎的。

另有許多報道提示FAK具有治療學意義[2,3,15],比如在基因治療上,通過調節它的轉錄因子SiRNA水平,或者在其mRNA或蛋白水平從而改變它的信號表達而達到治療目的。FAK相關非激酶或粘著斑目標域及酶活性的表達可被FIP200所阻斷,FIP200即是一種FAK激酶結構域相關的激酶活化抑制劑[2]。近年來,已有許多對抗FAK轉錄與激活的小分子被發現,這些都為其治療學上的靶向治療提供了無限潛力[3,4]。Su[16]等的研究顯示:癌組織與非癌組織相比,FAK染色增強;分化差的結腸癌、胃癌組織中的FAK表達較分化好的組織表達增強;具淋巴結轉移的腫瘤較無淋巴結轉移的表達增強;腫瘤浸潤程度越深,FAK表達越強,提示FAK與腫瘤的發生發展密切相關。抑制FAK表達后細胞中磷酸化 FAK pY397、NF-κ B、AKT 、Bcl-2等的表達水平也降低,說明抑制FAK表達能下調具有抗凋亡作用的 AKT 、NF-κ B、Bcl-2 的表達 ,而 AKT 、NF-κ B 可能是FAK的下游分子,參與了FAK介導的生存信號通路,與FAK共同發揮了抑制腫瘤細胞凋亡的作用。Fujii等[17]對60例肝細胞肝癌患者的FAK mRNA表達及FAK表達與臨床病理學數據的相關性研究發現FAK蛋白的表達對HCC患者的生存期有預測意義等等。

2 FAK與RA

類風濕關節炎(RA)是一種常見的多系統性炎癥性的自身免疫性疾病。RA最主要病理特征是關節滑膜血管新生和對關節破壞力極強的血管翳形成。近來研究表明,滑膜成纖維細胞在RA的病理過程中起著非常重要的作用,它們參與了炎癥和血管新生的整個過程,在RA滑膜病理過程中起著關鍵性作用[18,19]。因此,通過抑制滑膜細胞的增殖、粘附、侵襲和轉移等功能來治療RA血管新生和炎癥反應可能成為RA治療很好的靶點。

在滑膜組織中,A型滑膜細胞(巨噬細胞)和B型滑膜細胞交叉存在,這些滑膜細胞的形態及生物學特性不同于正常的滑膜細胞,它們表達原癌基因和一些抗細胞凋亡的分子,并且缺乏某些特定的腫瘤抑制基因。它們可以產生促炎因子和由信號肽介導的炎癥趨化因子受體等,這些產物不僅能使滑膜細胞聚集,而且還能引起天然免疫的炎癥細胞向滑膜聚集。最重要的是,它們還可以通過產生基質降解分子而在RA的病理過程中發揮強大的破壞作用。在上個世紀70年代,Fassbender等就發現了滑膜成纖維細胞破壞RA患者的關節軟骨和骨,這種細胞被描述為一種富含細胞質的,具有巨大的蒼白核和顯著的核仁的細胞。后續的研究顯示這種滑膜細胞的培養可以不貼壁,而且缺少接觸抑制,支持RA可能形成了腫瘤樣組織。據推測,RA滑膜成纖維細胞的侵襲性生長起源于其增殖不受控制,因為滑膜細胞增生就是RA的特征,但是,該細胞的增值比率與其侵襲關節基質的活力并無關聯[20]。

由前文可知,FAK已被證實在很多腫瘤組織中高表達,參與了腫瘤細胞的發生、發展、侵襲和轉移,而滑膜成纖維細胞具有腫瘤樣增殖的特性[21],在滑膜的襯里層很難檢測到細胞凋亡,這是由于在滑膜成纖維細胞形成血管翳的部位有變異存活因子蛋白的廣泛表達[22],而使其不能正常凋亡,有類似腫瘤的性質,造成對骨關節的侵襲破壞。由此我們設想通過抑制FAK的表達來減少B型滑膜細胞的粘附、增生及游走等的發生,從而達到治療RA的目的。

FAK 家族 ,包括 FAK 和 PYK2 是整聯蛋白 α γ β3信號通路中的主要調節者,它們在細胞的粘附、破骨細胞的形成及血管的發生中均起重要作用。所有的這些環節在RA的進程中都是必不可少的。有學者應用免疫印跡分析及 Western blot研究通過磷光體標記的 pFAK、pPyk2、pSrc、pPaxillin 和 pPLCγ在 RA滑膜細胞和正常滑膜細胞中的表達量,結果顯示RA滑膜組織中pFAK等的表達量相較于正常組織顯著升高,經TNF-α處理過的RA滑膜細胞pFAK表達量更高[23]。在敲除了FAK基因的滑膜成纖維細胞顯示出粘著斑位點的增多及細胞遷移缺陷[5]。

先前也有學者用流式細胞儀檢測細胞表面分子的表達,揭示在RA的滑膜細胞中FAK可被整粘蛋白β1刺激從而上調細胞間粘附分子1(ICAM-1)和Fas等的表達,進而影響細胞的存活與凋亡[24]。最近有學者通過肽多糖對滑膜成纖維細胞表達IL-6的影響的研究表明,肽多糖能增加 FAK、PI3K和AKT的磷酸化作用,通過TLR-(Toll樣受體)2、FAK、AKT等信號途徑增加人滑膜成纖維細胞表達IL-6,并且IL-6的產生量隨著肽多糖的濃度增高或作用時間的延長而顯著增加。同理,通過TLR2 siRNA和2 siRNA核苷酸聚合也可以降低肽多糖介導的IL-6產生。用P13K抑制劑、AKT抑制劑和FAK突變體等預處理滑膜成纖維細胞也能夠抑制PNG所引起的這種反應[25]。

可見,FAK活性的調控直接影響細胞凋亡,是細胞凋亡研究中又一值得重視的環節。目前的研究發現,在多種腫瘤組織中,FAK的核酸及蛋白水平是處于高表達或過度激活的狀態,通過抑制其功能能夠部分逆轉腫瘤的惡性表型。從廣泛的研究結果看,FAK在腫瘤的靶向治療中的作用是令人振奮的。

3 問題與展望

綜上所述,現在已較清楚地了解了FAK的結構,及其通過介導細胞粘附分子和其他細胞表面蛋白產生的信號傳導途徑中的重要作用。RA滑膜細胞有變異存活因子蛋白的廣泛表達使其不能正常凋亡,有類似腫瘤的性質,并且RA的病因仍不十分明確,因而針對的治療選擇仍然很有限[26]。從分子靶向藥物治療靶點的基本條件之一“高表達和異常表達”的角度上,FAK分子靶向治療在RA的應用極有研究價值,但是,目前的問題在于雖然FAK在許多腫瘤的治療應用中毫無疑問,但對RA的治療是否有效,還有待更多的實驗研究來進一步證實,我們相信,隨著科學技術的發展,隨著對此機制不斷的深入研究,RA的治療也可能將會被推向一個更加廣闊的領域。

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