成纖維細(xì)胞生長因子信號分子的結(jié)構(gòu)和功能

作者：姜篤銀

早期研究使用的成纖維細(xì)胞生長因子（FGFs）主要來自牛腦和腦垂體的提取液，是大約150個氨基酸結(jié)構(gòu)的酸性或堿性成纖維細(xì)胞生長因子（aFGF：FGF1或bFGF：FGF2）。其后分離的 癌基因產(chǎn)物的細(xì)胞增殖因子與上述FGFs結(jié)構(gòu)類似，也被分類在FGFs家族，并依次命名為FGF3~9〔1〕。目前已發(fā)現(xiàn)23種 FGFs。現(xiàn)主要就多能FGFs結(jié)構(gòu)和相關(guān)功能機制 的研究進展進行綜述。

1發(fā)現(xiàn)和鑒定新的FGFs結(jié)構(gòu)

FGFs作為細(xì)胞間信號分子在胚胎發(fā)生和分化過程中起重要作用。FGFs 是由約150~200氨基酸 組成的多肽，相互之間的氨基酸序列有20%~50%是相同的〔2,3〕。其中心區(qū)域有大約120個氨基酸序列存在高度的同源性（30%~70%）。利用該區(qū)域的同源性，以人、小鼠或大鼠 cDNA 和基因組DNA為模板、采用同源序列PCR法進行新 FGFs基因檢測。當(dāng)然，還可以采用T7噬菌體cDNA顯示法鑒定新FGFs。FGFs受體(FGFRs)是典型的膜結(jié)合酪氨 酸激酶型受體。將FGFRs的胞外結(jié)構(gòu)域在桿狀病毒群（baculovirus） 表達株表達，制成重組的細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域（可溶性 FGF受體）。進而利用可溶性 FGFRs與配體 結(jié)合的特性，通過T7噬菌體 cDNA顯示法對互補cDNA 文庫進行篩選。

通過同源序列PCR法，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了6種新的FGFs基因（ FGF10、FGF16、FGF17、FGF18、FGF20、FG F21）〔4〕。雖然T7噬菌體 cDNA顯示法能獲得較多的陽性克隆，但不能確認(rèn) 是新發(fā) 現(xiàn)的 FGFs。隨著人類基因組結(jié)構(gòu)的解析及其DNA 數(shù)據(jù)庫被公開，通過基因檢索進而又發(fā)現(xiàn)3種新的FGFs基因（FGF19、FGF22、FGF23）〔5,6〕，并發(fā)現(xiàn)FGF-22mRNA 選擇性表達于皮膚毛囊的內(nèi)毛根鞘〔7〕。加上在探索視網(wǎng)膜特異性 表達基因的過程中所發(fā)現(xiàn)的4種新的FGFs基因（即FGF11、FGF12、FGF13和FGF14）〔1〕，以及McWhirt er等〔8〕在探索嵌合體同源結(jié)構(gòu)域癌蛋白（chimeric homeodomain oncoprotein）E2A-Pbx1下游目標(biāo)過程中發(fā)現(xiàn)的FGF15，迄今共鑒定出23種人或鼠FGFs。但是 人FGF15和小鼠FGF19尚未被證實。人FGF19與小鼠FGF15顯示很高的同源性（約50%），且這兩種基因都跟FGF3、FGF4基因的染色體鄰接〔3〕，由此推斷人FGF19是小鼠FGF15的相同體。由于人與小 鼠其他FGFs結(jié)構(gòu)之間的同源性達90%以上，因而除非FGF15和 FGF19在進化過程中意外地發(fā) 生大的變異，否則兩者將伴隨著進化過程而逐漸消失。

2FGFs家族成員和基因定位

在人類的FGFs中，能細(xì)分出FGF7、FGF10、FGF22和FGF9、FGF16、FGF20等許多亞科(subfamily)。FGFs 亞科與各染色體定位之 間無明顯的相關(guān)性，人類FGFs基因多數(shù)散在分布于全基因組中。但也有一些FGFs基因在基因 組 上形成群落，如FGF3、FGF4和FGF19位于染色體11q13，F(xiàn)GF6、FGF23位于染色體13p13，而FG F17、FGF20則位于染色體8p21-p22相互鄰接位置上。由此推斷FGFs基因家 族是在進化、復(fù)制和易位等復(fù)雜過程中形成的〔1〕。人類FGFs基因的翻譯區(qū)域多數(shù) 由3個基因構(gòu)成相似的外顯子(exon)構(gòu)成。但在FGF11~14的翻譯區(qū)域是由5個外顯子構(gòu)成的 〔3〕，F(xiàn)GFs 基因翻譯區(qū)域的大小約5~100kb。此外，部分FGFs 可通過機 制不清的選擇性剪接（alternative splicing）形成FGFs亞型。

FGFs可以分為幾個亞組，F(xiàn)GF10和 FGF7同屬于角朊細(xì)胞生長因子(KGF)組。除了FGF15外，以22種人類FGFs氨基酸序列的中心區(qū) 域為 基礎(chǔ)制成以上進化系統(tǒng)樹(FGF15使用小鼠的氨基酸序列)。樹中橫線顯示氨基酸序列偏離程 度，箭頭所指為人類FGFs在染色體上的位置〔３，６〕(注：人類 FGF15基因和FGF16基因位置未 確定)。

多數(shù)FGFs（FGF3~8、10、15、17~19、21~23）的N末端具有典型的信號序列分泌蛋白。然而F GF19、FGF16和FGF20雖然沒有明確的信號序列卻能高效地分泌到細(xì)胞外〔3〕。FGF1和FGF2也缺乏信號序列和正常的分泌途徑，卻能出現(xiàn)在胞外基質(zhì)，推測兩者可能來自受傷的 細(xì)胞，或者通過與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體通路不同的細(xì)胞脫顆粒機制進行釋放。此外，F(xiàn)GF11~14沒有信號序列，認(rèn)為這些FGFs被儲留在胞內(nèi)〔1〕。

FGFs不僅存在于脊椎動物體內(nèi)，也存在于無脊椎動物體內(nèi)。通過基因組的解讀，在果蠅和C.e legans分別找到1種FGF(branchless)〔1〕和2種FGFs(egl-17和let-756)〔9〕，斑馬魚（zebrafish）有4種FGFs（FGF3、8、17、18），爪蟾（xenopus）則有6種FGFs〔（FGF（i）、(ii)和FGF3、8、9、20〕，雞有7種FGFs（ FGF2、4、8、12、14、18、19），然而在E.coli和S.cerevisiae等單細(xì)胞生物中未檢到 FGFs，顯示FGFs家族成員在向脊椎動物進化的過程中呈現(xiàn)增加的趨勢〔3〕。

圖1是FGFs家族進化樹及其基因定位〔1,3,6〕。FGFs可以分為幾個亞組，F(xiàn)GF10和F GF7同屬于角朊細(xì)胞生長因子(KGF)組。除FGF15外，以22種人 FGFs 氨基酸序列的中心區(qū)域 為 基礎(chǔ)制成該進化系統(tǒng)樹（FGF15使用小鼠的氨基酸序列）。橫線顯示氨基酸序列偏離程度。箭頭所指為人FGFs在染色體上的位置〔3,6〕(注：人FGF15基因和FGF16基因位置 未確定)。

3FGFs基因敲除(KO)與功能解析

目前已經(jīng)報告11種 FGFs KO小鼠，其表型多種多樣（表1）。FGF1和 FGF2因廣泛表達于胚胎 和成體組織器官，并因參與組織器官修復(fù)而倍受關(guān)注〔10〕，但在其基因敲除小鼠身上不是完全正常就是僅有輕微異常。此前曾推測，F(xiàn)GF1和 FGF2KO小鼠幾乎不發(fā)生異常 的原因可能與兩者結(jié)構(gòu)和生物活性類似、可相互彌補對方的功能缺失有關(guān)，然而在FGF1/FG F2雙KO小鼠依舊顯示輕微的異?！?1〕。因此，需繼續(xù)加強FGF1和FGF2的生理功能 的研究。此外，F(xiàn)GF4，F(xiàn)GF8，F(xiàn)GF9和 FGF10KO小鼠會導(dǎo)致胚胎死亡或出生即刻死亡。通過這些 FGFs KO 小鼠的表型的解析，將逐漸明確FGFs作為形態(tài)發(fā)生因子的重要性〔3〕。在所有FGFs中，F(xiàn)GF10是廣泛作用于上皮細(xì)胞（無論在外胚層上皮還是在內(nèi)皮層上皮）重要的間質(zhì)調(diào)控因子，在胚胎多種組織或器官發(fā)生中起著不可或缺的作用（表2）。FGF10K O 小鼠不僅不能形成四肢、肺、甲狀腺、胸腺、垂體前葉和下頜下腺，還導(dǎo)致牙齒，腎臟，胰 腺等器官的發(fā)育不全〔1〕。已知FGFR2b的配體有FGF1、FGF7、FGF10，但FGF1和FGF7KO小鼠表型正?；蛑挥休p微異常（表1），而FGFR2b KO小鼠〔12〕表型與FGF10KO 小鼠表型又非常相似（表2），從而推斷FGF10是FGFR2b的主要配體，充當(dāng)上皮-間質(zhì)相互作用的重要信號，是多種器官發(fā)育必需的形態(tài)發(fā)生因子。

4FGFs作用機制及其影響因素

4.1FGFs的信號通路：FGFs與存在于細(xì)胞表面的FGFRs結(jié)合，將信號傳遞到胞內(nèi)。FGFRs有4種基因型(FGFR1~4)，同是一種跨膜蛋白質(zhì)，主要由3個部分組成：即胞外段、跨膜區(qū)和胞內(nèi)段。胞外段為配 體結(jié)合區(qū)，包括2個或3個免疫球蛋白樣功能區(qū)。根據(jù)FGFRs選擇性拼接的差異，目前已知存在7種 受體 蛋白的亞型結(jié)構(gòu)〔15〕。如FGFR1有FGFR1b,1c,2b,2c,3b,3c,47種〔2〕，各自均有不同的配體特異性。同樣FGFR2也可產(chǎn)生FGFR2-Ⅲb和FGFR2-Ⅲc兩種受體亞型。FGFR2-Ⅲb主要在上皮細(xì)胞中表達，F(xiàn)GFR2-Ⅲ c主要在間質(zhì)細(xì)胞中表達。間質(zhì)細(xì)胞表達的FGF7和FGF10能特異性地激活FGFR2-Ⅲb，而FGF2、FGF4、FGF6、FGF8和FGF9則特異性激活FGFR2-Ⅲc，這種結(jié)合的 特異性與細(xì)胞膜環(huán)境和硫酸乙酰肝素有關(guān)〔16〕。其中，F(xiàn)GF10與FGFR2Ⅲb有較高的 親和力，是特異性配體。當(dāng)FGFR2胞外段發(fā)生點突變(S252W)時，促使FGF7和FGF10激活FGF R2-Ⅲc和FGF2、FGF6、FGF9激活FGFR2-Ⅲb，導(dǎo)致表達這些配體的 細(xì)胞自分泌信號激活。

與多數(shù)生長因子受體一樣，F(xiàn)GFRs都是酪氨酸激酶型受體，在與配體結(jié)合后發(fā)生二聚體化，從而激活酪氨酸激酶，在激活Shc/Frs-Raf/MAPKKK-MAPKK-MAPK通路的基礎(chǔ)上，通過大量釋放磷脂酶C(PLC)、蛋白激酶C(PKC)、磷脂酰肌醇3-激酶系統(tǒng)(IP3K)和Ca2+，向細(xì)胞內(nèi)傳遞信號〔2,17〕。目 前，對細(xì)胞內(nèi) FGF-FGFR系統(tǒng)下游其他信號的傳遞作用仍所知甚少，有待研究揭示。

4.2胞外基質(zhì)對FGFs的調(diào)節(jié)作用：FGFs與肝素和硫酸肝素等酸性多糖結(jié)合〔13〕。這些酸性多糖不僅能提高FGFs的熱穩(wěn) 定性和對蛋白酶解（proteolysis）的抵抗性，也能起到濃集和釋放FGFs等作用。最近研究顯示，F(xiàn)GFs與酸性多糖結(jié)合可提高與FGFRs的親和力和穩(wěn)定性。而且，通過結(jié)構(gòu)研究，已經(jīng) 明確了 FGFs 與FGFRs 和酸性多糖的結(jié)合部位〔18〕。目前已知23種FGFs均分別作用 于硫酸乙酰肝素(HSPG)鏈的不同特異性部位，并通過選擇性形成FGFRs-FGFs-HS(硫酸乙酰肝素)復(fù)合體以調(diào)控生長因子濃度及其信號傳遞，由此證實酸性多糖 是FGFs 信號的必需因子。

4.3FGFs拮抗劑的調(diào)節(jié)：屬于Wnt、Bmp和Hedgehog家族等分泌性信號分子存在分泌性拮抗劑，通過信號和拮抗劑的雙 調(diào)節(jié)（dual regulation）作用精細(xì)而巧妙地控制各自的信號系統(tǒng)〔19〕。最早被確 認(rèn)的FGFs拮抗劑是來自果蠅的sprouty(spry)。起初曾認(rèn)為spry是一種分泌性信號，其后的 研究證實spry是一種與細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)結(jié)合的胞內(nèi)蛋白質(zhì)，spry 通過阻礙Ras信號傳遞來阻斷FG Fs 信號〔20〕。隨后，spry也在脊椎動物得到確認(rèn)。研究顯示，spry表達受FGFs 信號的誘導(dǎo)，如肢芽形成區(qū)域spry過表達將阻礙肢芽形成〔21〕。

5結(jié)語

龐大的FGFs家族成員是對多種細(xì)胞顯示多樣生理和(或)藥理作用的多能信號分子〔2〕。隨著FGFs基因組工程的完成和蛋白組工程（結(jié)構(gòu)、功能和作用機制）的研究深入，作為細(xì)胞增殖因子、血管形成因子、神經(jīng)營養(yǎng)因子、形態(tài)發(fā)生因子、組織修復(fù)-再生因 子的FGFs，有望在發(fā)育學(xué)、生理學(xué)和臨床藥理學(xué)方面作出貢獻。

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參考文獻

〔１〕Itoh N.FGFs as multifunctional signaling molecules:diversity of st ructure and function〔Ｊ〕.Seikagaku,2001,73(7):525-535.

〔2〕Szebenyi G,Fallon J F.Fibroblast growth factors as multifunctional signalin g factors〔Ｊ〕.Int Rev Cytol，1999，185:45-106.

〔3〕Ornitz D M,Itoh N.Fibroblast growth factors〔Ｊ〕.Genome Biol，2001，2(3):(Review)3005.1-3005.12.

〔4〕Ohmachi S,Watanabe Y,Mikami T,et al.FGF-20,a novel neurotrophic factor,preferentially expressed in the substantia nigra p ars compacta of rat brain〔Ｊ〕.Biochem Biophys Res Commun,2000,277(2):355-360.

〔5〕Nakatake Y,Hoshikawa M,Asaki T,et al.Identification of a novel fi broblast growth factor,FGF-22,preferentially expressed in the inner r oot sheath of the hair follicle〔Ｊ〕.Biochim Biophys Acta，2001，1517(3):460-463.

〔6〕Yamashita T,Yoshioka M,Itoh N.Identification of a novel fibroblast growth factor,FGF-23,preferentially expressed in the ventrolateral thala mic n ucleus of the brain〔Ｊ〕.Biochem Biophys Res Commun,2000,277(2):494-498.

〔7〕Nakatake Y,Hoshikawa M,Asaki T,et al.Identification of a novel fi broblast growth factor,FGF-22,preferentially expressed in the inner r oot sheath of the hair follicle〔Ｊ〕.Biochim Biophys Acta，2001，1517(3):460-463.

〔8〕McWhirter J R,Goulding M,Weiner J A,et al.A novel fibroblast growth fac tor gene expressed in the developing nervous system is a downstream target of th e chimeric homeodomain oncoprotein E2A-Pbx1.Development,1997,124(17):3221-3232.

〔９〕Roubin R,Naert K,Popovici C,et al.Let-756,a C.elegans fgf essential for worm development〔Ｊ〕.Onco gene,1999，18(48):6741-6747.

〔１０〕付小兵,孫同柱,孫曉慶,等.EGF和bFGF在大鼠不同發(fā)育階段腸道定位 和表達特 征的比較研究〔Ｊ〕.中國危重病急救醫(yī)學(xué),2001，13(7):407-409.

〔1１〕Miller D L,Ortega S,Bashayan O,et al.Compensation by fibroblast growth factor1(FGF1)does not account for the mild phenotypi c defects observed in FGF2null mice〔Ｊ〕.Mol Cell Biol，2000，20(6):2260-2268.

〔1２〕De Moerlooze L,Spencer-Dene B,Revest J,et al.An important role for the Ⅲb isoform of fibroblast growth factor r eceptor2(FGFR2)in mesenchymal-epithelial signalling during mouse organogenesis〔Ｊ〕.Development,2000，127(3):483-492.

〔1３〕Ohuchi H,Hori Y,Yamasaki M,et al.FGF10acts as a major ligand for FGF receptor2Ⅲb in mouse multi-organ developme nt〔Ｊ〕.Biochem Biophys Res Commun,2000，277(3):643-649.

〔1４〕Sakaue H,Konishi M,Ogawa W,et al.Requirement of fibroblast growth factor10in development of w hite adipose tissue〔Ｊ〕.Genes Dev,2002，16(8):908-912.

〔1５〕McKeehan W L,Wang F,Kan M.The heparan sulfate-fibroblast growt h factor family:diversity of structure and function〔Ｊ〕.Prog Nucleic Acid Res Mo l Biol，1998，59:135-176.

〔1６〕Uematsu F,Kan M,Wang F,et al.Ligand binding properties of binary complexes of heparin and immunoglobulin-like mod ules of FGF receptor2〔Ｊ〕.Biochem Biophys Res Commun，2000，272(3):830-836.

〔1７〕Klint P,Claesson-Welsh L.Signal transduction by fibroblast gro wth factor receptors〔Ｊ〕.Front Biosci,1999，4:D165-177.

〔1８〕Schlessinger J,Plotnikov A N,Ibrahimi O A,et al.Crystal structure of a ternary FGF-FGFR-heparin complex reveals a dual role for heparin in FGFR binding and dimerizati on〔Ｊ〕.Mol Cell，2000，6(3):743-750.

〔1９〕Freeman M.Feedback control of intercellular signalling in development〔Ｊ 〕.Nature，2000，408(6810):313-319.

〔２０〕Casci T,Vinos J,Freeman M.Sprouty,an intracellular inhibitor of Ras sign aling〔Ｊ〕.Cell，1999，96(5):655-665.

〔2１〕Minowada G,Jarvis L A,Chi C L,et al.Vertebrate Sprouty genes are indu ced by FGF signaling and can cause chondrodys plasia when overexpressed〔Ｊ〕.Development，1999，126(20):4465-4475.

作者簡介：姜篤銀（1963-），男（漢族），江蘇省泰州市人，醫(yī)學(xué)博士后，副主任醫(yī) 師，主要從事創(chuàng)傷修復(fù)失控機制和臨床應(yīng)用研究，Tel:13961015600,13683589368;E-mail:jdybs @163.com。摘自：急救快車(.00026000W03.)