1、FGF 受体研究进展摘要 成纤维细胞生长因子受体(FGFRs)是一类穿膜的酪氨酸激酶受体,均为单链的糖蛋白分子。由细胞外区、跨膜区和细胞内区组成。成纤维细胞生长因子(FGFs)的生物活性是通过与 FGFRs结合来启动细胞内信号转导。受体的活化导致受体酪氨酸自磷酸化作用的产生。FGFs/FGFRs在不同组织中。通过复杂的信号传递路径对细胞的增殖、分化和移行进行调节。由于它们具有广泛的生物学功能,目前FGF信号通路已应用到了人类的一些疾病治疗中。关键词 成纤维细胞生长因子受体;信号转导;生物学功能; 临床应用前言：据了解成纤维细胞生长因子最早是从脑和垂体的提取液中发现的，大约150 个氨基酸结构的
2、酸性碱性成纤维细胞生长因子（aFGF：FGF1 ）或碱性成纤维细胞生长因子 （bFGF：FGF2） 。该物质是一种能促进成纤维细胞生长的多肽类活性物质，可以通过与细胞膜特异性受体结合对细胞生长进行调节。目前发现FGF受体至少是由23个成员组成的大家族，即从FGF1到FGF23共23亚家族。科发现FGF家族学可调节细胞的生长、存活、分化和迁移，已经在疾病治疗中得到应用。本文就FGF受体在药理学与临床用药的研究进展作一综述。为从事FGF受体学习和研究的人群提供全面、系统，具有一定广度和深度的知识大餐。成纤维细胞生长因子（FGF）家族成纤维生长因子（Fibroblast growth factor,
3、 FGF）又被称为肝素亲和生长因子(Heparinbinding growth factor, HBGF)，是一类通过与细胞膜特异性受体结合发挥作用的多肽分子。现已知FGF家族至少包括23个成员，即FGF1FGF23。FGF家族成员之间的氨基酸序列同源性约为25%50% ，其每个成员都有140个氨基酸的中轴，该中轴在不同的成员中有高度的同源性。结构分析表明，此中轴折叠成12条逆向平行的链，它们又进一步形成圆柱状的结构。部分FGF家族成员N末端有大约3O个氨基酸残基组成的典型信号肽序列，使得它们可通过内质网一高尔基复合体的经典(即自分泌和旁分泌) 途径被分泌到细胞外，但其中也有部分FGF则因本身
4、缺乏信号肽结构，不能向外分泌，只能在细胞受损时释放1 。多数FGF （如FGF38、10、15、1719、2123）的N末端具有典型的信号肽序列。 而FGF16和FGF20虽然没有明确的信号肽序列却也能高效地分泌到细胞外12。FGF1 和FGF2也缺乏信号肽序列和正常的分泌途径，却也能出现在胞外基质，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释放至胞外的。此外 ，FGF 1114没有典型的信号肽序列，因此认为这些 FGF是在胞内发挥作用13。由于FGF家族成员之间的氨基酸序列有2550的同源性，分子结构有一定的共性，故FGF不同分子之间的生物学效应既有相似
5、性，又有各自的特点1-3。FGF1(aFGF)和FGF2(bFGF) 是最先被发现，也是迄今为止研究最充分的两个成员，因其各自的等电点分别为酸性和碱性而被称为酸性和碱性成纤维细胞生长因子。两者氨基酸同源性达55%，并通过相同机制被转运，该机制在肝素存在下可被增强。两者作用于相同的受体通过一系列信号转导机制，发挥促进组织器官的形态发生、损伤修复、血管生成和神经细胞再生等作用，从而促进中胚层和神经外胚层来源的组织细胞(如成纤维细胞、血管内皮细胞和神经细胞等) 的存活与生长，大量实验证明bFGF比aFGF的活性强 3O100倍4。FGF3(Int2)，FGF4 (hst /KFGF)；FGF5在发现
6、时被鉴定为癌基因；FGF6(hst2)与FGF4氨基酸序列的相似性很高；FGF7(Keratinocyte Growth Factor, KGF) 在发现时被认为是表皮细胞的丝裂原也称为角质细胞生长因子5,6；FGF8是从大鼠乳腺癌细胞分离出来的一种受雄激素诱导的生长因子，在上皮组织中表达并激活成纤维细胞生长因子受体2c，但FGF-8 对成纤维细胞生长因子受体 2b却无活性。FGF9是从人神经胶质瘤细胞分离出的神经胶质细胞激活因子 7；FGF10主要在大鼠的正常前列腺细胞以及高分化的前列腺癌中表达并与FGF7具有很高的同源性4，如上皮细胞表达的 FGFR2b可以分别被FGF10与FGF7激活，
7、其配体由间叶组织产生，但这些配体对间叶组织表达的FGFR2c 却无活性。FGF11、FGF12，FGF13，FGF14最初是从人的视网膜细胞中被鉴定分离出的，并分布于婴儿及成人的中枢神经系统中8。FGF15为E2Apbxl同源结合域嵌合性癌基因的下游靶蛋白9；FGF16 最早是从大鼠心脏中利用PCR分离出来7 ，并与FGF9具有很高的同源性。FGF17是从大鼠胚胎脑组织中分离出的一种生长因子，与FGF8 相似性较高，约有53.7%的同源性，人与大鼠FGF17有98%100%的同源性，说明FGF家族在进化过程中很保守，同时大量实验证明FGF8 与FGF17两者可协同调控中脑和后脑汇合处的神经上皮
8、细胞增殖。FGF18 与FGF-8同源性较高，主要存在于人心脏、胰腺及骨骼肌中,在其它组织的分布较少。另外Zhang N等人还发现原癌基因Pleiot- rophin 与中期因Midkine也属于FGF 家族，在种属间很保守,但与其它FGF家族成员关系目前还不是很清楚10。FGF-20在成年人脑组织，尤其是小脑组织有特异性表达，在一些肿瘤细胞株中也有一定量表达，其对组织修复有一定的作用。研究发现，FGF-21与FGF-19同源性较高，一些动物实验表明FGF-21主要参与体内葡萄糖和脂类代谢等生理过程，目前FGF-21 已经成为世界糖尿病研究的新热点。发现FGF-22选择性表达于皮肤毛囊的内毛根
9、鞘11； FGF-23是人体内一种重要的调磷因子，可调节钠-磷共转运蛋白a(NaPia)和1羟化酶的活性，从而引起低磷性佝偻病、骨软化症5。作为一种生物因子家族，FGF的调节作用还有一定的细胞特异性。FGF 家族成员的基因定位FGF 可以被分为FGF7 、FGF10 、FGF22 和FGF9、FGF16、FGF20 等多个亚型。FGF的各个亚型与各染色体定位之间无十分明显的关联性，人类FGF 基因主要分布于整个基因组中，但也有一些FGF 基因在基因组上呈群落分布，如 FGF3、FGF4 和FGF19 位于染色体11q13 区；FGF6、FGF23 位于染色体13p13 区；而FGF17、FGF
10、20 定位于染色体8p21-p22 区相互链接的位置上；FGF18 定位于14p11 区；FGF-21 定位于人1,2-墨角藻糖基转移酶基因的5侧翼区，编码209 个氨基酸大小的多肽，主要表达于肝脏中，FGF-21 与家族中FGF-19的同源性较高；FGF23 则定位于染色体12p13 区。因此可推测FGF 家族可能是在复制、进化和易位等复杂过程中形成的13。人类FGF 基因的编码区多数是由 3 个结构相似的外显子组成。但在FGF1114 的编码区是由 5 个外显子构成的 14， FGF 基因编码区的大小约为5100 kb 。此外，部分FGF 可通过选择性剪接（alternative spli
11、cing ）形成FGF 亚型，但目前其剪接机制还不是很清楚。FGF 广泛存在于脊椎动物和无脊椎动物体内。通过基因组的解读，在果蝇和线虫体内分别找到1 种FGF(branchless)13和2 种FGF(egl-17 和let-756)15，斑马鱼（zebrafish）体内则有4 种FGF（FGF3、8、17、18） ，鸡体内有7 种FGF（FGF2、4、8、12、14、18、19） ，然而在大肠杆菌和酵母等单细胞生物中未检到 FGF，显示FGF 家族成员在进化过程中种类逐渐呈增多趋势14。FGFRs 的分子结构特征1.1 FGFRs 的结构 成纤维细胞生长因子受体(Fi-broblastGro
12、wth Factors Recepetors,FGFRs)是一类穿膜的酪氨酸激酶受体,它们介导FGFs 信号传递入细胞质中13, 组织培养中的大多数细胞都表达FGFRs。目前已经确定了由 4 种独立基因编码的 FGFRs 即FGFR1、FGFR2、FGFR3 和 FGFR4。它们均为单链的糖蛋白分子 ,由细胞外区、跨膜区和细胞内区组成。细胞外区为 3 个免疫球蛋白样结构域(),在 与 之间有一个酸盒;跨膜区是一个穿膜螺旋;细胞内区是酪酸激酶区。FGFRs 有 3 个特性4:1)重叠识别和多特异性,即一种受体能以相似的亲和性和几种 FGF 结合,同样,一种 FGF 也能以相类似形式与几种 FGF
13、R 结合;2)FGF 和其受体结合依赖于细胞表面的硫酸肝素蛋白多糖(Hep-aranSulfate Proteoglycans,HSPG);3)自同一基因可产生许多种细胞结合性和分泌性受体。它们可能通过与表面受体竞争配体来调节 FGFs 与 FGFRs 的亲和性。FGFs 的生物活性是通过与 FGFRs 结合来启动细胞内信号转导,受体的活化导致受体酪氨酸自磷酸化作用的产生。FGFRs 的生物学功能1.2.1 有丝分裂 FGF 刺激细胞分裂,在病理过程中对细胞转化有一定作用。有可能有多条并行途径引导 FGF 介导的促分裂信号传导。据报道5, 异位表达 BaF3 细胞的 FGFR1 能够介导 FG
14、F 引起细胞增殖。1.2.2 移行 FGFR1 证实在体内细胞移行中很关键。在体外将dominant-negative 型 FGFR1 转入少突胶质细胞的前体细胞,当其移植入生成大鼠脑内,突变细胞不能移行停留在脑室内,并且在线虫肌细胞移行中也发现需要 FGF 受体样酪氨酸激酶。 FGFR1 介导的移行受其他信号转导通路的调控,它们需要 P13 激酶和 PLC-C 活性6。1.2.3 分化 在组织培养中 ,FGF 能有效刺激神经轴突生长。Lin 等7证明 PC12 细胞神经轴突生长依赖了 FGFR1 近膜区,通过不依赖磷酸酪氨酸方式同 Grb2 和 FRS2 偶联。1.2.4 胚胎发育 在胚胎发
15、育期,FGFR 信号转导对多个器官的发育及胚胎形成都至关重要。1)靶向灭活 FGFR1 基因导致胚胎在原肠形成之前死亡,胎儿发育严重迟滞。2)靶向灭活 FGFR2 基因引起着床后早期发育失败,这是通过影响脏器内胚层分化和内细胞团生长和维持而实现的8 。1.2.5 骨骼疾病 多种骨骼疾病与 FGFR 基因突变有关。软骨发育不全是最常见的一种非致死性骨骼疾病,即源于 FGFR3 基因的活化突变。靶向灭活 FGFR3 基因造成严重而进行性的骨发育不良,软骨内骨生长增强并持续,表明 FGFR3 负调控软骨细胞分裂。Cell 等9在小鼠孕中期表达了一种可分泌的 FGFR 胞外段,造成多器官严重发育不良、
16、四肢畸形,类似于 FGFR 突变引起的人骨骼疾病。这些研究表明,FGFR3 在骨骼发育中的关键作用。1.2.6 肿瘤的形成 FGFR 在体内血管生成调控中也有重要作用10。血管生成在不同生理过程中,如胚胎发育、伤口愈合、月经等方面都起关键作用。另一方面,许多的病理情况,如肿瘤的发展和转移都依赖于血管生成。FGFR1 在很多肿瘤细胞上都有过量表达,进一步促进了肿瘤的发生发展。FGF 受体及其与 FGF 的作用机制FGF 主要通过和靶细胞膜表面受体结合发挥其生物学功能的 ,且FGF受体几乎存在于体内所有组织 20,其在正常的效应细胞的特异性受体为单链多肽类分子,受体分子量因效应细胞不同而有一定差别
17、(110 150kDa)。FGF 受体有五种即FGFR15,可将其分为两类:一类是亲合力较高的受体,分子量为125156KDa,属酪氨酸蛋白激酶型受体；另一类为亲合力较低的受体，即肝素样受体，Kd 值为210-9mol/L。FGF 家族成员可以相互竞争对方的受体，以FGF1 、FGF2 为例，两型FGF 均可与分子量为145KDa 和 125KDa 的受体发挥作用，只是FGF1 与125KDa 受体亲和力较高，而 FGF2 与145KDa 受体亲和力较高。凝集素可抑制FGF 与受体的结合，因此推测 FGF 受体可能含有N2 酰葡萄糖胺和半乳糖残基。与其它多肽类受体结构相似，FGFR 主要由三部
18、分构成：细胞内的酪氨酸蛋白激酶活性结构域、疏水氨基酸组成的跨膜结构域以及细胞外3 个免疫球蛋白样重复序列组成的配体结域。FGF受体胞外区含有 3 个免疫球蛋白结合位点类似区，即Ig 样结构域分别称为LoopI 、II、III, LoopIII 主要决定配体的结合特异性。对于FGFR13, 由于LoopIII 的不同而形成FGFRIIIb、FGFRIIIc,LoopI 与LoopII 结构域之间存在一个由保守的酸性氨基酸残基组成的酸性氨基酸盒(acidicbox)，受体结构如图1。LoopIII 有两个选择性剪切外显子IIIb 与IIIc 编码其C 端,IIIb主要在内皮层细胞转录效率较高，而I
19、IIc 主要在表皮层细胞转录效率较高。FGF1、FGF7 及FGF10 主要与FGFRIIIb 结合,并在组织器官的形成中发挥重要作用22；FGF2、FGF4、FGF6、FGF8 和FGF9 则特异性激活FGFR2-c，这种结合的 特异性与硫酸乙酰肝素和细胞膜环境关系较密切23。其中，FGF10 与 FGFR2b 亲和力较高，是FGFR2 b 的特异性配体。当FGFR2 胞外段发生点突变(S252W)时，FGF2、FGF6、FGF9 将会激活FGFR2-b，且FGF7 和FGF10 也会激活FGF R2-c ，以致于表达这些FGF 的细胞被自分泌信号激活。FGFR 也在皮肤组织中表达, 主要分
20、布于表皮基底层细胞、真皮层、皮下组织和成纤维细胞及毛囊、汗腺的上皮细胞等。图1 FGF 受体结构FGFRs 信号转导途径2.2.1 PLC-C 途径 FGFR 被激活后,它通过不断与 PLC-C 分子上的SH2 结构域结合来快速吸纳该分子、激活的 PLC-C 水解其底物 4,5二磷酸磷脂酰肌醇IPtdlns(4,5)P2形成 2 个二级信号:二酰基甘油和1,4,5 三磷酸肌醇1ns(1,4,5)P3。Ins(1,4,5)P3 通过与细胞内特异性受体结合而刺激细胞内的钙储释放 Ca2+。Ca2+与钙调蛋白结合从而激活一类称为 Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶。此外,Ca2+与二酰基甘油都能激活蛋白激酶 C 家族中的成员。由 Pt2dlns(4,5)P2 水解产生的
