内吞途径的信号传递

总结

引言

生物膜的一个主要特征是其高度的横向组织。尤其是质膜，具有显著的异质性。这种异质性通常被信号受体利用，信号受体在特殊的表面域中的分离有助于生物信息的高效和选择性传递。这种组织在复杂组织的形态分化细胞中很明显，但不限于后生动物，甚至真核生物。例如，细菌的趋化性受体与相关的信号和调节蛋白组装在质膜的离散区域，以促进高灵敏度、宽动态范围和多种化学刺激的整合[1]. 真核细胞的内吞途径可以从拓扑学和进化的角度被视为异质质膜的延伸。许多信号受体以一种受调控的方式穿越内吞途径，内吞膜本身被组织成成分和功能上的特殊结构域[2]. 因此，内胚体系统密切参与细胞信号传递可能并不奇怪。事实上，现有证据强烈支持这种联系，信号和内吞机制被认为基本上代表了一个单一的综合系统[三].

信号转导和内吞作用之间的关系已经过综述[三-5]. 因此，我们将简要总结早期的工作，并侧重于最近进展的两个领域：首先，将总结在理解信号事件如何调节内吞机制方面的新进展。第二，我们将重点关注关于内体作为信号细胞器的作用的现有证据。最后，我们将提出一些基于内体的信号传递的一般原则，并考虑这种信号传递是否以及如何与源自质膜的信号传递不同的问题。

细胞内吞控制信号

许多信号受体在配体诱导激活后迅速内吞，使内吞成为真核生物质膜受体介导信号的功能调节中最保守的过程(图1 A). 虽然单个信号受体在接受调节性内吞作用的能力上不同，并且可以选择性地进入不同的氯氰菊酯依赖和独立的途径，通过各种机制调节内吞作用的直接后果是减少细胞表面的受体数量，从而减弱细胞对细胞外配体的反应[6].

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图1

内吞对质膜信号的调节

A类，以RTK（如EGF受体（EGFR））和传统7TMR（如β2AR（GPCR））为例，内吞作用对来自质膜的受体介导信号的主要调节作用。通过网格蛋白依赖性或非依赖性机制调节的内吞作用使受体无法进入由支架蛋白如Grb2或异源三聚体G蛋白连接的质膜相关信号通路，从而导致细胞信号的快速衰减或“脱敏”（紫色箭头）。再循环到质膜上可以逆转这种效应，恢复或“再敏化”细胞反应性（蓝色箭头）。MVB中内化受体的分类和与溶酶体的融合使受体无法接触细胞质效应器并促进其蛋白水解，导致受体“下调”（橙色箭头）。B类，如文中所讨论和引用的，激活的信号受体通过几个拟议的调节环来调节内吞途径的示例。据报道，EGF受体酪氨酸激酶在某些条件下（蓝色虚线）可促进包被凹坑的形成，抑制早到晚的内体成熟（橙色虚线），并促进MVB的退化（棕色虚线）。某些GPCR，如ß2AR，降低了含有受体的包被凹坑的内吞断裂速率（紫色虚线）。C类，通过激活的信号受体对氯氰菊酯涂层凹坑进行局部调节的两个最新实例。左侧面板：通过依赖Grb2的机制激活的EGFRs可以促进AP-2耗尽的细胞中新生的网格蛋白包被凹坑的形成。这种AP-2缺陷的包衣小孔集中激活的EGFRs，而不是转铁蛋白受体（TfnRs）。右侧面板：GPCR（如ß2AR）与受调节的适配器β-抑制素（抑制素2或3）一起在氯氰菊酯涂层坑中不均匀地浓缩。含有GPCR的包被凹坑的表面寿命因一种机制而延长，该机制需要PDZ结构域介导的与支架蛋白如EBP50/NHERF1的结合以及通过ezrin与皮层肌动蛋白的连接，而不含有浓缩GPCR的包被凹坑以不变的速率进行内吞断裂。

调节性内吞作用对来自质膜的信号传递的后续影响可能有很大差异，并且在很大程度上取决于通过不同的下游膜途径对内化受体的分类。内吞信号受体对溶酶体的分类有助于受体数量的蛋白水解下调，并通常导致细胞反应性的延长衰减。在许多情况下，通过受体胞质域的直接泛素化促进溶酶体分选，促进受体与内切体相关蛋白Hrs/Vps27和Tsg101/Vps23的结合，这些蛋白在向多泡晚期内切体（MVB）内膜输送货物中起作用通过一系列内胚体分选复合物，统称为“ESCRT”机械[7,8]. 一些信号受体，如阿片样神经肽受体，在没有直接受体泛素化的情况下，通过Hrs和ESCRT依赖性分选到溶酶体。这一过程涉及到与受体的非共价蛋白质相互作用，但目前仍知之甚少[9]. 相反，将内化受体贩运回质膜，通常会恢复细胞对配体的反应性，许多受体会“默认”发生这种情况，即基本上是通过大量膜流动[4,7].

某些七跨膜信号受体（7TMR），如β₂-肾上腺素能受体（β₂AR），默认情况下不高效回收。PDZ结构域介导的蛋白质与β₂AR需要通过依赖于工时的机制来指导回收[10]. 这种复杂性的一个可能原因是促进受体插入到专门用于特定信号传递过程的质膜区域。PDZ定向回收β₂心肌细胞中的AR被提议从G“转换”受体信号_秒至G_我-介导的途径，组织在不同的表面微域内，从而产生儿茶酚胺激活对心肌细胞收缩率的双相反应[11]. 尚未在心肌细胞中直接建立到质膜的空间限制性插入。然而，对神经元的实时成像研究表明，β₂AR经过PDZ定向再循环到横向迁移率不同的表面域[12].

内吞作用还可以通过控制配体和其他调节蛋白的浓度来调节来自质膜的信号传递。例如，Wingless/Int1（Wnt）和转化生长因子-β（TGF-β）同系物十诫停搏液（Dpp）配体的胞吞作用被认为有助于形成对组织发育重要的长程梯度[13]. Hedgehog（Hh）信号传导提供了一个有趣的例子，通过调节蛋白Patched（Ptc）的内吞运输进行信号调节，该蛋白抑制七跨膜平滑（Smo）蛋白的构成性信号传导活性。Ptc和Smo均以缓慢速率进行结构性（配体依赖性）内吞。Hh配体的结合被认为促进了Ptc在内胚体室中从Smo中的分选，从而导致Smo的优先再循环和来自质膜的净途径激活[14,15].

信号控制内吞作用

逆向调节——通过信号事件控制内吞机制——也会发生(图1 B). 这是一种互补而非矛盾的观点，强调信号和贩运机制在功能上相互关联的程度。最近的一项研究使用了一种综合的RNA干扰方法，确定了一些调节培养的人类细胞内吞过程的激酶；大多数激酶在传统的受体相关信号通路中作为下游介质发挥作用。此外，与病毒的网格蛋白非依赖性摄取相比，几种激酶对转铁蛋白的网格蛋白依赖性内吞作用产生相反的作用，这表明不同的内吞机制具有协同调节作用[16]. 虽然本研究不清楚这些激酶中哪些直接影响内吞机制，而不是分析所需的其他过程（如病毒生命周期），最近有报道称，应激或细胞毒药物诱导的p38/MAP激酶激活可通过涉及EGF受体和内体相关Rab5效应蛋白EEA.1磷酸化的双重机制促进EGF受体酪氨酸激酶（RTK）的内化。通过下调EGF受体存活信号，p38介导的内化增强了药物和紫外线照射的细胞毒性作用[17].

除了激酶相关的内吞调节可能在整个细胞中发挥全局作用外，最近的证据表明，通过激活的信号受体对网格蛋白包被的小窝亚群进行局部调节(图1 C). 在缺乏氯氰菊酯适配器蛋白AP-2的细胞中，发现了积累EGF受体而非转铁蛋白受体的包被凹坑的EGF依赖性形成。这种作用需要EGF受体酪氨酸激酶的活性，可能是为了产生Grb2衔接蛋白的结合位点[18]. 一些7TMR已被证明可以调节其聚集的氯氰菊酯涂层凹坑的动力学。这种调节不需要G蛋白介导的信号转导，似乎涉及受体与皮质肌动蛋白细胞骨架的局部PDZ结构域依赖性连接[19].

受体介导的信号也可以调节后期的内吞途径，即在质膜中运行的特定内吞机制的下游(图1 B). 活细胞成像证实，通过Rab5的离解以及Rab7与限制膜的结合，可以实现早期到晚期内体的成熟；通过EGF受体酪氨酸激酶的信号传导降低了Rab“转化”过程的速率，表明受体酪氨酸蛋白激酶信号传导在控制内体成熟速率方面具有特殊功能[20]. 另一方面，最近使用定量电子显微镜的研究表明，EGF受体信号增加了细胞中MVB的数量[21]. 当前许多研究中出现的一个潜在问题是，调节作用通常在信号受体高度过度表达的细胞中表现出来。因此，在生理条件下，对内吞机制的特殊调节作用是否显著尚待确定。

来自内体膜的信号

除了内吞途径和质膜界定的信号事件之间广泛而逆向的相互作用外，内体膜本身也是受体启动信号转导的重要场所。下面讨论了几个示例，并用图表表示图2。

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图2

描述基于内体的信号转导的一些主要模型的合成图

如文中所述，该图描述了内体产生的几种信号传导类型。不同的系统叠加在与当前可用数据一致的最小数量的内体室上。该图是来自多个系统和单元类型的数据的混合物；因此，预期在任何特定的小区类型中只会发生所指示的信令事件的子集。配体诱导的EGF（EGFR）Trk、TGFβ（TGFβR）和Notch二聚化并不能降低图形的复杂性；R、 回收利用；D、 降解；EE，早期内体；SE/LE，分选/晚期内体。细胞内和信号通路分别显示为断裂线和实线。

结论

信号传导和内吞途径密切相关的假说在过去几年中继续得到实验支持，并且在从两个方面阐明这种关系方面取得了实质性进展。首先，受体介导的信号事件特异性地调节内吞途径，既包括通过各种蛋白激酶的全球激活，也包括通过与单个受体的局部直接蛋白相互作用。其次，越来越多的证据表明内体是功能信号转导的位点。信号内体的概念最初是根据肝细胞中RTK信号成分的生化分离提出的，现已推广到多种细胞类型，现在代表了一个主流甚至流行的概念，用于各种信号系统。

基于内体的信号传递的几个原理来自于当前可用数据的合成。首先，据我们所知，所有报道的内体信号传导示例都涉及某种形式的诱导邻近。内膜非常适合作为专门的信号平台，具有独特的生物化学组成（如磷脂酰肌醇3-磷酸的富集），可促进各种支架蛋白和信号介质的选择性募集。第二，由于内胚体膜与细胞外环境沟通，但不直接接触细胞外环境，基于内胚体的信号传递可以将某些信号延长到细胞表面配体暴露的持续时间之外，从而发挥“记忆”功能来整合生物信号。第三，正如TrkA介导的逆行神经营养素信号的研究最令人信服地证明的那样，内体在某些细胞中可以作为生物信号的物理传输载体发挥作用。

尽管不同系统内体信号的研究步伐加快，但仍存在许多有趣的问题。在许多情况下，其中最重要的是生理意义的问题。基于内胚体的信号与发生在质膜上的信号有根本区别吗？如果有，是如何区别的？现有证据表明，根据所考虑的信号系统，答案很复杂。一些例子为基于内体的信号传递效应提供了强有力的证据。最值得注意的是，TrkA基于内体的信号传递既涉及不同的生化信号（Rap1、ERK5），也涉及从轴突内吞位点到细胞体核效应器的长距离物理传输。在其他例子中，如EGF受体和7TMR的信号传递，目前的证据支持质膜和内体信号传递之间的定性和定量区别。即使是通过Smads的TGFβ信号传导，尽管由内体放大的SARA促进，也可以在一定程度上从质膜发生[47,55,56]. 此外，Notch信号传导所需的γ-分泌酶复合物不仅限于内体，而且可能在质膜中也具有催化活性[57]. 因此，似乎来自内体的信号可能涉及生化上不同于从质膜引发的事件，以及强度、持续时间或位置不同的类似事件。

因此，未来的研究将需要更精确地评估内吞作用对细胞信号的定性和定量影响，以及对不同亚细胞隔室中发生的信号事件的时空分辨率的提高。信号网络的计算模型可能在分析复杂时空数据和预测生理条件下的功能结果（例如[58,59]). 一个重要的相关目标是，鉴于目前关于基于内体的信号机制的大多数证据都来自过度表达关键蛋白的异源细胞模型，因此使用天然或近天然细胞和组织制剂进行进一步的机制研究。另一个令人兴奋的挑战是开发越来越具体的调节或调节内吞贩运机制的操作方法，这种方法可以被广泛应用，并减少多效性效应，从而混淆了许多基于内吞体的信号传递的现有功能数据。后一个问题的化学方法（例如[60,61])除了提供改进的工具以促进明确的机制和功能分析外，还可以为可能的治疗探索找到新的线索。

致谢

脚注

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