成纖維細胞生長因子信号分子的結構和功能

　　早期研究使用的成纖維細胞生長因子（FGFs）主要來自牛腦和腦垂體的提取液，是大約150 個氨基酸結構的酸性或堿性成纖維細胞生長因子（aFGF：FGF1或bFGF：FGF2）。其後分離的 癌基因産物的細胞增殖因子與上述FGFs結構類似，也被分類在FGFs家族，并依次命名爲FGF3 ~9〔1〕。目前已發現23種 FGFs。現主要就多能FGFs結構和相關功能機制 的研究進展進行綜述。

1 發現和鑒定新的FGFs結構

　　FGFs作爲細胞間信号分子在胚胎發生和分化過程中起重要作用。FGFs 是由約150~200氨基酸 組成的，相互之間的氨基酸序列有20%~50%是相同的〔2,3〕。其中心區域有大約 120個氨基酸序列存在高度的同源性（30%~70%）。利用該區域的同源性，以人、小鼠或大鼠 cDNA 和基因組DNA爲模闆、采用同源序列PCR法進行新 FGFs基因檢測。當然 ，還可以采用T7噬菌體cDNA顯示法鑒定新FGFs。FGFs受體(FGFRs)是典型的膜結合酪氨 酸激酶型受體。将FGFRs的胞外結構域在杆狀病毒群（baculovirus） 表達株表達，制成重組的細胞外結構域（可溶性 FGF受體）。進而利用可溶性 FGFRs與配體 結合的特性，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，已經發現了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，但不能确認 是新發 現的 FGFs。随着人類基因組結構的解析及其DNA 數據庫被公開，通過基因檢索進而又發現3 種新的FGFs基因（FGF19、FGF22、FGF23）〔5,6〕，并發現FGF-22 mRNA 選擇性表達于皮膚毛囊的内毛根鞘〔7〕。加上在探索視網膜特異性 表達基因的過程中所發現的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構域癌蛋白（chimeric homeodomain oncoprotein）E 2A-Pbx1 下遊目标過程中發現的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結構之間的同源性達90%以上，因而除非FGF15和 FGF19 在進化過程中意外地發 生大的變異，否則兩者将伴随着進化過程而逐漸消失。

2 FGFs家族成員和基因定位

　　在人類的FGFs中，能細分出FGF 7、 FGF10、FGF22和FGF9、FGF16、FGF20等許多亞科(subfamily)。FGFs 亞科與各染色體定位之 間無明顯的相關性，人類FGFs基因多數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，FGF6、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、複制和易位等複雜過程中形成的〔1〕。人類FGFs基因的翻譯區域多數 由3個基因構成相似的外顯子(exon)構成。但在FGF11~14的翻譯區域是由5個外顯子構成的 〔3〕，FGFs 基因翻譯區域的大小約5~100 kb。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可以分爲幾個亞組，FGF10和 FGF7同屬于角朊細胞生長因子(KGF)組。除了FGF15外，以22種人類FGFs氨基酸序列的中心區 域爲 基礎制成以上進化系統樹(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，箭頭所指爲人類FGFs在染色體上的位置〔３，６〕(注：人類 FGF15基因和FGF16 基因位置未 确定)。
　　多數FGFs（FGF3~8、10、15、17~19、21~23）的N末端具有典型的信号序列分泌蛋白。 然而F GF19、FGF16和FGF20雖然沒有明确的信号序列卻能高效地分泌到細胞外〔3〕。FGF1 和FGF2也缺乏信号序列和正常的分泌途徑，卻能出現在胞外基質，推測兩者可能來自受傷的 細胞，或者通過與内質網-高爾基體通路不同的細胞脫顆粒機制進行釋放。此外 ，FGF11~14沒有信号序列，認爲這些FGFs被儲留在胞内〔1〕。
　　FGFs不僅存在于脊椎動物體内，也存在于無脊椎動物體内。通過基因組的解讀，在果蠅和C. e legans分别找到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增加的趨勢〔3〕。
　　FGFs可以分爲幾個亞組，FGF10 和F GF7同屬于角朊細胞生長因子(KGF)組。除FGF15外，以22種人 FGFs 氨基酸序列的中心區域 爲 基礎制成該進化系統樹 （FGF15 使用小鼠的氨基酸序列）。橫線顯示氨基酸序列偏離程度 。箭頭所指爲人FGFs在染色體上的位置〔3,6〕 (注：人FGF15基因和FGF16基因位置 未确定)。

3 FGFs基因敲除(KO)與功能解析

　　目前已經報告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複而倍受關注〔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，FGF1和 FGF2 KO小鼠幾乎不發生異常 的原因可能與兩者結構和生物活性類似、可相互彌補對方的功能缺失有關，然而在FGF1/ FG F2雙KO小鼠依舊顯示輕微的異常〔11〕。因此，需繼續加強FGF1 和FGF2 的生理功能 的研究。此外，FGF4，FGF8 ，FGF9和 FGF10 KO小鼠會導緻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，将逐漸明确FGFs作爲形态發生因子的重要性〔3〕。在所有FGFs中，FGF10是廣泛作用于上皮細胞（無論在外胚層上皮還是在内皮層上皮）重要的間質調控因子，在胚胎多種組織或器官發生中起着不可或缺的作用（表2）。FGF10 K O 小鼠不僅不能形成四肢、肺、甲狀腺、胸腺、垂體前葉和下颌下腺，還導緻牙齒，腎髒，胰 腺等器官的發育不全〔1〕。已知FGFR2b的配體有FGF1、FGF7、FGF10，但FGF1 和FGF 7 KO小鼠表型正常或隻有輕微異常（表1），而FGFR2b KO小鼠〔12〕表型與FGF10 KO 小鼠表型又非常相似（表2），從而推斷FGF10 是FGFR2b的主要配體，充當上皮-間質相互作用的重要信号，是多種器官發育必需的形态發生因子。

4 FGFs作用機制及其影響因素

　　4.1 FGFs的信号通路：FGFs與存在于細胞表面的FGFRs結合，将信号傳遞到胞内。FGFRs有4種基因型(FGFR1~4) ， 同是一種跨膜蛋白質，主要由3個部分組成：即胞外段、跨膜區和胞内段。胞外段爲配 體結合區 ，包括2個或3個免疫球蛋白樣功能區。根據FGFRs選擇性拼接的差異，目前已知存在7種 受體 蛋白的亞型結構〔15〕。如FGFR1有FGFR1b,1c,2b,2c,3b,3c,4 7種〔2〕， 各自均有不同的配體特異性。同樣FGFR2也可産生FGFR2-Ⅲb和FGFR2-Ⅲc兩種受體亞型。FGFR2-Ⅲb主要在上皮細胞中表達，FGFR2-Ⅲ c主要在間質細胞中表達。間質細胞表達的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，這種結合的 特異性與細胞膜環境和硫酸乙酰肝素有關〔16〕。其中，FGF10與FGFR2Ⅲb有較高的 親和力，是特異性配體。當FGFR2胞外段發生點突變(S252W)時，促使FGF7和FGF10激活FGF R2-Ⅲc和FGF2、FGF6、FGF9激活FGFR2-Ⅲb，導緻表達這些配體的 細胞自分泌信号激活。
　　與多數生長因子受體一樣，FGFRs都是酪氨酸激酶型受體，在與配體結合後發生二聚體化，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(IP3 K)和Ca2+，向細胞内傳遞信号〔2,17〕。目 前，對細胞内 FGF-FGFR系統下遊其他信号的傳遞作用仍所知甚少，有待研究揭示。
　　4.2 胞外基質對FGFs的調節作用：FGFs與肝素和硫酸肝素等酸性多糖結合〔13〕。這些酸性多糖不僅能提高FGFs的熱穩 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，FGFs與酸性多糖結合可提高與FGFRs的親和力和穩定性。而且，通過結構研究，已經 明确了 FGFs 與FGFRs 和酸性多糖的結合部位〔18〕。目前已知23種FGFs均分别作用 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)複合體以調控生長因子濃度及其信号傳遞，由此證實酸性多糖 是FGFs 信号的必需因子。
　　4.3 FGFs拮抗劑的調節：屬于Wnt、Bmp和Hedgehog家族等分泌性信号分子存在分泌性拮抗劑，通過信号和拮抗劑的雙 調節（dual regulation）作用精細而巧妙地控制各自的信号系統〔19〕。最早被确 認的FGFs拮抗劑是來自果蠅的sprouty(spry)。起初曾認爲spry是一種分泌性信号，其後的 研究證實spry是一種與細胞膜内側結合的胞内蛋白質，spry 通過阻礙Ras信号傳遞來阻斷FG Fs 信号〔20〕。随後，spry也在脊椎動物得到确認。研究顯示，spry表達受FGFs 信号的誘導，如肢芽形成區域spry過表達将阻礙肢芽形成〔21〕。

5 結語

　　龐大的FGFs家族成員是對多種細胞顯示多樣生理和(或)藥理作用的多能信号分子〔2〕 。随着FGFs基因組工程的完成和蛋白組工程（結構、功能和作用機制）的研究深入，作爲細胞增殖因子、血管形成因子、神經營養因子、形态發生因子、組織修複-再生因 子的FGFs，有望在發育學、生理學和臨床藥理學方面作出貢獻。