成纤维细胞生长因子信号分子的结构和功能

　　早期研究使用的成纤维细胞生长因子(fgfs)主要来自牛脑和脑垂体的提取液，是大约150 个氨基酸结构的酸性或碱性成纤维细胞生长因子(afgf：fgf1或bfgf：fgf2)。其后分离的 癌基因产物的细胞增殖因子与上述fgfs结构类似，也被分类在fgfs家族，并依次命名为fgf3 ~9〔1〕。目前已发现23种 fgfs。现主要就多能fgfs结构和相关功能机制 的研究进展进行综述。?

　　1 发现和鉴定新的fgfs结构?

　　fgfs作为细胞间信号分子在胚胎发生和分化过程中起重要作用。fgfs 是由约150~200氨基酸 组成的多肽，相互之间的氨基酸序列有20%~50%是相同的〔2,3〕。其中心区域有大约 120个氨基酸序列存在高度的同源性(30%~70%)。利用该区域的同源性，以人、小鼠或大鼠 cdna 和基因组dna为模板、采用同源序列pcr法进行新 fgfs基因检测。当然 ，还可以采用t7噬菌体?cdna显示法鉴定新fgfs。fgfs受体(fgfrs)是典型的膜结合酪氨 酸激酶型受体。将fgfrs的胞外结构域在杆状病毒群(baculovirus) 表达株表达，制成重组的细胞外结构域(可溶性 fgf受体)。进而利用可溶性 fgfrs与配体 结合的特性，通过t7噬菌体 cdna显示法对互补cdna 文库进行筛选。?

　　通过同源序列pcr法，已经发现了6种新的fgfs基因( fgf10、 fgf16、fgf17、fgf18、 fgf20、fg f21)〔4〕。虽然t7 噬菌体 cdna显示法能获得较多的阳性克隆，但不能确认 是新发 现的 fgfs。随着人类基因组结构的解析及其dna 数据库被公开，通过基因检索进而又发现3 种新的fgfs基因(fgf19、fgf22、fgf23)〔5,6〕，并发现fgf-22 mrna 选择性表达于皮肤毛囊的内毛根鞘〔7〕。加上在探索视网膜特异性 表达基因的过程中所发现的4种新的fgfs基因(即fgf11、fgf12、fgf13和fgf14)〔1 〕，以及mcwhirt er等〔8〕在探索嵌合体同源结构域癌蛋白(chimeric homeodomain oncoprotein)e 2a-pbx1 下游目标过程中发现的fgf15，迄今共鉴定出23种人或鼠fgfs。但是 人fgf15和小鼠fgf19尚未被证实。 人fgf19与小鼠fgf15显示很高的同源性(约50%)，且这两种基因都跟fgf3、 fgf4 基因的染色体邻接〔3〕，由此推断人fgf19是小鼠fgf15的相同体。由于人与小 鼠其他fgfs结构之间的同源性达90%以上，因而除非fgf15和 fgf19 在进化过程中意外地发 生大的变异，否则两者将伴随着进化过程而逐渐消失。?

　　2 fgfs家族成员和基因定位?

　　在人类的fgfs中，能细分出fgf 7、 fgf10、fgf22和fgf9、fgf16、fgf20等许多亚科(subfamily)。fgfs 亚科与各染色体定位之 间无明显的相关性，人类fgfs基因多数散在分布于全基因组中。但也有一些fgfs基因在基因 组 上形成群落，如fgf3、fgf4和fgf19位于染色体11q13，fgf6、fgf23位于染色体13p13，而fg f17、fgf20则位于染色体 8p21-p22 相互邻接位置上。由此推断fgfs基因家 族是在进化、复制和易位等复杂过程中形成的〔1〕。人类fgfs基因的翻译区域多数 由3个基因构成相似的外显子(exon)构成。但在fgf11~14的翻译区域是由5个外显子构成的 〔3〕，fgfs 基因翻译区域的大小约5~100 kb。此外，部分fgfs 可通过机 制不清的选择性剪接(alternative splicing)形成fgfs亚型。?

　　fgfs可以分为几个亚组，fgf10和 fgf7同属于角朊细胞生长因子(kgf)组。除了fgf15外，以22种人类fgfs氨基酸序列的中心区 域为 基础制成以上进化系统树(fgf15使用小鼠的氨基酸序列)。树中横线显示氨基酸序列偏离程 度，箭头所指为人类fgfs在染色体上的位置〔3，6〕(注：人类 fgf15基因和fgf16 基因位置未 确定)。?

　　多数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虽然没有明确的信号序列却能高效地分泌到细胞外〔3〕。fgf1 和fgf2也缺乏信号序列和正常的分泌途径，却能出现在胞外基质，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进行释放。此外 ，fgf11~14没有信号序列，认为这些fgfs被储留在胞内〔1〕。?

　　fgfs不仅存在于脊椎动物体内，也存在于无脊椎动物体内。通过基因组的解读，在果蝇和c. e legans分别找到1种fgf(branchless)〔1〕和2种fgfs (egl-17和let-756)〔9〕，斑马鱼(zebrafish)有4种fgfs (fgf3、8、17、18)，爪蟾 (xenopus)则有6种fgfs〔(fgf(i)、(ii)和fgf3、8、9、20〕，鸡有?7种fgfs ( fgf2、4、8、12、14、18、19)，然而在e.coli和s.cerevisiae等单细胞生物中未检到 fgfs，显示fgfs家族成员在向脊椎动物进化的过程中呈现增加的趋势〔3〕。?

　　fgfs可以分为几个亚组，fgf10 和f gf7同属于角朊细胞生长因子(kgf)组。除fgf15外，以22种人 fgfs 氨基酸序列的中心区域 为 基础制成该进化系统树 (fgf15 使用小鼠的氨基酸序列)。横线显示氨基酸序列偏离程度 。箭头所指为人fgfs在染色体上的位置〔3,6〕 (注：人fgf15基因和fgf16基因位置 未确定)。

　　3 fgfs基因敲除(ko)与功能解析

　　目前已经报告11种 fgfs ko小鼠，其表型多种多样(表1)。fgf1和 fgf2因广泛表达于胚胎 和成体组织器官，并因参与组织器官修复而倍受关注〔10〕，但在其基因敲除小鼠身上不是完全正常就是仅有轻微异常。此前曾推测，fgf1和 fgf2 ko小鼠几乎不发生异常 的原因可能与两者结构和生物活性类似、可相互弥补对方的功能缺失有关，然而在fgf1/ fg f2双ko小鼠依旧显示轻微的异常〔11〕。因此，需继续加强fgf1 和fgf2 的生理功能 的研究。此外，fgf4，fgf8 ，fgf9和 fgf10 ko小鼠会导致胚胎死亡或出生即刻死亡。通过这些 fgfs ko 小鼠的表型的解析，将逐渐明确fgfs作为形态发生因子的重要性〔3〕。在所有fgfs中，fgf10是广泛作用于上皮细胞(无论在外胚层上皮还是在内皮层上皮)重要的间质调控因子，在胚胎多种组织或器官发生中起着不可或缺的作用(表2)。fgf10 k o 小鼠不仅不能形成四肢、肺、甲状腺、胸腺、垂体前叶和下颌下腺，还导致牙齿，肾脏，胰 腺等器官的发育不全〔1〕。已知fgfr2b的配体有fgf1、fgf7、fgf10，但fgf1 和fgf 7 ko小鼠表型正常或只有轻微异常(表1)，而fgfr2b ko小鼠〔12〕表型与fgf10 ko 小鼠表型又非常相似(表2)，从而推断fgf10 是fgfr2b的主要配体，充当上皮-间质相互作用的重要信号，是多种器官发育必需的形态发生因子。

　　4 fgfs作用机制及其影响因素?

　　4.1 fgfs的信号通路：fgfs与存在于细胞表面的fgfrs结合，将信号传递到胞内。fgfrs有4种基因型(fgfr?1~4) ， 同是一种跨膜蛋白质，主要由?3个部分组成：即胞外段、跨膜区和胞内段。胞外段为配 体结合区 ，包括2个或3个免疫球蛋白样功能区。根据fgfrs选择性拼接的差异，目前已知存在7种 受体 蛋白的亚型结构〔15〕。如fgfr1有fgfr1b,1c,2b,2c,3b,3c,4 7种〔2〕， 各自均有不同的配体特异性。同样fgfr2也可产生fgfr2-Ⅲb和fgfr2-Ⅲc两种受体亚型。fgfr2-Ⅲb主要在上皮细胞中表达，fgfr2-Ⅲ c主要在间质细胞中表达。间质细胞表达的fgf7和fgf10能特异性地激活fgfr2- Ⅲb，而fgf2、fgf4、fgf6、fgf8和fgf9则特异性激活fgfr2-Ⅲc，这种结合的 特异性与细胞膜环境和硫酸乙酰肝素有关〔16〕。其中，fgf10与fgfr2Ⅲb有较高的 亲和力，是特异性配体。当fgfr2胞外段发生点突变(s252w)时，促使fgf7和fgf10激活fgf r2-Ⅲc和fgf2、fgf6、fgf9激活fgfr2-Ⅲb，导致表达这些配体的 细胞自分泌信号激活。

　　与多数生长因子受体一样，fgfrs都是酪氨酸激酶型受体，在与配体结合后发生二聚体化，从而激活酪氨酸激酶，在激活shc/frs-raf/mapkkk-mapkk-mapk通路的基础上，通过大量释放磷脂酶c (plc )、蛋白激酶c(pkc)、磷脂酰肌醇3 -激酶系统(?ip3 k)和ca2+，向细胞内传递信号〔2,17〕。目 前，对细胞内 fgf-fgfr系统下游其他信号的传递作用仍所知甚少，有待研究揭示。?

　　4.2 胞外基质对fgfs的调节作用：fgfs与肝素和硫酸肝素等酸性多糖结合〔13〕。这些酸性多糖不仅能提高fgfs的热稳 定性和对蛋白酶解(proteolysis)的抵抗性，也能起到浓集和释放fgfs等作用。最近研究显示，fgfs与酸性多糖结合可提高与fgfrs的亲和力和稳定性。而且，通过结构研究，已经 明确了 fgfs 与fgfrs 和酸性多糖的结合部位〔18〕。目前已知23种fgfs均分别作用 于硫酸乙酰肝素(hspg)链的不同特异性部位，并通过选择性形成fgfrs-fgfs-hs(硫酸乙酰肝素)复合体以调控生长因子浓度及其信号传递，由此证实酸性多糖 是fgfs 信号的必需因子。?

　　4.3 fgfs拮抗剂的调节：属于wnt、bmp和hedgehog家族等分泌性信号分子存在分泌性拮抗剂，通过信号和拮抗剂的双 调节(dual regulation)作用精细而巧妙地控制各自的信号系统〔19〕。最早被确 认的fgfs拮抗剂是来自果蝇的sprouty(spry)。起初曾认为spry是一种分泌性信号，其后的 研究证实spry是一种与细胞膜内侧结合的胞内蛋白质，spry 通过阻碍ras信号传递来阻断fg fs 信号〔20〕。随后，spry也在脊椎动物得到确认。研究显示，spry表达受fgfs 信号的诱导，如肢芽形成区域spry过表达将阻碍肢芽形成〔21〕。?

　　5 结语?

　　庞大的fgfs家族成员是对多种细胞显示多样生理和(或)药理作用的多能信号分子〔2〕 。随着fgfs基因组工程的完成和蛋白组工程(结构、功能和作用机制)的研究深入，作为细胞增殖因子、血管形成因子、神经营养因子、形态发生因子、组织修复-再生因 子的fgfs，有望在发育学、生理学和临床药理学方面作出贡献。