表皮生长因子及其作用机制

表皮生长因子及其作用机制1962年，CohenS用羧甲基纤维素从雄性小鼠颌下腺腺管分离出纯化神经生长因子（NGF）后发现另一类物质可使新生小鼠眼睑早开、牙齿早萌、体重减轻和毛发生长延迟，他提纯了这种由53个氨基酸构成的单链多肽称之为表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）[1-3]1979年，Carpenter等人报道了人表皮生长因子（hEGF）的氨基酸残基组成同年，Gregory从人尿中发现了能够抑制胃酸分泌的抑胃素，称之为尿抑胃素（Urogastrone，UG），并发现EGF与UG的化学结构与生物活性极为相似，于是人们把EGF和UG这两种多肽看成同一物质，一般称之为上皮生长因子—尿抑胃素（EGF—UG）随后，在大白鼠、猪等生物体中均发现了表皮生长因子mEGF和pEGF 这之后关于EGF的生物学功能开展了大量研究经研究发现EGF 具有促进细胞分裂、与某些癌性病变密不可分，除此之外，对呼吸系统、生殖系统也有很重要的作用尤其是EGF可以促进上皮细胞分裂增殖，Imanish J，Kamiyama K Iguchi等人在2021年发现应用EGF可以明显增加创面的内胶原和细胞DNA含量，加速创面愈合随后EGF 不论在临床应用还是美容领域都得到广泛应用近年来，对EGF及其受体（EGF receptor，EGFR）的研究成为生物化学研究的热点之一，对于其作用机制、影响因子和如何提高其生物学功能进行了广泛的研究1表皮生长因子家族、分子结构及其生物学效应11表皮生长因子家族在发现EGF后的40多年时间里，又先后发现了一些与EGF密切相关的生长因子，大小都在50～80个氨基酸之间，被称为EGF家族包括1976 年Todaro和Delareo在肉瘤病毒转化的3T3成纤维细胞培养介质中发现一种具有EGF活性的生长因子，命名为转化生长因子α（transforming growth factor α，TGF α）、之后又发现了牛痘病毒生长因子（vaccinia growth factor，VGF）、休普氏纤维瘤生长因子（shope fibroma growth factor，MGF）、粘液瘤生长因子（myxoma growthfactor，MGF）、两性调节蛋白（ampiregulin）、双向调节素（arnphireguli，AR）、betacellulin（BTC）、epiregulin（EPl）、结合肝素的EGF样生长因子（heparin-bingingEGF-likegrowth factor，HB-EGF）、痘苗病毒生长因子（vaccinia virus growth factor，VVGF）等12表皮生长因子的分子结构特点EGF是最早确立结构的生长因子1986年Bell等人通过基因克隆及重组分析，阐明了EGF 的基因位点及其编码序列，小鼠和人的EGF 基因均为单拷贝基因编码小鼠和人EGF的基因分别位于第3号和第4号染色体的长臂上hEGF 以hEGF-β和hEGF-γ两种形式存在，hEGF-β和hEGF-γ两者有98%的同源性和相似的分子结构，而且它们作用于同一个受体，并产生相同的生物学效应EGF的mRNA序列由4871bp组成，编码一个1217个氨基酸残基的大分子蛋白前体，有一个长3621bp的开放阅读框，编码1207个氨基酸残基EGF前体有两个类似疏水袋的序列，一个位于前体的N 末端，作为生物合成时的信号肽，在转录后很快被除去；另一个在前体的C端附近的成熟EGF序列之后，由于这一疏水序列后又跟有一个含大量碱性氨基酸的短序列，因而这段序列可能是固定在膜上的跨膜蛋白，类似于一个跨膜受体，被广泛的认为EGF就是在膜表面通过蛋白酶水解后由前体加工而来hEGF前体除具有产生成熟hEGF外，其可能本身也具有生物活性，如hEGF分子的C结构域可能与受体结合来刺激细胞增殖，也有人推测它可能作为一种膜蛋白，在离子转运及细胞识别中起识别作用EGF家族的成员在一级结构上相差甚大，有30%的同源性，但在空间结构上具有一定的保守性，EGF家族内存在着11个保守的氨基酸残基，其中完全保守的6个半胱氨酸残基，在分子内部形成3对二硫键，使得这些分子具有相似的空间构象，因而都能够与EGF受体结合，并且在生物学的功能上也表现出一定的相似性，因此把它们归为一个家族，称为EGF家族EGF 家族的结构特征可以从两方面来认识：一是它的一级结构，从中人们发现了多种吸引广大学者的序列；二是它的空间结构，借助高分辨率的核磁共振（NMR）分析技术已对EGF 的空间构象有了更深刻的了解和认识成熟的hEGF是具有53个氨基酸残基的不可透析的单链多肽，等电点（PI）为46，分子量为6045Da，对热稳定，含3个链内二硫键，从而在6～20、14～3l和33～42之间分别形成三个环，这些环状结构使EGF对蛋白酶具有较高的稳定性，活性中心位于48～53个氨基酸残基之间，该二硫键对EGF生物学活性的发挥起重要作用成熟的小鼠表皮生长因子（mEGF）是一种水溶性、低分子量、对酸对热稳定、不可透析的单链多肽，由53个氨基酸组成，不含丙氨酸、苯丙氨酸和赖氨酸，含有3个链内二硫键，分子量约为6040Da，等电点为46，消光系数（280nm）为309，沉淀常数125s早期圆二色谱分析表明，mEGF的二级结构是致密的球状结构，其中约25%为β-片层结构，75%为无规则的螺旋卷曲，无α-螺旋后经核磁共振（NMR）研究证实其肽骨架中仅存在反平行的β-片层[19-20]mEGF在盐酸胍中的伸展动力学研究表明，mEGF是已知的最稳定的蛋白之一EGF对热稳定，在-20 ℃中能保持长期稳定；在中性溶液中100 ℃煮沸30 min仍保持稳定，但在100℃的01NNaOH或02NHCI中失活耐胰蛋白酶、糜蛋白酶和胃蛋白酶的消化EGF分子中不含丙氨酸、苯丙氨酸和赖氨酸第53位精氨酸和第52位亮氨酸常被蛋白酶去除，因此EGF氨基端40多个氨基酸即具有该因子的全部活性EGF分子的空间结构可分为相对独立的N段和C段，这两部分较为刚性，分别由两对和一对相对柔性的二硫键相连，因此两部分的空间位置相对可变，整个分子较为柔性13表皮生长因子的生物学效应EGF对表皮、间皮、内皮细胞在体内外都起作用，还影响组织器官的生长和分化人们首次发现的EGF作用是能使乳鼠眼睑早开6～7 d，牙齿早萌5～6 d，并伴有牙齿体积减小现象此外，EGF还可促进心包膜、肾被膜、胆管和肺的发育（1）促进上皮细胞分裂增殖EGF具有促进细胞的增殖和上皮再生的功能，可以促进细胞有丝分裂以及糖、蛋白质、DNA、RNA合成，在临床上与很多疾病，如免疫性皮肤病、创面组织修复及牙周炎等的治疗密切相关，而在毛发囊泡细胞、鳞癌细胞中EGF却有抗增殖效应；EGF可以明显的增加创面的内胶原和细胞DNA含量，具有促进创面愈合作用，如促进外伤、手术、烧烫伤及各种激光损伤等引起的皮肤创伤愈合中有明显的效果；促进角膜上皮细胞的增殖，用来治疗角膜损伤EGF强烈的表达于角膜上皮的深层细胞和角膜缘上皮细胞、部分结膜上皮细胞和结膜下结缔组织内成纤维细胞等眼表层组织以自分泌或（和）旁分泌的方式与EGFR相结合，促进角膜损伤修复；EGF是组织修复和细胞保护作用的内源性物质，在人类胃肠道、十二指肠粘膜溃疡愈合过程中起着十分重要作用，在治疗肿瘤方面，最近国外用大量hEGF与毒素结合治疗神经胶质瘤、乳腺瘤、皮肤瘤，已取得一定疗效同时临床上还可以应用EGFR单克隆抗体拮抗EGF对人牙龈上皮细胞的促增殖作用，为防止牙周炎提出了新的思路及其理论依据EGF促进组织修复的功能越来越受人们的重视，已被用于角膜、胃、肠道、肝脏、骨骼、神经等多种组织创伤的研究其研究和技术的进展即将在临床上广泛应用（2）EGF与某些癌性病变密不可分研究表明EGF与肿瘤有三方面的关系：①某些肿瘤细胞可以自分泌EGF 直接作用于胞膜上EGF受体，加速其无抑制地异常增殖②EGF受体的氨基酸排列和组成，与某些癌基因的产物具有高度的同源性，如EGF受体与病毒致癌基因src家族的产物有同源性，因此EGF受体不依赖EGF也能被激活，这种受体的持续激活可导致细胞不断生长，这可能是导致细胞恶变的原因之一③多种肿瘤细胞的EGF受体有过度表达现象，如鳞癌、多形性脑胶质细胞瘤、喉乳头状瘤等（3）EGF调节内分泌腺EGF与多种内分泌腺之间有密切的相互调节的关系，可直接或间接影响多种内分泌腺的分泌EGF可以促进GnRH、CRF、GH、ACTH、LH、hCG、hCS、PRL、皮质醇等的分泌，抑制翠酮、雌二醇、甲状腺素等的分泌另外，EGF可刺激人骨肉瘤细胞分泌甲状旁腺激素样肽（PTH-like peptide），并刺激成骨细胞合成前列腺素E2（PGE2），促进胃泌素、胆囊收缩素、促胰酶素等胃肠道激素的分泌，并参与消化机能的调节（4）对呼吸系统的作用EGF可经自分泌或旁分泌方式对气道上皮细胞的功能进行调控作为一种肺内调节肽，具有抗氧化保护作用它可以上调γ-谷氨酰转肽酶的表达、加速外源性谷胱甘肽（GSH）向细胞内转运和促进GSH 合成、提高细胞的抗氧化能力及清除活性氧等EGF还可通过细胞内信号转导来调控原癌基因bcl-2的转导水平此外，EGF对肺泡Ⅱ型细胞增生有明显的调控作用，如加速肺泡Ⅱ型细胞结构和功能分化，从而合成表面活性物质，促进胎肺成熟，进而参与肺损伤修复过程（5）EGF在糖尿病及糖尿病肾病（DN）的发生发展中起重要作用其检测对DN的早期诊断、病情分析及临床治疗有一定的理论价值对EGF与糖尿病性腺轴的损伤关系的研究表明，胰岛素的作用部分由EGF调节；胰岛素或睾酮不足可导致EGF缺乏，而EGF缺乏可能是直接引起生精障碍的重要原因（6）EGF对生殖系统的主要作用①影响睾丸发育和精子发生②调节卵巢的发育与生殖功能刺激卵母细胞发育、抑制人绒毛膜促性腺激素诱发的排卵效应、刺激颗粒细胞增殖、影响颗粒细胞的甾体激素分泌与肽类因子的分泌③促进合子发育④ 作为胚胎营养因子调节早期胚胎发育既可通过EGFR提高早期胚胎卵裂率和囊胚发育率；又可活化Na/KaATP酶，加快囊胚腔内液体的积聚，促进囊胚腔的形成与扩展；还可间接地使肌动蛋白发生磷酸化，引起细胞粘着性以及胚胎卵裂球的分化发生改变⑤ 通过激活胚泡和调节子宫接受性等途径启动胚泡植入（7）EGF作为具有神经营养活性的因子，在神经损伤后可以保护相应的背根神经节感觉神经元此外，EGF还是一种脑肠肽神经递质2EGF作用机制EGF通过与其细胞膜受体结合，在细胞内传递中构成一个复杂的代谢网络，诱导受体自身磷酸化，激活受体酪氨酸蛋白激酶活性，催化多种底物蛋白酪氨酸残基（Tvr）磷酸化，启动、催化、维持与细胞生长、增殖有关的一系列生化过程21基本作用机制Ullrich 等人[30-31]提出二聚体学说，即EGF与EGFR结合后相邻受体相互靠近形成二聚体，聚集的受体相互进行催化，使自身酪氨酸磷酸化，从而使受体的激酶区激活的观点，该学说已得到了证实EGF首先与EGFR的胞外结合部位结合，导致受体分子发生二聚化，促使EGFR羧基末端的三个酪氨酸残基（Tyr）自身磷酸化位点发生磷酸化，使受体酪氨酸激酶活化，从而磷酸化受体本身及下游的信号分子；磷酸化的受体通过其磷酸化酪氨酸残基可与蛋白质的SH2结构域相互作用，结合胞内的信号转导分子已知EGFR的活化可以使细胞内三磷酸肌醇和二酰基甘油增多，结果引起细胞内游离钙离子增多，激活磷酸蛋白激酶c和磷酸蛋白激酶A，从而介导各种信号转导途径，使细胞增殖和功能发生改变诱导EGFR自身磷酸化的位点是在其羧基端1068、148、1173和氨基端一个位点的四个Tyr残基关于信息传递的过程，目前认为这种信息传递是以逐级放大形式来进行的即被激活的一级信息分子去激活下一级信息分子，以此类推，每一次传递都是激活过程而磷酸化的受体激酶区一方面能特异地与配体结合被磷酸化，另一方面又启动另外的信息分子，依次将信息传递到效应分子，使细胞内第二信使三磷酸肌醇和二乙酰甘油增多，引起细胞内游离Ca2+增多，激活蛋白激酶C和腺苷酸环化酶，改变细胞的骨架结构，使细胞分化、分裂和增殖等但时至今日，有关EGF的作用机理仍有许多问题有待进一步阐明22三种蛋白酶的激活（1）酪氨酸蛋白激酶（TPK）的激活：EGF受体的第三结构区具有特异性的TPK活性对此酶底物的研究是了解EGF如何刺激细胞增殖的信号传导过程的关键所在，EGF与受体结合诱导受体磷酸化，激活*****不仅能自身磷酸化，而且还使依赖于Ca2+离子的蛋白质或磷脂酰肌醇的磷酸化利用定位突变的方法已经证明：TPK磷酸化与否对酶活性有重要调节作用，高活性的TPK可促使细胞增殖或癌变（2）C激酶（PKC）的激活：EGF与受体结合从而诱导受体结构产生变化，通过G蛋白降低受体TPK活性，从而导致EGF与受体复合物的高亲合性结合快速下降，使受体受到功能上的下降调节，说明PKC活性与EGF密切相关，EGF表现的促细胞增殖、促癌作用有可能都是通过激活PKC来表现的，也可说明通过下降调节的反馈作用抑制了EGF受体促进细胞增殖的力可能正是由于PKC这种反馈抑制作用才使得正常细胞中EGF受体不会导致细胞异常增生（3）CAPK的激活：可能核内EGF受体或OAG（1-油酰-2-乙酰-消旋甘油）以外的其它第二信使来增强NC3H/10的染色体蛋白激酶（CAPK）的活性，EGF对CAPK的活性的影响有助于说明核内EGF的作用过程以上三种蛋白激酶的激活，从而保障了EGF受体复合物的一系列生理功能EGF的发现和研究的历史十分短暂，但其特殊的生物学效应决定了它的广泛应用随着研究的深入和临床上的广泛应用，一些疑难病症，如重度烧伤、大面积创伤、消化道溃疡、角膜严重损伤等，均有望迅速治愈甚至目前的一些不治之症：如神经损伤、恶性肿瘤、AIDS 病等，也可能通过EGF 的使用而有所缓解和恢复可以预言，EGF 的应用必将为今后生命科学研究带来重大的飞跃。