Rap1的生物學功能與調控的研究進展

翁元峰，楊志彪

（1.上海交通大學 農業與生物學院，上海 200240；2.中國科學院 上海巴斯德研究所，上海 200031）

Rap1是一種小GTPase蛋白，與Ras蛋白具有高度同源性，在決定下游信號通路及受體的結構域上具有顯著的相似性[1]。

作為一類小G蛋白，Rap1可以被一系列的細胞外刺激因子所激活，包括生長因子、受體酪氨酸激酶、各類G蛋白等[2]。但是，由Rap1組成的信號通路主要是受GEFs和GAPs的嚴密調控，它們調控這些GTPases蛋白主要是通過控制其在與GTP結合的活性狀態和與GDP結合的失活狀態之間的轉變。GEFs會通過促進結合的GDP釋放，再與GTP結合而激活GTPases。GAPs則可增強內在的GTPase活性，使GTP水解[2]。

1 Rap1的生物學功能

1.1 細胞增殖中的Rap1信號通路

提到對Rap1功能的探究，首先會提到Ras-ERK信號通路。有實驗發現了一種Rap1的活性形式—RapV12，可能會通過競爭性抑制c-Raf1被Ras的活化[3]。同時，Rap1被報道稱在另一種成纖維細胞系中可以加速細胞的生長，并且在特定細胞系中具有激活B-Raf而不依賴于Ras的能力[4]。Rap1對于c-Raf1和B-Raf的活化效應上的差異說明，Rap1GTP與c-Raf1的半胱氨酸富集區的結合能力要比B-Raf強。在免疫系統中，未通過特異性抗原刺激增殖的無性系T細胞會顯示出異常高的Rap1GTP水平，并且在正常T細胞克隆中，RapV12的過高表達會誘導一種ERK的活化以應對抗原刺激的狀態[5]。目前，RapV12已經被廣泛認為是Rap1的一種持續活性形式，并且最近的研究揭示了RapV12也是最不易受Rap1GAP的影響的一種形式[6]。在SPA-1（一種GAP）基因轉染的小鼠實驗中，Ishida等人發現內生的Rap1會促進造血干細胞的增殖以及ERK的激活，這說明Rap1GTP誘導ERK的活化可能是通過B-Raf而不是Ras。相反，在SPA-1基因敲除后的小鼠T細胞中抗原刺激下持續激活的Rap1最終會導致T細胞的無能，這是因為缺失了Ras介導的ERK的活化。同時，這些結果也證實了關于Rap1信號通路在細胞增殖中的作用是高度依賴于細胞環境的這一猜想。

1.2 Rap1在細胞黏附與細胞連接中的作用

1.2.1 Rap1調控整合素的信號通路

雖然Rap1信號通路的多種功能都已被發現，但最被認可的是它參與整合素介導的細胞黏附過程。整合素是異二聚體形式的細胞內的黏附分子（ICAMs），由一條不同的α鏈和β鏈組成。研究發現，粒細胞集落刺激因子誘導的細胞黏附可以通過轉染Spa1基因而被抑制[7]。后來又有三項獨立的實驗證實Rap1在整合素的信號通路中發揮作用。其中Katagiri等人發現在白血病細胞中，Rap1的表達會誘導由整合素αLβ2（LFA1）介導的細胞黏附[8]。

1.2.2 Rap1調控細胞之間的連接形式

對細胞的黏附與連接的調控主要體現在兩個水平：（1）嚴密地控調是在E-鈣黏蛋白的囊泡分選，這決定了它在細胞表面的水平；（2）信號級聯反應控制細胞支架與E-鈣黏蛋白的連接，從而可以穩定這種連接[9-10]。然而Rap1A和Rap1B似乎可以對兩種方式都產生影響。

首次發現Rap1參與細胞連接的調控是在果蠅的基因研究中，Rap1基因突變的細胞會有一個不同的形狀，并且會分散到周圍正常組織中，這說明這些突變的細胞存在一個細胞連接上的缺陷[11]。事實上，果蠅中的E-鈣黏蛋白（DE-鈣黏蛋白）是會平均分布在野生型（WT）細胞的外側，但在Rap1突變的細胞中這種分布是不一致的：DE-鈣黏蛋白會呈簇狀分布且集中在細胞的一側。這些蛋白簇還包含其他的連接蛋白：α-連環蛋白、β-連環蛋白以及ZO-1等。更重要的是，細胞頂側-基底側的極性以及α-連環蛋白、β-連環蛋白和DE-鈣黏蛋白的分布在Rap1變異細胞中并沒有受到影響。

Rap1在哺乳動物中對細胞連接的調控作用是通過發現DOCK4是一種非典型的GEF而確定的。這種蛋白是在篩查小鼠腫瘤抑制基因時發現的，而且此種蛋白的失活形式也在人類腫瘤細胞系中發現了[12]。研究證實，在缺乏DOCK4的骨肉瘤細胞系中細胞之間的連接會消失，但在轉入了WT DOCK4或者活性形式的Rap1后，細胞之間的連接卻很容易形成。

1.3 Rap1在惡性腫瘤中的作用

最初盡管有研究者關注了Rap1在惡性腫瘤發展過程中的可能發揮的潛在作用，但是直到近些年才開始有研究證明Rap1確實通過不同的信號通路在各類癌癥中發揮作用。Jun Xiang等[13]人進一步證實了在前列腺癌中，miR203會通過下調Rap1的表達從而抑制細胞增殖、黏附和侵襲。在卵巢癌中，有研究證實Rap1A可以通過ERK/p38以及Notch信號通路促進癌癥的轉移[14]。在乳腺癌中，最新研究證明miR-433可通過MAPK-Rap1A通路抑制癌細胞的生長[15]。綜上所述，盡管在不同實驗中驗證了Rap1通過不同的信號通路在癌癥中發揮作用，但可得出結論是Rap1在癌癥中發揮了促癌的作用。

2 調控Rap1的信號通路

2.1 Rap1 GEFs

有一部分GEFs的蛋白活性中心的結構是相同的，它們有著獨特的受體或者第二信使。C3G是第一種被分離出來的Rap1 GEF，可以結合Crk受體蛋白上的SH3結構域，進而磷酸化并激活[16]。Epac家族蛋白可以結合AMP并通過構型的改變激活其GEF的活性。最近，有報道稱c-AMP類似物可以選擇性抑制由c-AMP介導的Epac的活化而不影響PKA活性。

2.2 Rap1 GAPs

相較于前面提到GEFs的分子多樣性，Rap1特異性的GAPs中只有兩類有著共同的蛋白活性中心——GAP相關結構域（GRD）：rap GAPs以及SPA-1家族蛋白。有著GRD的蛋白質在線蟲，果蠅到哺乳動物中都是高度保守的[17]。rap GAP-Ⅰ是第一種被分離出來的GAP，rap GAP-Ⅱ的N-末端可以結合Gal并且可以通過G蛋白結合受體移位到細胞膜。SPA-1被分離出來的原型是一種在淋巴造血細胞中由促有絲分裂刺激誘導而來的蛋白[18]。因此，每一種GAP似乎在不同的組織細胞中都展現了一種獨一無二的表達和亞細胞定位。

3 結論

目前，越來越多的研究揭示了Rap1在細胞增殖、黏附與細胞的連接，甚至在癌癥中的生物學功能，但其中不同的信號通路及復雜的作用機制仍然沒有清楚的認識。而對于GEFs和GAPs的分析則為Rap1在細胞中的活性，分布及穩定的調控機制的探究提供了依據。Rap1在生理和病理過程中的信號通路的作用依賴于不同組織的細胞類型，而其中的分子機制應當有希望為控制人類疾病提供新的線索。