回饋效應(Feedback Loop)

1.1 前言 (Preface)

腫瘤發生是一個複雜的過程，需要積累多個基因和途徑的改建，

以大腸癌為例子。超過 80%的結腸腺瘤和結腸腺瘤樣息肉(adenomatous polyposis coli)產生突變，APC 功能的喪失導致激活 Wnt 信號^1,2。而表 皮生長因子受體 ³的過度表達，也是近代研究的目標，有文獻 ^4-6指出

1.2 Wnt pathway

Wnt 信號蛋白是一類分泌型糖蛋白，它透過活化信號通路(signal transduction pathway)參與了細胞的增殖、分化和凋亡。

Wnt 信號途徑能引起細胞內β-連鎖蛋白(β-catenin)積累。β -catenin 是一種多功能的蛋白質，從文獻 ^7,8我們得知β-catenin 的濃度 與癌症的產生有一定關聯。因此我們專注研究與β-catenin 有關的部分。 受體，能與 Wnt 結合。引起 Frz 激活細胞質內的蓬亂蛋白(Dishevelled，

Dsh 或 Dvl)，Dsh 能切斷β-catenin 的降解途徑，從而使得β-catenin 在細胞質中積累，並進入細胞核，與 T 細胞因子(T cell factor/lymphoid enhancer factor，TCF/LEF)相互作用，調節靶基因的表達。TCF/LEF 是 一類具有雙向調節功能的轉錄因子，它與 Groucho 結合抑制基因轉錄，

但與β-catenin 結合則促進基因的轉錄^9,10。

圖 1 Wnt 訊號途徑簡圖引自 Eisenmann, D. M., Wnt signaling (June 25, 2005), WormBook, ed

圖的左半部為 Wnt 訊號還沒進入訊息傳遞途徑時，β-catenin 降解複合體少部分 進入細胞核多數降解。右半部為 Wnt 訊號進入訊息傳遞途徑，β-catenin 在細胞 質中積累，進入細胞核。

Wnt 訊號途徑(圖 1)可以簡化成：Wnt → Frz → Dsh → β-catenin 的降解複合體解散→β-catenin 積累，進入細胞核→TCF/LEF→基因轉 錄^9,10。

β-catenin 的降解複合體，主要由 APC、Axin、GSK-3β、CK1 等 構成。

GSK-3β：是一種蛋白激酶，在沒有 Wnt 信號時，GSK-3β能將

-catenin 在結合到β-TRCP 蛋白上，受泛素的共價修飾，被蛋白酶體 (proteasome)降解。β-catenin 中被 GSK-3β磷酸化的胺基酸序列稱為破 壞盒(destruction box)，此序列發生變異可能引起某些癌症。

CK1：酪蛋白激酶(casein kinase 1)，能將β-catenin 的 Ser45 磷酸 化，隨後 GSK-3β將β-catenin 的 Thr41、Ser37、Ser33 磷酸化。

APC：是一種抑癌基因，其突變引起良性腫瘤(結腸腺瘤樣息肉，

adenomatous polyposis coli)，但隨著時間的推移，可能發生惡變。APC 蛋白的作用是增強降解複合體與β-catenin 的親和力。

Axin：是一種支架蛋白，具有多個與其他蛋白作用的位點，能將 APC、GSK-3β、β-catenin、CK1 結合在一起。此外它還能與 Dishevelled、

PP2A(protein phosphatase 2A)等成分結合，其中 Dsh 與 Axin 結合能使 降解複合體解體。

sFRP：分泌行 Frz 相關蛋白(secreted frizzled-related proteins)，含有 一個 CRD 結構域，但缺少七次跨膜域，它可能與 Frz 競爭結合 Wnt 蛋 白。其它抑制蛋白還有 Sizzled、WIF-1 和 Cerberus，他們也直接與 Wnt 蛋白結合，從而拮抗 Wnt 信號。

1.3 EGFR pathway

表皮生長因子受體(EGFR，Epidermal Growth Factor Receptor)它會 與其 ligand³結合，引起訊號的傳遞。此訊號的傳遞與腫瘤細胞增殖、

血管生成、腫瘤侵襲、轉移和抑制凋亡有關¹¹。以非小細胞肺癌為例，

從文獻¹²得知當產生過量的 EGFR，促成癌症的快速生長、轉移與抗藥 性，進而使得患者的病況加速惡化。

EGFR-ERK 訊息傳遞主要途徑示意圖(圖 2)。此途徑主要為，生 長因子³結合於受體後，使得受體二聚化，激活特異的受體酪胺酸激酶，

而使受體上相應的酪胺酸殘基磷酸化。磷酸化的酪胺酸被含有 SH2 的 Grb2-Sos 蛋白複合物所結合，Sos 可使與 Ras 結合的 GDP 轉變為 GTP 因而使 Ras 活化，活化的 Ras 進一步激活 Raf-1。Raf-1 被激活後繼續 激活其下游的絲裂素活化蛋白激酶 (MEK)和絲裂素活化蛋白激酶 (MAPK；ERK)最終通過對轉錄調節因子表達的影響，而將細胞增殖 信號傳遞到細胞核內^13,14。

圖 2 EGFR-ERK 訊號主要途徑簡圖

生長因子结合於受體後，使受體二聚化、自我磷酸化。Grb2-SOS 蛋白複合物會與 EGFR 結合，結合後 SOS 可使與 Ras 活化，活化的 Ras 進一步激活下游的激酶 Raf、MEK，最终通過對轉錄調節因子的表達影響而將细胞增殖信號傳遞到细胞 核内。

EGFR-ERK pathway 主要成員有：Ras、Raf、MEK、ERK。

Ras：Ras 基因產物參與了控制基因轉錄(transcription)的蛋白激酶 信號傳導路徑。從而調節細胞的生長與增生(proliferation)。為了“打 開”這條路徑，Ras 蛋白必須與細胞內的 GTP 分子結合。為了“關閉”

這條路徑，Ras 蛋白必須裂解 GTP 分子。Ras 基因的改變使 Ras 蛋白 質發生變化，其結果 Ras 蛋白不再具有裂解 GTP 分子和釋放 GTP 分子

這種“開通”的信號導致細胞的生長和增生。因此 Ras 的過度表達與 擴增導致持續的細胞增殖，這是腫瘤發生的關鍵一步。細胞分裂由“正”

與“負”信號的平衡來調控。當 Ras 轉錄增加時，過多的基因蛋白積 蓄在細胞內。此時，細胞分裂的“正“信號則強於“負”信號。Ras 基因的點突變(point mutation)通常導致 Ras 從原 proto-oncogene 向癌基 因(oncogene)的轉化。這樣的功能改變，對細胞影響是多方面的，因為

起仲介和放大訊號的作用。一方面接受來自生長因子、絲裂原、環境

一種關鍵信號蛋白，導致骨骼肌肉肥厚和一般組織的生長。其可阻止 細胞凋亡，促進細胞生存，成為影響癌症的主要因素^19,20。

PI3K：Phosphatidylinositol 3-kinases ，其參與了細胞中的許多作用，

例如：細胞生長、增殖、分化。PI3K 在細胞轉移及癌症細胞中發生突 變。PI3K-Akt 訊息傳遞通路²¹，顯著影響細胞增生及生存。PI3K 抑制 劑能有效抑制 PIP3(Phosphatidylinositol (3,4,5)-triphosphate)的生成，阻 斷 Akt 的活化。

1.4 回饋效應(Feedback Loop)

Erbb-Wnt 訊息傳遞路徑為癌症研究之重要細胞訊息傳遞路徑。其 中 ErbB1 (又名 EGFR)-wnt 訊息傳遞路徑，對一些癌症如：肺癌、大腸 癌、直腸癌等特別重要。

然而在這訊息傳遞路經中，存在許多的回饋效應 ^17,22(feedback loop)，這些回饋效應，各自擁有其效應，影響細胞中各濃度值。

我們整理了幾個回饋效應，文獻 ¹⁷中提到了 7 條回饋機制，這些 回饋機制都被認為與某些癌症有關。有五條正回饋路徑及兩條負回饋 路徑分別為：

正回饋路徑(→：催化；⊣：抑制)

1. β-Catenin/TCF complex →Ras →ERK ⊣ GSK-3β⊣β-catenin/TCF complex 與結腸癌、肝癌有關。

2. ERK ⊣ GSK-3-β ⊣ PKCδ → ERK 與結腸癌、前列腺癌有關。

3. ERK ⊣ RKIP ⊣ MEK → ERK 與結腸癌有關。

4. ERK → Snail ⊣ RKIP ⊣ MEK → ERK 與前列腺癌有關。

5. ERK ⊣ GSK-3β ⊣ Snail ⊣ RKIP ⊣ MEK → ERK 與前列腺癌

有關。

負回饋路徑：

1. ERK ⊣ Ras → ERK 與皮膚癌有關。

2. β-Catenin/TCF complex → Axin ⊣ β-catenin/TCF complex 與結

腸癌肝癌有關。

這些研究提供我們對於正負回饋路徑的認識，然而這些交談路徑 效應，在細胞中是複雜且難以發現的。建立細胞中蛋白質與蛋白激酶 之間的關聯性，建立起可靠的網絡。進而觀察這些正負回饋路徑存在 何種細胞之中，和其調控的效應。文獻中¹⁷即可解釋 RKIP 在多個轉移 性的腫瘤細胞中所扮演的重要角色。