Rap1的生物学功能与调控的研究进展

翁元峰，杨志彪

（1.上海交通大学 农业与生物学院，上海 200240；2.中国科学院 上海巴斯德研究所，上海 200031）

Rap1是一种小GTPase蛋白，与Ras蛋白具有高度同源性，在决定下游信号通路及受体的结构域上具有显著的相似性[1]。

作为一类小G蛋白，Rap1可以被一系列的细胞外刺激因子所激活，包括生长因子、受体酪氨酸激酶、各类G蛋白等[2]。但是，由Rap1组成的信号通路主要是受GEFs和GAPs的严密调控，它们调控这些GTPases蛋白主要是通过控制其在与GTP结合的活性状态和与GDP结合的失活状态之间的转变。GEFs会通过促进结合的GDP释放，再与GTP结合而激活GTPases。GAPs则可增强内在的GTPase活性，使GTP水解[2]。

1 Rap1的生物学功能

1.1 细胞增殖中的Rap1信号通路

提到对Rap1功能的探究，首先会提到Ras-ERK信号通路。有实验发现了一种Rap1的活性形式—RapV12，可能会通过竞争性抑制c-Raf1被Ras的活化[3]。同时，Rap1被报道称在另一种成纤维细胞系中可以加速细胞的生长，并且在特定细胞系中具有激活B-Raf而不依赖于Ras的能力[4]。Rap1对于c-Raf1和B-Raf的活化效应上的差异说明，Rap1GTP与c-Raf1的半胱氨酸富集区的结合能力要比B-Raf强。在免疫系统中，未通过特异性抗原刺激增殖的无性系T细胞会显示出异常高的Rap1GTP水平，并且在正常T细胞克隆中，RapV12的过高表达会诱导一种ERK的活化以应对抗原刺激的状态[5]。目前，RapV12已经被广泛认为是Rap1的一种持续活性形式，并且最近的研究揭示了RapV12也是最不易受Rap1GAP的影响的一种形式[6]。在SPA-1（一种GAP）基因转染的小鼠实验中，Ishida等人发现内生的Rap1会促进造血干细胞的增殖以及ERK的激活，这说明Rap1GTP诱导ERK的活化可能是通过B-Raf而不是Ras。相反，在SPA-1基因敲除后的小鼠T细胞中抗原刺激下持续激活的Rap1最终会导致T细胞的无能，这是因为缺失了Ras介导的ERK的活化。同时，这些结果也证实了关于Rap1信号通路在细胞增殖中的作用是高度依赖于细胞环境的这一猜想。

1.2 Rap1在细胞黏附与细胞连接中的作用

1.2.1 Rap1调控整合素的信号通路

虽然Rap1信号通路的多种功能都已被发现，但最被认可的是它参与整合素介导的细胞黏附过程。整合素是异二聚体形式的细胞内的黏附分子（ICAMs），由一条不同的α链和β链组成。研究发现，粒细胞集落刺激因子诱导的细胞黏附可以通过转染Spa1基因而被抑制[7]。后来又有三项独立的实验证实Rap1在整合素的信号通路中发挥作用。其中Katagiri等人发现在白血病细胞中，Rap1的表达会诱导由整合素αLβ2（LFA1）介导的细胞黏附[8]。

1.2.2 Rap1调控细胞之间的连接形式

对细胞的黏附与连接的调控主要体现在两个水平：（1）严密地控调是在E-钙黏蛋白的囊泡分选，这决定了它在细胞表面的水平；（2）信号级联反应控制细胞支架与E-钙黏蛋白的连接，从而可以稳定这种连接[9-10]。然而Rap1A和Rap1B似乎可以对两种方式都产生影响。

首次发现Rap1参与细胞连接的调控是在果蝇的基因研究中，Rap1基因突变的细胞会有一个不同的形状，并且会分散到周围正常组织中，这说明这些突变的细胞存在一个细胞连接上的缺陷[11]。事实上，果蝇中的E-钙黏蛋白（DE-钙黏蛋白）是会平均分布在野生型（WT）细胞的外侧，但在Rap1突变的细胞中这种分布是不一致的：DE-钙黏蛋白会呈簇状分布且集中在细胞的一侧。这些蛋白簇还包含其他的连接蛋白：α-连环蛋白、β-连环蛋白以及ZO-1等。更重要的是，细胞顶侧-基底侧的极性以及α-连环蛋白、β-连环蛋白和DE-钙黏蛋白的分布在Rap1变异细胞中并没有受到影响。

Rap1在哺乳动物中对细胞连接的调控作用是通过发现DOCK4是一种非典型的GEF而确定的。这种蛋白是在筛查小鼠肿瘤抑制基因时发现的，而且此种蛋白的失活形式也在人类肿瘤细胞系中发现了[12]。研究证实，在缺乏DOCK4的骨肉瘤细胞系中细胞之间的连接会消失，但在转入了WT DOCK4或者活性形式的Rap1后，细胞之间的连接却很容易形成。

1.3 Rap1在恶性肿瘤中的作用

最初尽管有研究者关注了Rap1在恶性肿瘤发展过程中的可能发挥的潜在作用，但是直到近些年才开始有研究证明Rap1确实通过不同的信号通路在各类癌症中发挥作用。Jun Xiang等[13]人进一步证实了在前列腺癌中，miR203会通过下调Rap1的表达从而抑制细胞增殖、黏附和侵袭。在卵巢癌中，有研究证实Rap1A可以通过ERK/p38以及Notch信号通路促进癌症的转移[14]。在乳腺癌中，最新研究证明miR-433可通过MAPK-Rap1A通路抑制癌细胞的生长[15]。综上所述，尽管在不同实验中验证了Rap1通过不同的信号通路在癌症中发挥作用，但可得出结论是Rap1在癌症中发挥了促癌的作用。

2 调控Rap1的信号通路

2.1 Rap1 GEFs

有一部分GEFs的蛋白活性中心的结构是相同的，它们有着独特的受体或者第二信使。C3G是第一种被分离出来的Rap1 GEF，可以结合Crk受体蛋白上的SH3结构域，进而磷酸化并激活[16]。Epac家族蛋白可以结合AMP并通过构型的改变激活其GEF的活性。最近，有报道称c-AMP类似物可以选择性抑制由c-AMP介导的Epac的活化而不影响PKA活性。

2.2 Rap1 GAPs

相较于前面提到GEFs的分子多样性，Rap1特异性的GAPs中只有两类有着共同的蛋白活性中心——GAP相关结构域（GRD）：rap GAPs以及SPA-1家族蛋白。有着GRD的蛋白质在线虫，果蝇到哺乳动物中都是高度保守的[17]。rap GAP-Ⅰ是第一种被分离出来的GAP，rap GAP-Ⅱ的N-末端可以结合Gal并且可以通过G蛋白结合受体移位到细胞膜。SPA-1被分离出来的原型是一种在淋巴造血细胞中由促有丝分裂刺激诱导而来的蛋白[18]。因此，每一种GAP似乎在不同的组织细胞中都展现了一种独一无二的表达和亚细胞定位。

3 结论

目前，越来越多的研究揭示了Rap1在细胞增殖、黏附与细胞的连接，甚至在癌症中的生物学功能，但其中不同的信号通路及复杂的作用机制仍然没有清楚的认识。而对于GEFs和GAPs的分析则为Rap1在细胞中的活性，分布及稳定的调控机制的探究提供了依据。Rap1在生理和病理过程中的信号通路的作用依赖于不同组织的细胞类型，而其中的分子机制应当有希望为控制人类疾病提供新的线索。