全 文 ：·综述与专论· 2012年第5期
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
收稿日期 : 2011-10-11
基金项目 : 国家自然科学基金项目（30900225, 30821005, 90919021）, 上海市教育委员会科技创新项目（09ZZ23）, 上海市曙光计划项目
（08SG11）
作者简介 : 高磊 , 男 , 硕士研究生 , 研究方向 : TGF-β 信号通路中 Smad 蛋白的结构生物学 ; E-mail: woffet@yahoo.cn
通讯作者 : 吴更 , 男 , 教授 , 研究方向 : 结构生物学 ; E-mail: geng.wu@sjtu.edu.cn
抑制型 Smad对 TGF-β信号通路的负调控研究进展
高磊 林葵 吴更
（上海交通大学生命科学与技术学院 微生物代谢国家重点实验室，上海 200240）
摘 要： 转化生长因子 TGF-β超家族是一类在结构上相关的蛋白，目前发现在哺乳动物中有超过 30多个细胞因子可能属于
这一超家族。它们在各类细胞中广泛参与细胞生长、黏附、迁移、分化及凋亡等过程。其中抑制型 Smad（I-Smads，包括 Smad6
和 Smad7）是 TGF-β/BMP信号通路里重要的抑制型蛋白，在多种细胞与组织的发育过程以及疾病的发生过程中扮演着重要的角色。
对其研究已经过 10多年，取得许多重大的进展，但也还有很多重要的问题还没有解决。着重介绍 I-Smads对 TGF-β信号通路的负
调控研究进展。
关键词： TGF-β信号通路 抑制型 Smad Smad6 Smad7 负调控
Research Progress on the Negative Regulation of the TGF-β Signaling
Pathway by Inhibitory Smads
Gao Lei Lin Kui Wu Geng
（School of Life Sciences & Biotechnology，State Key Laboratory of Microbial Metabolism，
Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240）
Abstract: The transforming growth factor-β（TGF-β）superfamily is a family of structurally related proteins, and by now more than
30 members have been identified in mammals. They are widely involved in the process of cell growth, cell-cell adhesion, cell migration, cell
differentiation, and apoptosis of different kinds of cells. Inhibitory Smads（I-Smads）, including Smad6 and Smad7, are key negative regulators
in the TGF-β/BMP pathways, and play pivotal roles in the development of multiple cells and tissues and the process of disease genesis. Though
the TGF-β signaling pathway has been studied for more than ten years and there had been many great discoveries, there are still a lot of important
problems to be solved. Here we will give a highlighting introduction to the research progress on the negative regulation of TGF-β signaling by
I-Smads.
Key words: TGF-β signaling I-Smads Smad6 Smad7 Negative regulation
TGF-β（transformation growth factor-β）家族是一
类在结构上相关的转化生长因子，是一个拥有众多
细胞因子的大家族，包括 TGF-β、活化素（Activin）、
骨形成蛋白（bone morphogenetic proteins，BMPs）等。
TGF-β 家族成员具有广泛的功能，在调节细胞生长、
分化、发育以及一些相关疾病等方面发挥着重要的
作用。TGF-β 家族主要通过 Smad 蛋白传递信号，其
所形成的信号通路广泛参与着与其它信号通路之间
的交流［1］，并在不同层面上受到多种精确的调控。
抑制型 Smad 蛋白（inhibitory Smads，I-Smads），包
括Smad6和Smad7，是TGF-β信号的关键负调控因子，
在 TGF-β 信号通路的调节中发挥着重要的作用。
TGF-β 信号通路的调控是通过多种机制和各种
不同的正负调节因子来完成的［2］。虽然负调节因子
也同样存在于其它信号路中，但 TGF-β 信号通路中
却很独特，因为它们在结构上与很多通路中的组成
蛋白具有相似性。另外，TGF-β 信号通路本身就可
以在多种细胞中诱导产生很多负调控蛋白，从而通
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2012年第5期32
过一种负反馈的方式来对信号通路进行调控。现在
我们对此信号通路中很多蛋白的负调控机理都已经
了解，如在结构上与 TGF-β 家族配体相关的 Lefty1
和 Lefty2 蛋白，不过它们不形成二聚体［3, 4］，它们
通过与activin竞争性结合activin受体来实现负调控。
另外还有 Inhibins，它是由 α 链和 β 链组成的二聚体，
可以与由 β链二聚体组成的activin相互竞争。I-Smads
是 Smad 家族中的一员，它们具有保守的 C 端 MH2
结构域，可以与激活的 I 型受体及 R-Smads 作用并
抑制细胞内信号的传导，是 TGF-β 信号通路负调控
的主要承担者，并被认为参与了信号的终止［5］。但
是至今人们对其在细胞中的作用仍未完全理解，因
为它们除了抑制 TGF-β 信号通路外，还可以激活某
些非 Smad 介导的信号通路。
1 I-Smads的结构域组成
脊 椎 动 物 中 含 有 8 种 不 同 的 Smads， 其 中
Smad6 和 Smad7 担当 I-Smads 的角色。它们的蛋白
长度上介于 400-500 个氨基酸之间，都由 3 个区域
组成 ：1 个 N 端的 MH1 结构域、1 个 C 端保守的
MH2 结构域，以及一个富含脯氨酸的易变动的负
责连接前两个结构域的区域。C 端的 MH2 结构域
在 I-Smads 和其它 Smads 之中都是很保守的，然而
I-Smads 的 N 端结构域及连接区域却和 R-Smads 及
Co-Smads的N端的MH1结构域有很大的不同（图1）。
其中 I-Smads 的 MH2 结构域在抑制 TGF-β 信号通路
的过程中发挥着重要的作用，它可以通过与激活的
I 型受体及 R-Smads 相互作用从而抑制信号的传导。
这是因为 R-Smads 在其 C 端有一个 SSXS（Ser-Ser-X-
Ser）基序，可以被 I 型受体磷酸化，而 I-Smads 却没
有这个结构，因此不能被 I 型受体磷酸化。
I-Smads 不仅与其它 Smads 在结构上有较大的不
同，而且在 Smad6 和 Smad7 之间也有不小的差异。
在 N 端，Smad6 和 Smad7 只有 36.7% 的同源性，而
且在不同的物种之间同源性也不高。如在哺乳动物
和非洲爪蟾中，Smad6 和 Smad7 分别只有 51.3% 和
67.4% 的序列同源性［6］。但是因何有如此大的差异，
至今仍然不是很清楚。
与大多数 R-Smads 类似，I-Smads 的中间区域也
有一个负责与 E3 泛素连接酶 Smurf（Smad ubiquitin
regulatory factor）的 WW（Trp-Trp）结构域相互作用
的 PY（Pro-Tyr）基序，I-Smads 可以通过这个结构
使 E3 靶向激活的 I 型受体，并进而将其降解。另外，
Smad6 还含有一个可以将辅抑制因子 CtBP 募集到
其上的 PLDLS（Pro-Leu-Asp-Leu-Ser）基序［6］，在
其 N 端还含有一个富含亮氨酸的基序 Leu-rich motif
（简称 LRM，图 1），它主要负责募集 E2 泛素偶联酶
UbcH7［8］。
图 1 Smad6、Smad7及 Smurfs的结构示意图
此外，Smad7 第 249 位的丝氨酸还可以被磷酸
化，但是这个磷酸化并未使 Smad7 对 TGF-β 信号通
路的抑制作用产生重大的影响［9］。在其 N 端还含
有 Lys64 和 Lys70 两个泛素化位点，这两个位点同
时也可以通过乙酰转移酶 p300 被乙酰化［10］，而这
种作用能与其泛素化作用相拮抗。Smad7 还可以通
过 MH2 结构域与组蛋白去乙酰化酶（HDACs）相互
作用，这类酶包括 I 型 HDACs（HDAC1 和 HDAC3）
和 II 型 HDACs（HDAC5 和 HDAC6）［11］，HDAC1
诱导 Smad7 的去乙酰化并进而促进了其泛素化。因
此，Smad7 的乙酰化、去乙酰化以及泛素化决定
了其蛋白稳定性。研究还发现，TGF-β 信号能够抑
制 Smad7 的乙酰化，尽管 HDACs 和 Smad7 的相互
作用被证实不依赖于 TGF-β 信号通路［10, 11］。Smad7
的这些修饰的具体机制尚不清楚，还有待进一步研
究。但是无论如何，这些各种不同的作用都有赖于
I-Smads 在结构上的柔韧性［12］。
2 I-Smads的功能
I-Smads 在抑制信号通路的过程中发挥着重要
LRM. Leu-rich motif ；Ac/Ub. 乙酰化和泛素化位点
2012年第5期 33高磊等 ：抑制型 Smad 对 TGF-β 信号通路的负调控研究进展
的作用，但是 Smad6 和 Smad7 在信号通路的选择
上却有所不同。Smad6 偏向于抑制由 BMP I 型受
体 ALK-3 和 ALK-6 所诱导的信号通路 ；Smad7 则
对 TGF-β 和 BMP 信号通路都有抑制作用。除了对
TGF-β 信号通路的抑制作用外，Smad7 还诱导某
些特定细胞的凋亡，包括前列腺癌细胞和肾足细
胞［13， 14］。Smad6 主要在心脏和血管中表达，Smad6
缺失型小鼠表现出了多种心血管异常［15］。在 Smad6
缺失型小鼠中还发现了心脏瓣膜肥大及外流通道的
缺失，这意味着 Smad6 在调节心脏功能中发挥着重
要的作用。Smad7 的 mRNA 被发现在小鼠胚胎血管
系统的上皮细胞中表达量也很高，同时在植入胚胎
和原肠胚形成时期也可以检测到［15］。但 Smad7 缺失
小鼠的表型还未见报道。
在抑制信号通路的功能中，I-Smads 主要通过以
下几种不同的方式发挥作用 ：（1）干扰 R-Smads 与 I
型受体的相互作用 ；（2）阻碍 R-Smads 与 co-Smads
复合物的形成 ；（3）对细胞核中转录的调节。
3 通过与 I 型受体的相互作用抑制 TGF-β信
号通路
I-Smads 的 MH2 结构域可以直接与激活的 I 型
受体相互作用，因此与 R-Smads 竞争性地同受体
结合（图 2）。R-Smads 和 I-Smads 有着相似的 MH2
碱性表面结构域，都含有 L3 loop 和周边区，它们
负责与 I 型受体的相互作用［17］。在 Smad7 的 MH2
结构域的碱性表面有 4 个碱性氨基酸（Lys312、
Lys316、Lys401 和 Lys409），它们在与 TGF-β I 型受
体（TβRI/ALK5）的相互作用中发挥着重要的作用，
然而只有位于 L3 loop 中的两个碱性氨基酸（Lys401、
Lys409）参与了与 BMP I 型受体的相互作用。因此，
Smad7 的 L3 loop 与 I 型受体的 L45 loop 之间的相互
作用对 Smad7 结合 BMP I 型受体相当重要，L3 loop
和 Smad7 的其它表面碱性部分参与了与 TβRI 的结
合。除了 MH2 碱性表面区域外，最近又发现了一
种新的作用机制，它通过一种位于 MH2 结构域中
的类似“三指”的结构发挥作用，主要是由 C 端
331-361 和 379-387 位氨基酸及 L3 loop 组成［18］。
虽然 I-Smads 的 MH2 结构域负责与 I 型受体的
相互作用，但是仅有 Smad7 的 MH2 结构域还不足
以抑制 TGF-β 信号通路，它的 N 端结构域在这个过
程中也发挥着重要的作用。一种含有 Smad7 N 端结
构域和 Smad6 MH2 结构域的嵌合体被发现在抑制
TGF-β 信号通路的效果上与野生型的 Smad7 具有等
效性［19］。R-Smads 的 MH1 结构域也许与 MH2 结构
域作用并进而干扰其与 I 型受体以及与 co-Smads 复
合物的形成 ；相反，Smad7 的 N 端结构域与 MH2 结
构域作用并进而促进其与 I 型受体的相互作用［19, 20］。
除了 I-Smads 自身的抑制作用外，还有许多其
它蛋白也参与这个过程。HECT（homologous to the
E6-accessory protein）型 E3 泛素连接酶就是其中很
重要的一类蛋白，包括 Smurf1 和 Smurf2，它们与
I-Smads 作用并增强其对 TGF-β 信号通路的抑制。
Smurfs 的 WW 结构域参与了与 Smads 的 PY 基序的
相互作用。Smurfs 可以与 Smad6、Smad7 作用并促
进它们与 I 型受体的结合［22，23］。Smurf1 含有一个具
有核输出作用的 HECT 结构域，它以一种 CRM1 依
赖的方式诱导 I-Smads 从细胞核运输到细胞质［24］。
在 Smurf1 的 N 端还含有一个 C2 结构域，它能在
Smad7 运出细胞核后，将 Smurf1-Smad7 复合物靶向
到细胞膜，并进而促进其与激活型TβRI相互作用［25］。
核输出信号缺失的 Smurf1 突变体或者 C2 结构域删
除的 Smurf1 不能将 Smad7 有效地运出到细胞质或者
靶向到细胞膜。因此，CRM1 依赖的 Smurf1 核输出
及细胞膜靶向对于 Smad7 介导的 TGF-β 信号通路的
负调控至关重要。
图 2 通过 I-Smads和 Smurf1/2与 R-Smads对受体的
竞争性结合来调节 TGF-β信号通路
除了与 I-Smads 相互作用外，Smurfs 还能与
R-Smads 竞争性结合受体（图 2），引发通过泛素 -
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2012年第5期34
蛋白酶体途径对 I 型受体的降解，因此减少了细胞
表面受体的数量，从而有效地抑制了 TGF-β 信号通
路。泛素化是通过一系列酶来介导的，分别是泛素
激活酶（E1）、泛素偶联酶（E2）、泛素连接酶（E3）。
Smurf2（一种 E3）与 UbcH7（一种 E2）的相互作
用由 Smad7 来加强［8］。Smad7 的 N 端可以同时结合
HECT 结构域及 UbcH7 的 LRM 序列。因此，Smad7
通过把 UbcH7 募集到 HECT 结构域上来调节 Smurf2
的作用，并促进 I 型受体的泛素化。在结合的特异
性方面，最近发现 Smurf2 中含有一个扩展的 WW3
结构域，它除了能识别一系列含 PY 基序的，还能
结合其C端PY-tail 的 6个氨基酸［26］。最新研究表明，
WW2 结构域可以通过与 WW3 结合增强 WW3 与 PY
基序的相互作用，并进而与 PY 基序及一个新发现
的位于所有 Smad PY 基序 N 端的 E/D-S/T-P 基序建
立一种辅助性的作用［27］。因此 WW2 结构域可能对
Smurf2 选择性结合 Smads 方面发挥着重要的作用。
除了 Smurf1 和 Smurf2，某些其它 HECT 型 E3 连接
酶（如 WWP1/Tiul1 和 NEDD4-2）也可以通过降解 I
型受体来抑制 TGF-β 和 BMP 信号通路［28-30］。AIP4/
Itch 也是一种能与 Smad7 作用的 E3 连接酶。它是通
过增强 Smad7 与 TβRI 的相互作用来抑制 TGF-β 信
号通路的，但却不诱导 TβRI 的降解［30］。这种差别
还有待于进一步研究。
另有报道，Smad7 还可以与 GADD34（growth
arrest and DNA damage protein 34）作用，它是蛋白磷
酸酶 PP1 的调节亚基并且可以募集 PP1 的催化亚基
PP1c。Smad7 募集 GADD34-PP1c 复合物到 TβRI 上
并使激活的 TβRI 去磷酸化。通过紫外线辐射可以诱
导 GADD34 和 PP1c 的共表达，这使一些上皮细胞的
TGF-β 信号通路减弱。上皮细胞中，TGF-β 可以激活
ALK-5 和 ALK-1。通过 ALK-1 的激活，TGF-β 诱导
上皮细胞中Smad7和 PP1α的表达。Smad7募集PP1α
到 ALK-1 上并调节 Smad1 和 Smad5 的磷酸化［32］。
Smad6 一直被认为是一种对 BMP 信号通路能
有效抑制的负调控蛋白，而对 TGF-β、activin 信号
通路的作用却很弱。但有研究发现它能有效抑制来
自 ALK-3/6 亚集团的信号，而对来自 BMPI 型受体
的 ALK-1/2 亚集团的信号却很弱［33］。因此 Smad6 对
BMP 信号通路的抑制可能是有一定的选择性的。
因此，Smad7 与激活型 I 型受体作用进而负调
控 TGF-β 信号通路，主要是通过与 R-Smads 竞争性
结合受体，通过 Smurfs 降解受体，以及通过 PP1 对
激活型受体的去磷酸化实现的 ；而 Smad6 对 BMP 信
号通路的抑制则具有一定的背景选择性。
4 I-Smads对 R-Smad-Co-Smad复合物形成
的抑制
Smad6 通 过 与 Smad1 作 用 进 而 阻 止 Smad1-
Smad4 复合物的形成的方式来抑制 BMP 信号通
路［34］。Smurf1 通过与 I-Smads 作用进而间接的与
Smad1、Smad5 作用，最终导致后者的泛素化及降
解［23］。I-Smads 与 Smad1、Smad5 的相互作用是通
过配体刺激来诱导的，并且被 Smurf1 增强［23，34］。
5 I-Smads对转录的抑制
I-Smads 参与对转录的抑制作用。Smad6 可以
与 BMP 信号通路诱导产生的转录因子 Hoxc-8 及
Hoxc-9 的同源框作用，并阻碍 osteopontin 基因的转
录，还能通过其 MH2 结构域与某些 HDACs 作用，
包括 HDAC1 和 HDAC3。Smad6 通过其 N 端结构域
结合 DNA 并募集 HDACs 到 DNA 上［35］，从而抑制
转录，而 HDAC 抑制剂曲古柳菌素 A 能阻断 Smad6
对 BMP 信号通路的抑制效果。此外，Smad6 还可以
阻碍Smad1与Hoxc-8的作用并抑制其所诱导的转录，
并且能与肾上腺皮质激素受体作用并进而抑制由肾
上腺皮质激素受体通过募集 HDAC3 所诱导的转激
活［36］。相反，Smad7 既不与 Hoxc-8 作用，也不与
Hox 蛋白作用，而且也不能抑制由肾上腺皮质激素
受体调节的转激活。但它与 HDACs 作用，HDACs
能调节 Smad7 的稳定性［11］，而且将 Smad7 嵌合到
GAL4 的 DNA 结合结构域时，它也可以诱导某些报
告基因的表达［9］。Smad7 可以通过干扰 TGF-β 所诱
导产生的 Smad-DNA 复合物的形成而抑制转录［37］。
Smad6 还通过位于连接区的 PLKLS 基序与转录
辅抑制因子 CtBP 相互作用［7］。由于 Smad7 不含这
个基序，因此只有 Smad6 可以与 CtBP 结合。Smad6
可能通过与 Smad1 作用，结合 Id1 的启动子 DNA，
进而抑制由 BMP 诱导的 Id1 基因的转录。但是 CtBP
抑制转录是否依赖于 HDAC 还得取决于启动子所
处的环境，而且人们现在还不清楚通过 Smad6 抑制
2012年第5期 35高磊等 ：抑制型 Smad 对 TGF-β 信号通路的负调控研究进展
Id1 基因转录是否依赖于 HDACs。这些问题还有待
于进一步研究。也许 Makkar 等［38］进行的模拟 Smad
MH1 结构域与 DNA 作用的模型会对人们认识这些
问题有所启发。
6 I-Smads的调节分子
除 Smurfs 和 GADD34-PP1c 意外，还有一些蛋
白能通过降解或调节受体的作用来调节 I-Smads 的
功能。Arkadia也是一个增强TGF-β信号活性的分子，
它还能在早期胚胎形成期诱导产生施佩曼组织体。
Arkadia 是一种 RING 型 E3 连接酶，它与 Smad7 的
相互作用在 TGF-β 及 activin 信号通路的级联放大的
过程中担当着重要的角色［39］。与 Smurfs 的作用不
同，Arkadia 诱导的是泛素依赖的 Smad7 的降解，而
非 I 型受体的降解，这导致了 TGF-β 信号通路的增
强。Arkadia 基因的沉默可以使 Smad7 积聚，并抑制
TGF-β 和 BMP 信号通路所诱发的转录活性。Axin 是
一个与 APC、GSK3-β，以及 CKIα 相互作用的支架
蛋白，并通过对 β-catenin 的降解调节 Wnt 信号通路。
Axin 也可以与 Smad7 和 Arkadia 形成三元复合物并
促进 Arkadia 对 Smad7 的降解［40］。因此，Arkadia 和
Smurfs 分别通过降解 I-Smads 正调控和负调控 TGF-β
信号通路。
Jab1/CSN5 是 COP9 信号复合体的一个组分，它
参与通过泛素蛋白酶体途径的蛋白结合并降解各种
蛋白，包括 p27 等。Jab1/CSN5 与 Smad7 作用，诱
导 Smad7 从核向细胞质的转移，并促进它的降解［41］。
因此，和 Arkadia 一样，Jab1/CSN5 能促使 Smad7 的
降解，并解除 Smad7 对 TGF-β 信号通路的抑制作用。
然而，Jab1/CSN5 同时也可以通过降解 Smad4，抑制
TGF-β 信号通路的活性［42］。这表明 Jab1/CSN5 可以
通过对 Smad4 和 Smad7 的降解差异性调节 TGF-β 信
号通路。
另外，AMSH（一种 STAM 的 SH3 结构域相关
分子）与 Smad6 结合，并通过阻碍 Smad6 与 BMP I
型受体及 Smad1 的结合，从而拮抗 Smad6 对信号通
路的抑制效果［43］。AMSH 延缓了由 BMP-7 介导的
Smad1 的磷酸化，并增强了由 BMP-7 介导的转录活
性、生长抑制及细胞凋亡。Smad6 一般定位在细胞
核中，但是在 BMP-7 的刺激下可以被运送到细胞质
并与 AMSH 共定位。BMP 信号还可以通过 JNK 或者
p38 MAP 激酶使 AMSH 磷酸化，而这将削弱 AMSH
对 Smad6 的拮抗效果［43］。AMSH2 是一种与 AMSH
相关的分子，它也可以和 Smad7 作用并削弱其抑制
活性［44］。而对 AMSH 活性的调控则是通过一种既可
以与 Smurf2 又可以与 AMSH 作用的蛋白 RNF11 来
实现的［45］。RNF11-Smurf2 复合物能诱导 AMSH 的
泛素化并使之降解，这将恢复 Smad6 对 TGF-β 信号
通路的抑制作用。
还有一种 Tob 蛋白，是所谓的“抗增殖蛋白”
中的一员，这类蛋白包括 Tob2、BTG1、BTG2/PC3/
TIS21 及 BTG3。它能阻碍 NIH3T3 细胞的生长并抑
制 T 细胞的增殖和白细胞介素 -2 的转录，还可以
与 Smad1、Smad5 及 Smad8 作用，并在造骨细胞中
通过抑制转录来阻碍 BMP 信号通路［46］。另外，Tob
和 Tob2 也能与 I-Smads 作用并增强其与细胞膜上的
BMP I 型受体的作用，从而抑制 BMP 信号通路［47］。
7 结论
我们已经知道 I-Smads 能通过多种方式来调节
TGF-β 信号通路，而且对其中一些调控机制也有一
定了解，但是还有很多不清楚的地方。虽然研究表
明，Smad7 可以有效地抑制 TGF-β 信号通路，但二
者之间这种作用上的差别是如何产生的，至今仍然
是个谜。由于 I-Smads 的 N 端结构域与其它 Smads
的 MH1 结构域有很大的不同，因此要搞清楚这个
问题，必须对其结构进行深入的研究。而且 I-Smads
还参与了很多重大疾病的发生。最近发现，AKL1
可以作为一种新的治疗肿瘤的靶标［48］，因为它在肿
瘤血管再生的过程中有着重要的作用，相信 I-Smads
也在其中发挥着特殊的作用，值得进一步深入研究。
近期有研究表明，I-Smads 的作用由许多不同的酶来
紧密调控，包括泛素连接酶、乙酰转移酶及去磷酸酶，
对 I-Smads 在 TGF-β 信号通路应答强度的微调上起
着重要的作用。因此对这些调控因子在体内作用机
理的研究也非常重要，这将对我们在理解 TGF-β 信
号通路所调控的细胞生长、分化，以及在一定生理、
病理条件下各种细胞和组织形态的形成等方面有很
大的帮助。相信在不久的将来，我们定会对其有一
个更加全面深刻的认识。
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2012年第5期36
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（责任编辑 狄艳红）