全 文 ：·综述与专论·
生物技术通报
B IO TECHNOLOGY　BULL ETIN 2009年第 12期
粘附斑激酶 ( FAK)及其信号通路研究进展
李树裕 王志钢
(内蒙古大学生命科学学院 哺乳动物生殖生物学与生物技术教育部重点实验室 ,呼和浩特 010021)
　　摘 　要 : 　粘附斑激酶 ( focal adhesion kinase, FAK)是一类胞质非受体蛋白酪氨酸激酶 ,属于蛋白酪氨酸激酶 (p rotein tyro2
sine kinase)超家族 ,因而也称为 PTKⅡ。FAK在细胞信号转导中处于十分重要的位置 ,它是胞内外信号出入的中枢 ,介导多
条信号通路。FAK可以整合来自整合素、生长因子以及机械刺激等的信号 ,激活胞内 P I3K/Akt、Ras/MAPK等信号通路 ,调节
细胞生长。FAK还与胚胎发育、肿瘤发生与迁移有关。
关键词 : 　粘附斑激酶 发育 肿瘤 信号通路
Progress in Focal Adhesion Kinase Signaling Pathway
L i Shuyu W ang Zhigang
( College of life Science, InnerM ongolia University, The Key Laboratory of M amm al Reproductive B iology
and B iotechnology, M inistry of Education, Huhhot 010021)
　　Abs trac t: 　Focal adhesion kinase ( FAK) is a cytop lasm ic nonrecep tor p rotein2tyrosine kinase, belonging to the p rotein tyrosine
kinase superfam ily, also called as PTKⅡ. FAK is essential for the cell signal transduction, participates in many“outside2in”and“in2
side2out”pathways. FAK can integrate signals from integrin, growth factors and mechanical stress, activate the P I3K/Akt and Ras/
MAPK pathway, and regulate cell growth. Besides, FAK is tightly linked to the embryonic development, tumorigenesis and m igration.
Key wo rds: 　Focal adhesion kinase Development Tumor Signal transduction
收稿日期 : 2009208221
基金项目 :国家自然科学基金 (30860191) ,国家基础科学人才培养基金 (J0730648)
作者简介 :李树裕 (19882) ,男 ,本科 ,动物学专业 ; E2mail: lishuyu86@126. com
通讯作者 :王志钢 (19622) ,男 ,教授 ,研究方向 :哺乳动物生殖生物学与生物技术 ; E2mail: lswzg@ imu. edu. cn
粘附斑激酶 ( focal adhesion kinase, FAK)是一种
胞质非受体蛋白酪氨酸激酶 ,是粘附斑复合物家族
( focal adhesion comp lex fam ily)的一员。上世纪 90
年代早期 , Kanner等 [ 1 ]在 v2src转染鸡胚成纤维细
胞后 ,发现有许多蛋白分子与 pp60 src结合形成复
合体 ,其中有一个 120 kD的分子 ,具有酪氨酸激酶
活性 ,在受到原癌基因产物和胞外基质 2整合素的刺
激后发生磷酸化 [ 2 ]。此外 ,小神经肽、内皮素和血
管升压素等都能使其磷酸化 [ 3 ]。由于它位于体外
培养细胞的粘着斑 ,因而被命名为粘附斑激酶。
FAK参与了多条细胞信号通路 ,它是胞内外信号转
导的中枢。它可以整合来自胞外的营养、压力、细胞
粘着等方面的信号 ,调节下游分子的活性 ,控制细胞
的代谢、增殖 ,甚至是细胞的命运。
目前 ,已经证明 FAK在大脑等多种成体组织中
都有表达并且具有重要的生理功能 ,同时影响胚胎
发育。在整个胚胎发育过程中都有 FAK表达 ,缺失
了 FAK基因的小鼠在早期胚胎时便可致死。近年
的研究表明 FAK可以调控细胞的生长、锚定、迁移、
恶变和凋亡等过程 ,与肿瘤的发生密切相关。在细胞
粘着连接的形成过程中 , FAK一直处于活化状态 ,因
此它可能起一种起始作用 ,可能在细胞粘着连接的装
配和分解过程中都起着重要的作用。FAK - / - 的中胚
层细胞的迁移速率只有正常胚胎细胞的一半 [ 4 ]。因
此 ,对 FAK及其信号通路的深入研究有助于对胚胎
发育机理及细胞生长、分化和凋亡机制的了解。
1 FAK的分子生物学
目前已克隆到人、大鼠、小鼠、牛、鸡、非洲爪蟾
和虾等物种的 FAK基因 ,其核苷酸序列和氨基酸序
列的同源性在 90% ～99%之间 ,高度的保守性间接
2009年第 12期 李树裕等 :粘附斑激酶 ( FAK)及其信号通路研究进展
反映了 FAK在细胞生命活动中的重要作用。人
FAK基因的 CDS为 3 159 bp ,编码 1 052个氨基
酸 ,分子量为 125 kD ,缺乏跨膜区 ,包含 SH2 和
SH3结合序列。克隆了内蒙古白绒山羊 FAK基因
编码区 5′端 416 bp的 cDNA片段并对其表达模式
进行了初步研究。结果表明 ,绒山羊 FAK基因的
核苷酸序列与其它物种的同源性在 91% ～99%之
间 , FAK基因在脾、睾丸和肌肉中都有表达 ,以睾
丸组织中较强。
尽管各物种间 FAK的氨基酸组成具有差别 ,但
都具有 4个主要的结构域。以人为例 , FAK基因编
码的这条多肽链可以分为 4个主要结构域 (图 1)。
其中 N2端的约 370个氨基酸为 FERM (4. 12ezrin2ra2
dixin2moesin)结构域 ,它是整合素和生长因子受体
的作用位点。当粘着信号将整合素激活后 ,整合素
β亚基的胞内部分与其结合 ,进而通过 Src、P I3K等
通路将胞外基质的信号导入胞内 ,引发某些基因的
表达、肌动蛋白的聚合、细胞的增殖和迁移等。中段
的激酶结构域 ( PTK)是 FAK激活下游通路的区域 ,
因此 FAK也属于蛋白酪氨酸激酶类 ( PTKs)。人
FAK含有 6 个可以被磷酸化的酪氨酸 ,分别为
Tyr397、Tyr407、Tyr576、Tyr577、Tyr861和 Tyr925,
其中 Tyr397为主要的磷酸化部位。Tyr397磷酸化
后 ,可以与 Src的 SH2结构域结合 ,激活下游通路。
Tyr576 和 Tyr577 是两个加强激酶活性的氨基
酸 [ 5, 6 ] ,它们的磷酸化对于 FAK的活性至关重要。
FAK的 C2末端约 100个氨基酸为其粘着斑靶
向定位结构域 FAT ( focal adhesion targeting, FAT)。
FAT对于 FAK靶向粘着斑复合物是必须的。它可
以与桩蛋白 (paxillin)和裸蛋白 ( talin)结合 ,并引起
α2actinin的磷酸化与肌动蛋白 ( actin)的聚合。裸
蛋白的头部也有 FERM 结构域 ,并通过 FERM 与
FAK的 FAT相连 ,调节肌动蛋白的聚合。
在 PTK与 FAT之间是一段富含蛋白相互作用
位点的结构域 ,其中有两个脯氨酸基序。靠近 N2末
端的基序 1能够与 Cas的 SH3结构域结合 ,调节多
条信号通路。靠近 C2末端的基序 2能与两类 GT2
Pase调节因子结合 ,一个为 Rho2GTPase激活蛋白
GRAF,另一个为 A rf1和 A rf6的 GTPase激活蛋白
ASAP。GRAF /ASAP与 FAK的结合调节 Rho和 A rf
家族的小 GTP结合蛋白的活性 ,进而使细胞骨架发
生改变。
图 1　人 FAK的结构域示意图
在发现 FAK以后 ,又有一些序列与 FAK高度
相似的蛋白相继被发现 ,现在称为 FAK亚家族。
1995年发现的 PYK2是 FAK亚家族的第二位成员。
细胞粘着激酶β ( cell adhesion kinase beta, CAK2β)
是 FAK家族的另一位成员 ,大鼠 CAK2β的分子量
为 115. 7 kD。在 N端、PTK和 C端结构域 , CAK2β
与 FAK的同源性分别为 42%、61%和 36%。CAK2 β的自磷酸化位点为 Tyr404,含有一个与 FAK相同的 Tyr2A la2Glu2Ile保守序列。在 C端结构域 , CAK2β也具有一个与桩蛋白结合的 FAT结构域 ,与 FAK的同源性为 61% [ 7 ]。此外 ,粘着斑相关酪氨酸激酶( related adhesion focal tyrosine kinase, RAFTK)以及Ca2 +依赖型蛋白酪氨酸激酶 ( calcium dependent p ro2tein tyrosine kinase, CADTK)也相继被发现。目前 ,
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FAK家族至少有以上 5位成员。
2 FAK及其信号通路的功能
2. 1 FAK与发育的关系
FAK与动物的生长发育密切相关。 FAK在胚
胎干细胞以及整个胚胎发育期间有表达。在整个发
育过程中 FAK呈高度磷酸化 ,处于一个将各种细胞
活动会合的位点 [ 3 ]。在新生大鼠的下丘脑中 , FAK
在雌性鼠中的表达量要大于雄性鼠 ,而在其他部位
并没有性别差异。控制雌二醇的量可以降低下丘脑
中 FAK的表达量 ,抑制芳香化酶则升高桩蛋白的表
达量。有机体可能通过性激素降低 FAK和桩蛋白
的表达量 ,进而诱导大脑性别分化 [ 8 ]。这可能与甾
体类激素控制的大脑性别分化有关。
FAK在眼睛晶状体的形态发生与分化过程中
发挥着重要作用。在晶状体形态发生的早期 , FAK
在大多数眼组织都广泛表达 ,尤其在进行形态发生
和分化的组织中大量表达。在视杯分化为神经视网
膜的过程中 ,也有 FAK的表达。在胚胎期小鼠晶状
体上皮细胞中 , Y397磷酸化的 FAK主要分布在细
胞质中 ,偶尔也有少量的 FAK与细胞核结合。在晶
状体过渡区 ( transitional zone)细胞中 , Y397磷酸化
的 FAK主要结合在细胞膜部位。但在分化纤维细
胞 ( differentiating fibers)中 , FAK的 N端结构域 (包
括磷酸化的 Y397)会插入细胞核内。随着晶状体的
成熟 , FAK的表达量也开始下降。体外培养晶状体
上皮细胞发现 ,生长因子 FGF2会刺激 FAK的表达 ,
刺激细胞的迁移与分化。同样 TGFβ也会改变 FAK
的活性 ,如果 TGFβ受体发生突变 ,则 FAK的活性
下降 [ 9 ]。生长因子通过 FAK信号通路调节晶状体
的发育和分化。
FAK在许多成体组织器官中有表达 ,如大脑、
骨髓、肝脏、肺、肾等 ,它可以调控成体组织细胞的生
长、迁移等 ,还可以调节软骨细胞的功能 ,控制 Ⅱ型
胶原的合成 ,促进软骨细胞的增殖。在体外诱导软
骨细胞脱分化时 , FAK的表达逐渐降低 ;当诱导软
骨细胞再分化时 , FAK可以调控某些基因的表达 ,
促进细胞分化。
FAK对于心血管的功能有着重要作用 ,在心
肌、血管内皮细胞等部位都有 FAK的表达并发挥
功能。FAK可以调节心肌细胞的生长 ,控制血管
发生。FAK在正常心肌细胞的表达量很高 ,但活
性却相对较低。当心肌细胞受到拉伸刺激时 , FAK
的活性大大增加 ,使得新生大鼠的心室肌细胞过
度生长 [ 10 ]。 FAK可以整合各种信号 ,包括纤连蛋
白、血管收缩素、生长因子与胞外基质等 ,进而促
进或抑制血管内皮和血管平滑肌细胞的增殖、
迁移。
2. 2 FAK与肿瘤
目前发现有 FAK表达或者活性增强的肿瘤有
结肠癌、乳腺癌、胸腺癌、胃癌以及胶质母细胞瘤和
黑色素瘤等。用 FAK特异性抑制剂处理体外培养
的肿瘤细胞 ,可以抑制细胞的增殖、生长、扩散和迁
移 [ 11 ]。磷酸化的 FAK与 Src形成复合体 ,可以激活
或抑制多条下游通路 ,包括 P I3K/Akt、R IP、p53和
RAS2Erk等 ,起始肿瘤发生或诱导细胞凋亡。
W u等 [ 12 ]用 shRNA技术处理神经母细胞瘤细
胞发现 , FAK可以抑制整合素α5β1诱导的细胞迁
移 ,并且 FAK还可以通过其激酶结构域活化 Src。
当小鼠乳腺缺失了 FAK后 ,不影响乳腺上皮细胞的
正常发育 ,但却能抑制由 PyMT激发的乳腺癌的发
生 ;敲出体外培养的人乳腺癌细胞的 FAK,可以阻
止癌细胞的生长、诱导细胞衰老 ( cell senescent) [ 13 ]。
用 ATP竞争性 FAK和 PYK2 抑制剂 ,如 PF2562,
271、PF2573, 228等 ,处理体外培养的肿瘤细胞 ,可
以抑制细胞迁移。一期临床试验结果表明 , FAK抑
制剂对多种肿瘤有明显的治疗作用 [ 14, 15 ]。 FAK是
肿瘤发生、增殖、迁移等过程的关键蛋白 ,研究新的
特异性 FAK抑制剂将是癌症研究和治疗的途径
之一。
2. 3 FAK信号通路
FAK可以整合许多细胞外信号 ,如整合素、生
长因子、机械牵拉等。上游分子主要与 FAK的 N2
端结合 ,使得 Tyr397快速磷酸化 ,激活 FAK。激活
的 FAK与多种下游分子结合 ,使其磷酸化 ,激活下
游通路 ,参与多条信号转导通路。目前 ,研究较多的
通路主要有 5条 (图 2)。
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2009年第 12期 李树裕等 :粘附斑激酶 ( FAK)及其信号通路研究进展
图 2　FAK信号转导通路示意图
2. 3. 1 FAK2P I3K通路 FAK接收来自整合素、纤
连蛋白 ( Fibronectin, FN )等的信号激活 P I3K/Akt通
路。FAK被激活后 ,与 Src形成复合体 ,其 Tyr397
可通过 P I3K的 SH2 结构域直接与之结合 ,活化
P I3K。活化的 P I3K激活 Akt,一方面通过 TSC22
mTOR2S6K途径调节细胞的生长、基因表达 [ 16 ] ;另
一方面 P I3K还可以参与 Rac2JNK通路 ,调节基因
表达 [ 17 ]。 FAK/P I3K通路与细胞生长调控密切
相关。
2. 3. 2 FAK2MAPK通路 二型胶原 ( typeⅡcolla2
gen)、层粘连蛋白 5 ( lam inin 5)以及通过生长素受
体传递的胞外信号等可以激活 FAK2MAPK 通
路 [ 18 ]。胞外信号通过跨膜蛋白与 FERM 的结合激
活 FAK, Cas和 Grb2 分别通过脯氨酸基序 1 和
Tyr925与活化的 FAK结合并激活 Ras/MAPK通路。
活化的 FAK一方面通过 Ras2Raf2MAPK途径控制细
胞增殖 [ 19 ] ,另一方面通过 Ras2Raf2ERK活化 ERK1 /
2,活化的 ERK1 /2可以通过抑制 TSC2和诱导 cyclin
D1与 Cdk的表达分别参与 mTOR信号通路和细胞
周期调控 [ 6 ]。 FAK/MAPK通路参与了细胞周期和
细胞增殖的调控。
2. 3. 3 FAK2GTPase通路 包括胰岛素在内的多
种生长因子可以通过质膜上的相应受体激活该通
路。GRAF和 ASAP都可以与活化的 FAK的脯氨酸
基序 2结合 ,进而活化 Rho2GTPase。GTPase参与多
种细胞活动 ,可以调节肌动蛋白的装配 ,进而调控细
胞形态、控制细胞迁移等 [ 10 ] ,细致的调节机制目前
还不清楚。
2. 3. 4 FAK2p53通路 FAK能通过其 N2末端的
FERM结构域与 p53结合 ,进而抑制 p53激活其下
游基因的转录 ,包括 p21、Mdm2等 ,而这些基因的产
物正是 p53 诱导的细胞凋亡的重要调节蛋白。
FERM介导 FAK向核内转运并与 p53结合 ,进而与
Mdm2结合 ,使得 p53通过泛素化途径降解并阻止
细胞凋亡 [ 20 ]。因此 , FAK可以通过非激酶依赖型途
径调节细胞的存活。
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2. 3. 5　其他通路 FAK可以接收受体酪氨酸激酶
( recep tor p rotein tyrosine kinase, PTK)胞内部分的刺
激 ,并结合下游的桩蛋白、裸蛋白 ,调节肌动蛋白的
聚合 ,控制粘附斑的定位及细胞的迁移 [ 21 ]。FAK还
可接收 UV、活性氧、蛋白聚糖的信号并调节细胞
活动。
细胞内还存在许多抑制 FAK活性或降解 FAK
的通路。F IP200 ( focal adhesion kinase fam ily interac2
ting p rotein of 200 kD )可以与 FAK特异结合并抑制
其活性 [ 22 ] ; Shp2也可以通过抑制 FAK活性来控制
心肌细胞生长 ; caspase3可以将 FAK降解 ,并能诱
导细胞凋亡。
总之 , FAK信号通路是一条复杂的、多通路、多
交叉的网络 , FAK对细胞的形态、生长、增殖、迁移
以及最终命运的影响十分复杂。 FAK信号通路对
于肿瘤的发生、发展、扩散等至关重要 ,是目前肿瘤
治疗中的一个重要靶点。
3　问题与展望
随着 FAK晶体结构的解析 ,对于 FAK结构和
各结构域功能的研究基本完成。其上下游信号通路
及通路间的交叉作用将是未来研究的重点。许多具
体的问题还不清楚 ,如生长因子如何激活 FAK, FAK
与 mTOR、p53信号通路之间的联系是通过哪些激
酶直接作用的 ,这些问题还需要深入的研究。同时 ,
对比不同物种间 FAK的差异 ,对于丰富基础理论和
研究进化也会有所帮助。
包括癌症在内的多种疾病都与 FAK密切相关 ,
针对 FAK的疾病治疗将是最大的挑战。现在报道
的 FAK特异抑制剂主要有 TAE226、PF2573, 228、
PF2562, 271以及人工合成的鞘糖脂 ,已经用于临床
试验的只有 PF2562, 271。对于动脉硬化、血栓等心
血管疾病的治疗 ,抑制或激活 FAK也是治疗途径之
一。事实上 ,由于信号转导过程的复杂性和网络性
特点 ,针对疾病发生相关信号网络的多个靶点 ,同时
使用多种抑制剂要比单一抑制 FAK对于肿瘤治疗
更有效 ,因此研究清楚 FAK信号通路的网络是解决
这一问题的重要途径。随着研究的深入 ,这条网络
将越来越清晰 ,人们距离目标也将越来越近。
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