細胞粘附分子研究的新進展

奇云

摘要：細胞粘附分子是一類介導(dǎo)細胞間粘附的膜表面糖蛋白，在炎癥反應(yīng)、免疫應(yīng)答、信息傳遞、腫瘤的發(fā)生與發(fā)展等多種生理、病理過程中，都發(fā)揮著重要的作用。因此，細胞粘附分子研究成為生命科學(xué)領(lǐng)域的熱點，本文著重介紹近年有關(guān)細胞粘附分子研究的新成果。

關(guān)鍵詞：細胞；細胞外基質(zhì)；細胞粘附分子

1 細胞粘附分子概述

細胞與細胞之間及細胞與細胞外基質(zhì)（ExtraCellular Matrix，ECM）之間的相互粘附是最基本的生物學(xué)現(xiàn)象之一，介導(dǎo)這種相互作用的分子則稱為細胞粘附分子（Cell adhesion Molecules,CAMs）。細胞粘附分子是存在于細胞膜表面或ECM中的跨膜糖蛋白，它們通常以配體和受體相結(jié)合的方式而發(fā)揮作用[1]。目前已發(fā)現(xiàn)的細胞粘附分子有50種以上，分為五大類：免疫球蛋白超家族（Immunoglobulin superfamily,ISF）、整合素家族（Integrin Family,IF）、選擇素家族（Selectin family,SF）、鈣粘附素家族（Cadherin Family,CF）和CD44分子。

細胞粘附分子是跨膜糖蛋白，分子結(jié)構(gòu)由三部分組成：一是胞外區(qū)，肽鏈的N端部分，帶有糖鏈，負責(zé)與配體的識別；二是跨膜區(qū)，多為一次跨膜；三是胞質(zhì)區(qū)，肽鏈的C端部分，一般較小，或與質(zhì)膜下的骨架成分直接相連，或與胞內(nèi)的化學(xué)信號分子相連，以活化信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。

2 細胞粘附分子的研究及發(fā)展[2-4]

2.1 發(fā)現(xiàn)細胞粘附分子在神經(jīng)元的樹突發(fā)育過程中起重要作用

神經(jīng)電活動可促進神經(jīng)元的樹突形態(tài)發(fā)生和神經(jīng)環(huán)路的形成。細胞粘附分子被報道在神經(jīng)元的樹突發(fā)育過程中起重要作用，但其分子機制尚不清晰。2010年5月26日，《美國科學(xué)院院刊》發(fā)表了中科院神經(jīng)科學(xué)研究所博士研究生談竹君、彭云和導(dǎo)師于翔研究員的成果。談竹君和彭云等人發(fā)現(xiàn)：神經(jīng)電活動依賴的樹突形態(tài)發(fā)生，需要細胞粘附分子N-cadherin介導(dǎo)的神經(jīng)元之間的相互作用；因為這一現(xiàn)象不能在低密度培養(yǎng)的神經(jīng)元中觀察到，并且可被 N-cadherin 細胞外結(jié)構(gòu)域的重組蛋白所阻斷。更重要的是，神經(jīng)電活動可使細胞膜上 N-cadherin 分子的蛋白量增加，且 N-cadherin 在膜上的表達對新生樹突的維持是必須的。這些結(jié)果揭示了神經(jīng)電活動誘導(dǎo)的， N-cadherin 依賴的神經(jīng)元之間的相互接觸在新生樹突維持過程中的特異作用，為進一步解析細胞粘附分子介導(dǎo)樹突形態(tài)發(fā)生的機制提供了新的思路。

2.2發(fā)現(xiàn)小分子化合物通過E-cadherin蛋白加速重編程過程

來自中科院上海生命科學(xué)研究院生化與細胞所、同濟大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、美國梅奧臨床癌癥研究中心的研究人員發(fā)現(xiàn)，小分子化合物通過細胞粘附相關(guān)分子E-cadherin蛋白能加速重編程過程，這為提高iPS細胞誘導(dǎo)效率提供了一種新策略。

細胞重編程是指已經(jīng)分化的細胞重新獲得分化多能性的過程。誘導(dǎo)多能干細胞即iPS細胞是通過向體細胞中以病毒方式導(dǎo)入外源的四個轉(zhuǎn)錄因子Oct3/4，Sox2，c-Myc及Klf4而獲得，具有與胚胎干細胞相似的形態(tài)和表觀遺傳特征，更重要的是，二者具有相似的分化能力，即分化的全能性。iPS細胞的出現(xiàn)使得無倫理爭議的病人特異性的干細胞獲得成為可能，而由病人特異性的iPS細胞分化得到的特異性前體細胞和成熟細胞即可應(yīng)用在組織器官移植治療、基因治療、藥物篩選模型的建立、以及特異疾病分子機制的研究等多方面。了解重編程過程復(fù)雜的分子機制有利于開發(fā)更加安全和有效的iPS誘導(dǎo)方法。

該項目研究者發(fā)現(xiàn)，細胞粘附相關(guān)分子E-cadherin蛋白在iPS形成過程中起著重要作用。E-cadherin蛋白的表達水平在細胞重編程過程的早期即開始上調(diào)；在完全重編程的iPS細胞中存在著與ES細胞中相同的由E-cadherin蛋白介導(dǎo)的細胞-細胞連接，下調(diào)E-cadherin的表達會降低iPS形成效率，反之，過表達E-cadherin能夠促進iPS形成效率。在重編程過程中過表達E-cadherin而得到的iPS細胞具有和ES細胞一樣的分化全能性。進一步，研究人員篩選得到了兩種能夠通過促進E-cadherin蛋白表達而提高iPS細胞誘導(dǎo)效率的小分子化合物，從而提供了優(yōu)化iPS細胞誘導(dǎo)效率的新策略。

2.3 發(fā)現(xiàn)細胞粘附分子在神經(jīng)系統(tǒng)可塑性中的作用及其機制

各種不同的細胞粘附分子大量存在于海馬的前后突觸的膜上。采用多種技術(shù)手段，現(xiàn)在已積累了有關(guān)細胞粘附分子參與神經(jīng)系統(tǒng)可塑性的大量資料。第一，在經(jīng)常發(fā)生神經(jīng)發(fā)生和可塑性的腦區(qū)有發(fā)育階段特性的突起生長和細胞的遷移，并有細胞粘附分子的表達；第二，在突觸可塑性和中，有細胞粘附分子表達的變化和各種轉(zhuǎn)錄后修飾；第三，抗體和抑制NCAM表達可損害突觸傳遞長時程增強(LTP)和學(xué)習(xí)。

神經(jīng)細胞粘附分子參與可塑性有兩個機制：其一為細胞粘附分子介導(dǎo)的細胞骨架動力的改變，涉及活動依賴的突觸重建。N-粘著蛋白的胞漿區(qū)直接與細胞骨架作用，而NCAM、L1的胞漿區(qū)直接與ankyrins（位于特異胞膜區(qū)的胞漿表面的spectrin結(jié)合蛋白家族的一員）相連。其二為胞內(nèi)信號系統(tǒng)。這種胞內(nèi)信號有如下的特點：就是胞內(nèi)信號的改變可反饋到突觸后膜，通過細胞粘附分子調(diào)控細胞與細胞的粘附，以迅速地改變突觸的結(jié)構(gòu)和效率。胞內(nèi)蛋白水解酶calpain水解NCAM的胞內(nèi)區(qū)能較快地解除和重新組織突觸的結(jié)構(gòu)聯(lián)系。

在多種動物的長時突觸可塑性中，發(fā)現(xiàn)都有依賴cAMP、PKA介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄和CREB介導(dǎo)的基因表達現(xiàn)象。CREB已被鑒定存在CREB1（激活子）和 cREB2(抑制子)兩種類型。近年，又確定了3個基本的記憶突變型，即dnc, rutabaga和amnesiac,它們都涉及cAMP途徑。CREB所致的基因表達是執(zhí)行突觸結(jié)構(gòu)功能成分生長的一個因素。dnc突變中，CREB2抑制功能性而不是結(jié)構(gòu)性可塑性，在FasⅡ減效基因中，CREB1可致突觸結(jié)構(gòu)和功能的增強。在野生型，CREB1的表達并不能增強突觸功能。提示，CREB和FasⅡ的作用是平行的。cAMP的升高，降低細胞粘附分子，促進結(jié)構(gòu)生長，與此同時，CREB1則刺激突觸功能的增強。

2.4 深入揭示生命形態(tài)發(fā)生過程中通用機制

所謂形態(tài)發(fā)生過程，就是由各種系統(tǒng)化發(fā)育而來的組分組織在一起，形成一個穩(wěn)定的、有一定形態(tài)和功能的復(fù)雜有機系統(tǒng)的過程。拓樸生物學(xué)理論認(rèn)為，細胞、組織的形態(tài)發(fā)生過程是由各種不同細胞相互之間發(fā)生的種類繁多的粘附作用所決定的。不過后來該觀點又有了進一步的修訂，認(rèn)為不僅是粘附機制在起作用，其它諸如需要借助外力的分子開關(guān)、細胞與組織間的張力以及細胞與周圍微環(huán)境間的相互作用等都在形態(tài)發(fā)生過程中發(fā)揮了相應(yīng)的作用。實際上，不斷由細胞分泌并改變的細胞外基質(zhì)的組成成分，以及細胞外基質(zhì)的拓撲結(jié)構(gòu)，在整個形態(tài)發(fā)生過程中都是在不斷變化的。同時，這些細胞外基質(zhì)也能通過某些特定的基質(zhì)粘附受體，改變細胞的骨架結(jié)構(gòu)和形態(tài)，誘導(dǎo)細胞內(nèi)部的信號發(fā)生改變，直接調(diào)控細胞和組織的命運。現(xiàn)在看來，形態(tài)發(fā)生過程可能是一個主要依賴細胞粘附機制，同時在多種機制高度有序配合的情況下完成的一個復(fù)雜過程。最開始由可溶性因子激活與細胞粘附有關(guān)的信號通路，隨后分子層面、細胞層面以及組織層面的多種機制共同發(fā)揮作用，完成形態(tài)發(fā)生過程。

細胞間以及細胞與細胞外基質(zhì)間動態(tài)的相互粘附作用，對于多細胞組織的形態(tài)發(fā)生過程和內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定至關(guān)重要。在各個層面交叉發(fā)揮作用的各種機制，就是在這個大前提下不斷發(fā)展、進化的。這些機制都是在粘附部位通過保守信號復(fù)合體及其調(diào)控機制，與細胞骨架重構(gòu)和細胞及組織張力改變的機制互相競爭協(xié)調(diào)從而發(fā)揮局部作用。比如囊胚形成過程就包括囊胚腔形成過程和纖維狀纖維連接蛋白基質(zhì)形成過程。這兩個過程都受到了整合素連接激酶復(fù)合體的調(diào)控。

現(xiàn)代異二聚體整合素已經(jīng)發(fā)展到能夠與盤基網(wǎng)柄菌等多細胞動物中剛剛形成的具有穩(wěn)定形態(tài)的多細胞結(jié)構(gòu)相結(jié)合。結(jié)合之后，這些整合素能夠起到特異感受器的作用，來調(diào)控組織的粘附、存活以及吞噬。這些原始的整合素樣蛋白被稱作“sib受體”，它們含有與β整合素一樣的保守基序，另外在蛋白的胞質(zhì)端還含有串聯(lián)的NPXY重復(fù)基序。這說明它是一個陽離子依賴的低親和力受體，主要與胞外蛋白的酸性位點相結(jié)合。Sib還能起到機械連接因子的作用，通過招募踝蛋白等含有FERM結(jié)構(gòu)域的蛋白與肌動蛋白細胞骨架相連接。

2.5 開發(fā)新型細胞粘附分析試劑盒

腫瘤轉(zhuǎn)移病灶一旦形成便成為腫瘤細胞播散的基地，向更多的部位發(fā)生轉(zhuǎn)移，其路徑很多，包括組織間隙、淋巴管、血管、體腔轉(zhuǎn)移、腦脊髓腔和上皮細胞間隙等。其中組織間隙轉(zhuǎn)移是最常見和最基本的方式，需要穿透基底膜，因此需要基底膜的粘附和浸潤步驟；另一條轉(zhuǎn)移通路是淋巴通路，需要腫瘤細胞與淋巴細胞之間的粘附完成轉(zhuǎn)移過程。在腫瘤細胞的組織間隙轉(zhuǎn)移過程中，細胞外基質(zhì)是其必經(jīng)的一環(huán)。細胞外基質(zhì)是由大分子構(gòu)成的錯綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，腫瘤細胞在發(fā)生轉(zhuǎn)移前以及轉(zhuǎn)移過程中需要通過和細胞外基質(zhì)的相互作用，與細胞移動性有關(guān)的細胞骨架形成復(fù)合物，而最終執(zhí)行轉(zhuǎn)移。

細胞外基質(zhì)主要由膠原（Collagen）、非膠原糖蛋白[包括：纖粘連蛋白（Fibronectin,FN）、層粘連蛋白（Laminin,LN）]、氨基聚糖（Glycosaminoglycan,GAG）與蛋白聚糖（Proteoglycan）、以及彈性蛋白（Elastin）等組成。細胞外基質(zhì)不僅和腫瘤的轉(zhuǎn)移相關(guān)，在細胞的形狀形成、胚胎形成、細胞類型的分化組織重排等生理過程中也發(fā)揮著重要的作用。

新開發(fā)的細胞外基質(zhì)細胞粘附分析系統(tǒng)，可以定量檢測出細胞的粘附性能、方便快捷。根據(jù)不同的檢測需求，可以選擇所有細胞外基質(zhì)組合分析；也可單獨檢測細胞與細胞外基質(zhì)單個組分，如膠原蛋白Collagen I、Collagen IV、纖維連接蛋白Fibronectin、纖維蛋白原Fibrinogen、層粘連蛋白Laminin之間的粘附性能，以檢測細胞與不同基質(zhì)分子之間的的粘附活性。另外，每種分析試劑又可根據(jù)實驗要求選擇不同的檢測類型，分別為常規(guī)染色的分光光度計分析和熒光染色的熒光計分析。針對于細胞粘附，除了細胞與細胞外基質(zhì)大分子粘附分析方案外，還有針對白細胞與內(nèi)皮細胞之間（還有白細胞與上皮細胞之間、腫瘤細胞與內(nèi)皮細胞之間）的粘附分析試劑盒提供。另外，近年還開發(fā)出其他多方位的基于細胞功能特征，特別是腫瘤細胞的特性的克隆形成、細胞轉(zhuǎn)移與浸潤、細胞吞噬快速分析、細胞活力/死亡/毒性分析、細胞衰老及收縮檢測，以及血管生成分析等多種分析試劑盒。

參考文獻

[1]左伋,黎立瑾.醫(yī)學(xué)細胞生物學(xué)[M].上海，復(fù)旦大學(xué)出版社，2002年7月第2版，第45-86頁

[2]Kornhauser J M， Greenberg M E. A kinase to remember: dual roles for mAP kinase in long-term memory. Neuron,1997,18(4):839

[3]Zhu-Jun Tana, Yun Peng, He-Ling Song, Jing-Jing Zheng, and Xiang Yua.N-cadherin-dependent neuron–neuron interaction is required for the maintenance of activity-induced dendrite growth. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010，107（21）：9873-9878

[4]Adam J. Engler, Patrick O. Humbert, Bernhard Wehrle-Haller, Valerie M. Weaver. Multiscale Modeling of Form and Function. Science,2009，324:208-212