整聯蛋白及其信號轉導途徑對骨骼肌生長發育的調控

李欣蔚 張 勇

（沈陽農業大學畜牧獸醫學院，沈陽110866）

整聯蛋白（integrin）是由α和β2個非共價鍵結合的跨膜亞基組成的異源二聚體，α和β亞基均由氨基酸序列較長的胞外區、跨膜區和氨基酸序列較短的胞質區組成（只有β4亞基有長的胞質區），α和β鏈的氨基末端形成的球形區域部分為胞外配體結合域［1］。有研究表明，在果蠅中，整聯蛋白在細胞黏附、細胞遷移、細胞增殖和細胞凋亡等過程中同樣發揮重要作用［2－3］。同時，Elizabeth等［4］指出，整聯蛋白黏著復合物會促進特定肌肉組織的發育，主要是通過促進蛋白質合成以及加強細胞原有功能實現的。整聯蛋白通過介導細胞外基質，構成整聯蛋白信號通路來完成對細胞凋亡、細胞增殖以及細胞遷移的信號轉導調控［5］。

1 整聯蛋白配體的生物學特性及其信號通路的特點

1.1 整聯蛋白配體的結構和生物學特性

由于α亞基具有18種不同構型，而β亞基具有8種不同構型，故整聯蛋白可以組成24種α、β異源二聚體復合物。多數α亞基只能與1種β亞基結合構成異源二聚體，但有些α亞基可與幾種不同的β亞基組合；而大部分β亞基則可以結合多種不同的α亞基；同時，β1、β3、β4、α3、α6、αⅡb等亞基的基因mRNA分子可有不同的剪接形式。以上諸多因素都增加了整聯蛋白分子的多樣性。

α和β亞基均由胞外區和胞漿區組成，胞外區和胞漿區共含有700～1 000個氨基酸。α亞基的胞外區由Ⅰ結構域、β－螺旋槳（β－propeller）、thigh、Calf－1、Calf－2構成。而β亞基（β1～β8）包含8個胞外區，即Ⅰ結構域、hybrid、神經叢蛋白－腦信號蛋白－整聯蛋白（plexin－semaphorin－integrin，PSI）子域、β－尾區和4個類表皮生長因子（EGF－like）子域［6］。以整聯蛋白β1為例，如圖1［7］所示：整聯蛋白β1共含有831個氨基酸，其信號肽含有20個氨基酸殘基，位于氨基酸1～20；胞外區域的氨基端部分（INB）是保守子域，共含有449個氨基酸殘基，位于氨基酸37～485；i－like子域位于INB區域內，是A型超家族子域中的成員，該家族含有一種原型分子，叫做von willebrand因子；金屬離子依賴性黏附位點（metal ion dependent adhesion site，MIDAS）氨基酸序列在173～177；PSI子域位于氨基酸31～73；EGF－like子域位于氨基酸513～524和607～618。其中，MIDAS存在于β亞基和部分α亞基的Ⅰ結構域，并位于具有調節作用的Ca2＋結合位點附近，Mg2＋、Mn2＋和Ca2＋均可以與 MIDAS相互作用使得整聯蛋白構象改變，從而導致其與配體的結合或解離［8］。

圖1 整聯蛋白β1的氨基酸序列及保守子域Fig.1 Amino acid sequence and conserved domains of integrinβ1［7］

1.2 整聯蛋白及其信號轉導途徑的活化特點

整聯蛋白作為介導信號傳遞的膜分子，是通過獨特的途徑轉導信號來調節細胞的各種生物學功能的。而整聯蛋白的活化主要通過觸發由細胞內到細胞外的信號轉導，從而實現與細胞外配體的低親和力狀態到高親和力狀態的改變，即整聯蛋白信號系統。而最新研究發現，動物受到應激后，激活的細胞外信號調節激酶（extracellular regulated kinase，ERK）會移動到細胞核表面激活整聯蛋白系統［9］。

在整聯蛋白的活化過程中，小鼠黏著斑蛋白－3（kindlin－3）基因敲除的試驗證實：kindlin－3才是整聯蛋白活化所必需的［10－12］。同時，黏著斑蛋白－1（kindlin－1）可與整聯蛋白β1和整聯蛋白β3胞質區作用，而kindlin－3能與白細胞特異性的整聯蛋白β2胞質區結合［11］。有研究表明，盡管多種蛋白質都可以與β整聯蛋白胞質區發生相互作用，但此前只有踝蛋白被確切證實能夠觸發整聯蛋白的活化［13］，而黏著斑蛋白（kindlin）的F3子域中的TxxNxxY序列是其主要的結合位點［14］。當整聯蛋白的β亞基的胞質尾區與F3子域結合后，破壞了α、β之間的鹽橋，繼而觸發α、β跨膜構象轉變為高親和力構象［15］。

整聯蛋白系統被活化后，黏著斑激酶（focal adhesion kinase，FAK）是胞內第1個信號分子，首先進行磷酸化。FAK廣泛分布于血小板、內皮細胞、中性粒細胞和單核細胞等細胞的胞質中，在細胞遷移中發揮作用［16－19］。繼而由整聯蛋白連接激酶（integrin－linked kinase，ILK）作為蛋白質間相互作用網絡中的集結點，通過其偶聯的信號通路，在調節細胞生物學功能上發揮多種效應。具體信號通路是：當整聯蛋白依賴的細胞黏附激活磷酸肌醇－3激酶（PI3K），其產物多磷酸肌醇（PIP）可激活ILK［20］。

2 由整聯蛋白系統介導的ERK信號通路的生物學功能

整聯蛋白不僅可以通過識別細胞外基質的精氨酸－甘氨酸－天冬氨酸（Arg－Gly－Asp，RGD）序列介導細胞與細胞外基質之間的黏附，與免疫球蛋白超家族分子結構介導細胞與細胞間的黏附，還可以雙向轉導細胞內外的信號，直接影響細胞的生存、生長、增殖、分化以及凋亡等生物學行為。Fong等［21］研究發現，骨橋蛋白可以識別整聯蛋白αⅤβ3，啟動FAK／激活磷酸肌醇3（PI3）／ERK細胞內信號通路，進而促進細胞遷移。Roman等［22］以及Shibue等［23］也指出，整聯蛋白β1可以通過細胞外信號調節激酶1（ERK1）／細胞外信號調節激酶2（ERK2）信號通路上游的FAK調控細胞的增殖，通過抑制活化的整聯蛋白α3，利用FAK／ERK／核轉錄因子κB（NFκB）信號途徑調控基質金屬蛋 白 酶 （matrix metalloproteinase，MMP）的表達。

此外，在硫酸乙酰肝素蛋白聚糖（heparan sulfate proteoglycans，HSPGs）介導細胞分布以及維持細胞骨架硬度的過程中，整聯蛋白通過下調FAK／ERK信號通路來發揮重要的動力轉導作用。如圖2［24］所示，HSPGs可以通過與整聯蛋白調控的細胞基質黏附復合物共區域化，或者通過皮層肌動蛋白細胞骨架上的黏附復合物相互作用，或者同時發 揮 以 上 2 種 作 用 來 激 活 FAK／ERK／c－Jun／MMP－13信號中樞。活化后的信號通路不僅可以調控MMP－13的表達，而且有研究指出，在皮膚損傷修復以及成肌纖維細胞的分化過程中，通過胞間質的作用，整聯蛋白也發揮了重要的動力轉導作用［25］。

圖2 整聯蛋白在FAK／ERK信號通路中的動力轉導作用Fig.2 The mechanotransduction of integrin in FAK／ERK signal pathway［24］

3 整聯蛋白及其信號轉導途徑對動物肌肉生長發育的調控

3.1 整聯蛋白對動物肌肉生長發育的調控

骨骼肌的生長發育是一個十分復雜的過程，涉及大量基因的表達及網絡式調控［26］。而骨骼肌生長速度最終取決于骨骼肌細胞的數量、肌肉蛋白質合成和降解速度［27］。在骨骼肌發育過程中，肌肉組織之所以能夠構建成為可伸展的、可受力的分生組織，是因為整聯蛋白及其調控的細胞黏著力提供了結構上的穩定性。同樣的，有研究表明，在骨骼肌形成過程中，整聯蛋白集中在Z線，整聯蛋白缺乏將會導致Z線發育缺陷［28］。Perkins等［29］的試驗表明，骨骼肌中的整聯蛋白調控的黏著力下降會導致肌肉功能的逐漸缺失，原因在于肌節細胞結構無法維持。而這種肌肉功能上的缺失是漸進的，隨著年齡的增長，肌節肌動蛋白、Z線和M線會出現解離。電子顯微鏡顯微分析顯示，由于整聯蛋白在黏著力調控過程中發生的還原反應，細絲蛋白會與Z線解離，隨后Z線與細胞膜逐漸分離，最終導致Z線的分解。與此同時，整聯蛋白可作為骨骼肌層粘連蛋白網絡調控的細胞膜受體，參與骨骼肌細胞骨架的形成和細胞內信號途徑的介導［30］。

3.2 由泛素介導的整聯蛋白下游存活信號通路對肌肉發育的影響

泛素（ubiquitin）是一類高度保守的蛋白質，含有76個氨基酸，分子質量大約為8 500u。泛素家族除了保持有限序列的同源性以外，所有的泛素家族成員都具有典型的β－grasp泛素折疊，這也顯示出泛素家族結構上的同源性［31］。泛素存在于大多數真核細胞中，它的主要功能是標記需要分解掉的蛋白質，使其被水解。當附有泛素的蛋白質移動到桶狀的蛋白酶的時候，蛋白酶就會將蛋白質水解。有研究表明，整聯蛋白β1的活化作用和泛素的表達均可以激活PI3K／蛋白激酶B（Akt）通路來進一步抑制細胞凋亡［32］。

在肌間盤和肋節間，整聯蛋白β1與多種蛋白質如骨骼肌特異蛋白質（muscle－specific protein，melusin）相銜接（圖3［33］）。β腎上腺素受體刺激成人的心肌細胞，繼而引起糖原合成酶激酶3β（glycogen synthase kinase 3β，GSK3β）和c－Jun氨基端激酶（JNK）的活化，在整聯蛋白β1和基質金屬蛋白酶－2（matrix metalloproteinase－2，MMP－2）的參與完成下游信號的傳導，引起細胞凋亡。另有研究表明［34］，阻止 MMP－2的活化會導致肌細胞骨架重組受抑制，同時引起肌細胞功能性異常。同樣的，切斷melusin基因后也會抑制Akt介導的GSK3β的磷酸化作用，繼而抑制了細胞凋亡。同時，泛素介導的信號通路中所涉及的諸多蛋白質分子，將會被肌細胞骨架所重新吸收，然后完成下游信號通路的轉導。在β腎上腺素受體的刺激下，整聯蛋白β3不會被心肌細胞的閏盤泛素化，而在這段時間，酪氨酸激酶活化后的下游因子——黏著斑復合體（focal adhesion complex，FAC）逐漸形成。所以，在β腎上腺素受體的刺激下，整聯蛋白β1和整聯蛋白β3都會引起肌細胞的代償性生長，整聯蛋白與其他蛋白質共同形成了網絡式的級聯反應，而在這些級聯反應中，由泛素介導的整聯蛋白β1下游存活信號通路會被不斷激活。

圖3 由泛素介導的整聯蛋白β1下游存活通路Fig.3 Ubiquitin－mediated survival signaling downstream of integrinβ1［33］

4 小 結

整聯蛋白是一類細胞表面受體分子家族，廣泛存在于各種組織中，可使細胞黏附于胞外基質并介導來自基質的機械信號和化學信號，具有激活胞漿激酶和維持生長因子的生物活性，實現細胞外基質－整聯蛋白－細胞內的信號轉導功能。而骨骼肌生長發育需要蛋白質合成和降解之間的平衡，涉及合成代謝與分解代謝之間的比例關系。因此，根據整聯蛋白信號通路的特點可以推測，在肌肉蛋白質降解和合成代謝過程中，整聯蛋白及其信號通路很可能發揮重要作用。目前，對于整聯蛋白的研究尚處于人類和動物疾病的預防及治療階段，在肌肉發育以及動物肉品質改良方面甚少。所以，深入研究整聯蛋白及其信號通路在肌肉發育方面的調控機理，便可以通過調節整聯蛋白信號途徑來進一步改善動物肉品質，可以說，在動物營養領域的研究中，整聯蛋白及其信號通路極具研究前景。

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