縫隙連接及縫隙連接相關疾病研究進展

朱長良綜述，裘偉光△，洪 濤審校

（南昌大學：1.第三附屬醫院神經外科；2.第一附屬醫院神經外科，江西南昌330006）

縫隙連接（gap junction，GJ）介導的細胞間通訊是最主要、最直接的細胞間信號傳導形式，可以快速、可逆地促進相鄰非刺激細胞對外界信號的協同反應。GJ由相鄰的兩個細胞各提供一個連接子或稱縫隙連接蛋白（connexin，Cx）兩兩對接而成，組成GJ通道的縫隙連接蛋白可以是一種，或者一種以上，通過其介導的GJ蛋白通訊（gap junction intercellular communication，GJIC）從而實現細胞間信息交流和能量傳遞，調控細胞的增殖、分化、代謝等過程，對維持機體的內環境穩定和生長發育具有重要意義。近年來關于GJ與GJ相關疾病的發病機制探討日益受到人們的重視，本文對其綜述如下。

1 GJ的回顧性研究

Cx43可在諸多細胞中表達，如成纖維細胞、內皮細胞、造血細胞、神經元以及心臟脊神經細胞。Cx43單體可以相互結合形成六聚體連接子，相鄰細胞之間的這種連接子又可以對接成GJ。GJ允許離子以及小分子物質（相對分子質量小于1.2×103，如Ca2＋、ATP和CAMP等）通過［1］。目前認為在某些情況下某些細胞連接子本身也具有半通道功能。Pannexins是非人類GJ家族成員半通道功能的基礎，并能增強細胞抗原提呈和免疫反應等細胞活性，甚至還具有腫瘤抑制作用。

2 縫隙連接蛋白的結構、功能和調節

2.1 GJ的結構 細胞之間交流具有重要的意義，有助于各種細胞微環境的形成以及穩態的建立和維持。相關研究顯示，相鄰細胞內和細胞間分子通道均有賴于Cx家族得以完成。迄今為止，發現的Cx主要包含3個家族成員：類似于脊椎動物Cx但存在于非脊椎動物中的Innexins、脊椎動物Cx和Pannexins［1］。盡管這3種Cx起源不同，但是它們結構上和膜拓補學上具有很大相似性。Cx肽鏈具有2個細胞外環，1個細胞內環，其氨基末端（N）和羧基末端（C）位于細胞質內。Cx的氨基末端相對較保守，而羧基末端的絲／蘇及酪氨酸殘基能夠感受細胞內的信號變化而改變構象。不同的Cx或連接子之間可以形成同型（聚）／異型（聚）通道，甚至單獨形成半通道（hemichannel）。盡管現在關于某些細胞半通道功能仍不十分清楚，但普遍認為相鄰的兩細胞之間的這3組蛋白聚集成的多聚體能夠形成通道，這種通道和傳統的Cx形成通道具有相同功能。然而，這種Pannexins形成的半通道功能和傳統細胞GJ無關［2］。目前普遍關注的主要是Pannexins形成的通道是否也具有半通道功能，很多文獻都有過這方面報道［3-4］。

2.2 GJ的功能 GJ的生理作用有賴于Cx的正常表達、磷酸化及蛋白質間的相互作用等。當血管壁Cx40表達下降時，內皮細胞（EC）與平滑肌細胞（SMC）之間的 GJ（myoendothelial GJ，MEGJ，又稱為肌內皮GJ）通道功能下降，限制了由EC（啟動細胞或信號發送細胞）產生的內皮源性超極化因子（endothelium-derived hyperpolarizing factor，EDHF）通過該通道所引起的SMC（信號接收細胞）舒張，從而抑制了EC通過MEGJ實現其調節血管張力的功能，引起血管舒縮紊亂。而由于Cx43廣泛表達，尤其在血管平滑肌中分布頗為豐富，它是目前所有連接蛋白中研究最廣泛的一種縫隙連接蛋白，也是最重要的一種，另外其蛋白表達水平對血管舒縮功能也起到至關重要的作用。

2.3 GJ的調節 蛋白激酶C（PKC）、促分裂原活化蛋白激酶（MAP激酶）及Src家族中絡氨酸激酶主要通過調節Cx43羧基末端（C）導致其磷酸化和去磷酸化，從而達到調節Cx43通道效應［5］。已經證實PKC途徑是通過使Cx43的262和368位點磷酸化，從而使GJ通道通訊功能下降［6］。絲裂原激活蛋白激酶途徑（MAPK途徑）使Cx43的255、279和282位點磷酸化，通過降低通道開放的頻率來抑制其通訊作用［7］。絡氨酸激酶途徑則通過使Cx43的268和247位點發生磷酸化對縫隙連接蛋白通道的通訊功能發揮重要的作用。絡氨酸激酶作用于富含脯氨酸片段的Cx43羧基末端（C）并與其SH3（Src同源結構域）于C結構域結合，致使Cx43的268位點發生磷酸化。這種磷酸化又可以提供絡氨酸激酶潛在的SH2結合位點使得Cx43的247位點發生磷酸化，從而調節通道的關閉［6］。有研究顯示，連接蛋白ZO-1（內皮素-1）也能作用Cx43羧基末端［8］，而Cx43羧基末端（C）又被認為有調節各種GJ分布作用［9］。ZO-1還能調節未對接的Cx使其聚集，從而控制胞膜上半通道開放的數量［10］。起主導作用的Cx43羧基末端還與連接蛋白中的調節蛋白作用有關［11-12］。調節蛋白是一種大腦抑制性肌動蛋白，這種蛋白質屬于調節蛋白／肌動蛋白的結合蛋白家族。通過免疫共沉淀和初級熒光共振能量轉移研究顯示，調節蛋白作用于起主導作用的Cx43羧基末端，并通過與細胞骨架F-肌動蛋白結合具有調節和穩定GJ作用［11］。

3 Cx43與星型膠質細胞

現已明確Cx43是神經系統中主要的縫隙連接蛋白，并且主要在星型膠質細胞中表達。有研究采用追蹤一種蛋白組學方法來了解Cx43是如何影響星型膠質細胞功能包括變形和遷移，通過定量免疫組化和 Western blotting分析，發現Cx43siRNA的星型膠質細胞能增強細胞骨架蛋白的表達，如肌動蛋白、微管蛋白、原肌球蛋白、微管相關蛋白、轉膠蛋白和膠質纖維酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP），同時下調絲切蛋白-1［12-13］。Cx43沉默會導致細胞的形態、遷移和黏附發生改變。有研究曾報道過Cx43和許多骨架蛋白都相互影響，相關蛋白組學研究顯示大多數細胞骨架蛋白也主要是通過作用于起主導作用的Cx43羧基末端（C）［14-15］。正常膠質瘤細胞中Cx43表達相當低，因此，目前普遍習慣將其作為檢測Cx43過表達的獲得性效應首選神經元細胞。此類研究本來目的是要了解Cx43過表達在細胞增殖中作用，但同時也清楚地看到過表達Cx43導致了神經膠質瘤C6細胞形態學改變［16］。隨后有關神經膠質瘤C6細胞研究從多角度證實了Cx43表達水平可以改變細胞形態、細胞黏附、細胞遷移，甚至與神經膠質瘤細胞的浸潤有關。Lin等［17］檢測到了神經膠質瘤C6細胞中Cx43促黏附作用，并初步明確其可增強神經膠質瘤細胞和星型膠質細胞中相互交流及其在腦細胞中浸潤性作用。研究還發現，神經膠質瘤細胞中Cx43表達水平與腫瘤的惡性程度呈負相關［6］。

4 GJ相關疾病

目前已確認不少疾病和GJ基因突變相關［15，18］。然而這些突變會影響細胞的門控通道開閉、膜穩定性等功能。細胞遷移在發育中起到了至關重要作用。發育中的中樞神經系統如果缺乏Cx43表達則會影響神經元細胞的遷移［19］。Cx43基因突變相關人類疾病也報道過，如內臟心房異位綜合征和眼齒指發育不良（ODDD）綜合征［20］。目前關于間隙連接（Gap junctions，GJs）臨床意義的研究主要是有關腫瘤細胞增殖方面的作用［21］，而增殖恰是惡性腫瘤最具代表性標志之一。腫瘤細胞可以離開自身腫瘤組織經跨細胞遷移到別處產生新的腫瘤［22］。鑒于細胞骨架在細胞遷移中發揮了重要作用，表明Cx43是通過與多種蛋白質相互作用來調節細胞骨架，無論Cx43基因敲除還是抑制Cx43，都對細胞形態、黏附、極性及移動有著廣泛的作用。隨著研究的進一步深入，Cx43將在腫瘤細胞的浸潤和轉移過程中都扮演著越來越重要角色。

5 展 望

細胞GJ通道通訊功能受多種因素影響，主要與縫隙連接蛋白表達水平有關，相關研究證實其功能異常可導致產生多種GJ相關疾病，如蛛網膜下腔出血（subarachnoid hemorrhage，SAH）后的腦血管痙攣（cerebral vascular spasm，CVS）、內臟心房異位綜合征、ODDD、神經系統腫瘤等。有關人類的縫隙連接蛋白仍需要更進一步的研究，包括病理情況下在細胞運動遷移中縫隙連接蛋白組（Connexins）是如何發揮潛在作用的等，有助于進一步揭示這類疾病的發病機制和預防治療等提供理論依據。

［1］Ponsioen B，van Zeijl L，Moolenaar WH，et al.Direct measurement of cyclic AMP diffusion and signaling through connexin43gap junctional channels［J］.Exp Cell Res，2007，313（2）：415-423.

［2］Scemes E，Spray DC，Meda P.Connexins，pannexins，innexins：novel roles of“hemi-channels”［J］.Pflugers Arch，2009，457（6）：1207-1226.

［3］Sosinsky GE，Boassa D，Dermietzel R，et al.Pannexin channels are not gap junction Hemichannels［J］.Channels，2011，5（3）：193-197.

［4］Batra N，Kar R，Jiang JX.Gap junctions and hemichannels in signal transmission，function and development of bone［J］.Biochim Biophys Acta，2012，1818（8）：1909-1918.

［5］Scemes E.Nature of plasmalemmal functional“hemichannels”［J］.Biochim Biophys Acta，2012，1818（8）：1880-1883.

［6］Solan JL，Lampe PD.Connexin 43in LA-25cells with active v-src is phosphorylated on Y247，Y265，S262，S279／282，and S368via multiple signaling pathways［J］.Cell Commun Adhes，2008，15（1）：75-84.

［7］Sáez JC，Nairn AC，Czernik AJ，et al.Phosphorylation of connexin43and the regulation of neonatal rat cardiac myocyte gap junctions［J］.J Mol Cell Cardiol，1997，29（8）：2131-2145.

［8］Lin R，Warn-Cramer BJ，Kurata WE，et al.v-Src phosphorylation of connexin 43on Tyr247and Tyr265disrupts gap junctional communication［J］.J Cell Biol，2001，154（4）：815-827.

［9］Giepmans BN，Moolenaar WH.The gap junction protein connexin43interacts with the second PDZ domain of the zona occludens-1protein［J］.Curr Biol，1998，8（16）：931-934.

［10］Hunter AW，Barker RJ，Zhu C，et al.Zonula occludens-1alters connexin43gap junction size and organization by influencing channel accretion［J］.Mol Biol Cell，2005，16（12）：5686-5698.

［11］Rhett JM，Jourdan J，Gourdie RG.Connexin 43connexon to gap junction transition is regulated by zonula occludens-1［J］.Mol Biol Cell，2011，22（9）：1516-1528.

［12］Butkevich E，Hülsmann S，Wenzel D，et al.Drebrin is a novel connexin-43binding partner that links gap junctions to the submembrane cytoskeleton［J］.Curr Biol，2004，14（8）：650-658.

［13］Olk S，Turchinovich A，Grzendowski M，et al.Proteomic analysis of astroglial connexin43silencing uncovers a cytoskeletal platform involved in process formation and migration［J］.Glia，2010，58（4）：494-505.

［14］2Xu X，Francis R，Wei CJ，et al.Connexin 43-mediated modulation of polarized cell movement and the directional migration of cardiac neural crest cells［J］.Development，2006，133（18）：3629-3639.

［15］Becker DL，Thrasivoulou C，Phillips AR.Connexins in wound healing；perspectives in diabetic patients［J］.Biochim Biophys Acta，2012，1818（8）：2068-2075.

［16］HervéJC，Derangeon M，Sarrouilhe D，et al.Gap junctional channels are parts of multiprotein complexes［J］.Biochim Biophys Acta，2012，1818（8）：1844-1865.

［17］Liu X，Hashimoto-Torii K，Torii M，et al.The role of ATP signaling in the migration of intermediate neuronal progenitors to the neocortical subventricular zone［J］.Proc Natl Acad Sci U S A，2008，105（33）：11802-11807.

［18］Zoidl G，Dermietzel R.Gap junctions in inherited human disease［J］.Pflugers Arch，2010，460（2）：451-466.

［19］Pfenniger A，Wohlwend A，Kwak BR.Mutations in connexin genes and disease［J］.Eur J Clin Invest，2011，41（1）：103-116.

［20］Cina C，Maass K，Theis M，et al.Involvement of the cytoplasmic C-terminal domain of connexin43in neuronal migration［J］.J Neurosci，2009，29（7）：2009-2021.

［21］Laird DW.Life cycle of connexins in health and disease［J］.Biochem J，2006，394（Pt 3）：527-543.

［22］Sin WC，Crespin S，Mesnil M.Opposing roles of connexin43in glioma progression［J］.Biochim Biophys Acta，2012，1818（8）：2058-2067.