張力蛋白的結構與功能及疾病相關性研究進展

宋麗琴 張宇 吳小戀 趙魁 周海紅

廣東醫科大學附屬醫院神經內科，廣東湛江 524000

張力蛋白最早于20 世紀80 年代被發現，當時研究人員在尋找可將肌動蛋白絲錨定到黏著斑并維持肌動蛋白細胞骨架和質膜之間張力的“蛋白質X”，發現與雞砂囊平滑肌中黏著斑蛋白（vinculin）共純化的物質在體外具有肌動蛋白結合活性，因其能維持肌動蛋白絲的張力，故被命名為“張力蛋白”。迄今為止，在哺乳動物中，已發現張力蛋白家族有4個成員，最初被發現的張力蛋白被命名為tensin–1（TNS1），另外3 個成員為tensin–2（TNS2）、tensin–3（TNS3）和tensin–4（TNS4），是在尋找與TNS1 具有廣泛序列同源性的新張力蛋白家族成員時被發現的。這4 個成員在結構上有一個共同特征，即在蛋白的C 末端均包含SH2 功能域（Src homology 2，SH2）及磷酸酪氨酸結合域（phosphotyrosine–binding，PTB）。張力蛋白作為連接細胞內肌動蛋白細胞骨架與細胞外基質的橋梁，介導細胞內外信號的傳導，并調節細胞的黏附、遷移、增殖、分化等生物學過程。越來越多的證據表明，張力蛋白與人類許多疾病密切相關，但其發病機制尚不明確。因此，本文總結張力蛋白的結構、周圍相關結構、生物學功能、疾病相關性的研究進展，以期更好地研究張力蛋白在疾病發生發展中所起的作用。

1 張力蛋白的結構特征

張力蛋白為一類含有多結構域的大分子蛋白質，能結合多種信號分子。其中，TNS4 分子量最小，為80kDa，其余3 個成員的分子量在170kDa～220kDa之間。張力蛋白家族在C 端及N 端的進化上高度保守，但各成員的中央區域沒有序列同源性。所有成員在C 端均具有同源的SH2–PTB 串聯結構及黏著斑結合位點（FAB–C）；除了TNS4 因缺乏N 端區域而不具備肌動蛋白結合域（actin–binding domain，ABD），其他3 個成員的N 端均具有ABD Ⅰ和另一個黏著斑結合位點（FAB–N），從而擁有肌動蛋白結合活性，而位于TNS1中央區域的ABD Ⅱ則為TNS1所特有的結構；另外，C1 結構域僅存在于TNS2 的N端。

C 端的SH2 能識別并結合酪氨酸磷酸化蛋白，從而介導相關信號級聯反應。緊隨SH2 的PTB結構域則與整合素β1、β3、β5 和β7 細胞質尾部的NPXY 基序相結合。N 端的ABD 與肌動蛋白絲結合并調節肌動蛋白的聚合速率。N 端的黏著斑結合位點FAB–N 與ABD Ⅰ重疊，而C 端的黏著斑結合位點FAB–C 則與SH2–PTB 結構域重疊。C1 結構域的功能目前尚不清楚。這些結構域使張力蛋白能將肌動蛋白細胞骨架錨定到整合素受體，并轉導各種信號，維持細胞的正常結構與功能。

2 張力蛋白的周圍相關結構

張力蛋白定位于黏著斑，黏著斑是連接細胞內肌動蛋白細胞骨架與細胞外基質的跨膜復合體，由多種蛋白質組成，其中涉及α–肌動蛋白、整合素、踝蛋白、Kindlin 蛋白、黏著斑蛋白、張力蛋白等蛋白質，黏著斑通過與胞外基質的機械耦合傳導各種細胞內外信號，并調節細胞的遷移、增殖、分化等生物學過程。黏著斑不會主動產生力，而是充當肌動蛋白產生的應力的傳遞媒介。

肌動蛋白在各種細胞中廣泛表達，是細胞內最豐富和最重要的蛋白質之一。肌動蛋白是細胞產生力的來源，肌動蛋白絲聚合可產生前伸力，而肌動蛋白絲沿著肌球蛋白Ⅱ的雙極絲滑動產生收縮力，這兩種力對改變細胞形態、連接胞外基質使細胞彼此之間形成黏附并遷移、增殖及分化非常重要。受多種機制的嚴格調控，通過聚合/解聚循環，肌動蛋白單體和多聚體之間處于動態平衡，以實現不同的肌動蛋白分布和高度多樣化的全身功能。

整合素幾乎在脊椎動物所有細胞類型中表達，它是由非共價結合的α 亞基和β 亞基組成的異二聚體，每個亞基都是Ⅰ型跨膜蛋白（主要介導細胞–基質黏附），具有較大的多結構域胞外部分、一個跨膜區域和較短的胞質尾部，胞質尾部為整合素與胞內蛋白質相互作用的核心區域。人類表達18 個α 亞基和8 個β 亞基，它們組合形成24 種不同的整合素異二聚體，具有不同的配體結合特異性和信號傳導特異性，因此，整合素能與多種細胞外配體結合。通過胞外結構域與細胞外配體的結合及細胞質尾部與細胞內信號蛋白、細胞骨架蛋白的結合，整合素在質膜上雙向轉換生物化學信號和機械力。

踝蛋白是整合素最重要的細胞質結合伙伴，通過其FERM 結構域中F3 模塊的磷酸酪氨酸結合基序與整合素胞質尾部的NPXY 基序結合以啟動整合素的激活，是整合素的關鍵激活劑。踝蛋白還可直接與肌動蛋白、黏著斑蛋白結合。

Kindlin 蛋白對整合素的激活和信號傳導也是必不可少的。Kindlin 蛋白是包含FERM 結構域的蛋白質，與踝蛋白不同的是，Kindlin 與整合素胞質尾部的NXXY 基序結合，踝蛋白和Kindlin 蛋白共同觸發整合素胞外結構域的構象變化，將其轉換為高親和力配體結合狀態。

黏著斑蛋白具有結合肌動蛋白、踝蛋白、樁蛋白等蛋白的多個位點，也是調節黏著斑力傳遞的重要環節。

α–肌動蛋白可與肌動蛋白結合，還與許多信號分子、跨膜受體的胞質結構域、離子通道結合，使其在細胞骨架和肌肉收縮中發揮重要的調節作用。

研究表明，張力蛋白也可激活整合素，并通過代謝傳感器腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate–activated protein kinase，AMPK）負調控張力蛋白的表達來抑制整合素的活性。

3 張力蛋白的生物學功能

張力蛋白作為黏著斑的一部分，與α–肌動蛋白、踝蛋白、Kindlin 蛋白、黏著斑蛋白、整合素等多種蛋白質一起將細胞內肌動蛋白細胞骨架與細胞外基質連接起來，從而介導細胞內外信號的傳導，與細胞的黏附、遷移、侵襲、增殖、分化、機械傳導密切相關。

3.1 調節細胞黏附

細胞通過黏附整合到組織中，并進行雙向信號轉導，調節細胞的遷移、增殖等生物學過程。根據不同的成熟階段，細胞黏附的亞型可分為新生粘連、局灶性復合體、局灶性粘連（即黏著斑）、纖維狀粘連，TNS2 主要位于黏著斑，而TNS3 主要存在于纖維狀粘連，TNS1 存在于兩者中。張力蛋白調節細胞黏附的形成。據報道，Hic–5（一種黏著斑支架蛋白）通過與TNS1 相互作用可促進纖維狀粘連的形成與成熟。另有研究發現，代謝傳感器AMPK 可負調控TNS1 和TNS3 的表達，當AMPK 缺失時，TNS1和TNS3 的表達上調，且整合素活性增強，同時促進纖維狀粘連的形成。

3.2 調節細胞遷移與侵襲

張力蛋白可調節細胞的遷移。有研究者通過Boyden 室細胞遷移分析實驗發現，過表達TNS1 或TNS2 后，細胞遷移速度明顯加快。進一步研究發現，SH2 對TNS1 介導的細胞遷移至關重要，TNS1的SH2 的酪氨酸磷酸化蛋白結合活性可促進細胞遷移。然而，TNS3 卻是細胞遷移的負調節劑。據報道，TNS3 在HEK293 細胞中過表達可顯著抑制細胞遷移和侵襲，相反，人類癌細胞中內源性TNS3的siRNA 敲低可顯著促進它們的遷移。由于TNS4缺乏N 端肌動蛋白結合域，且競爭性地干擾能結合整合素的肌動蛋白結合蛋白，這種相互作用顯著抑制整合素與肌動蛋白的耦聯，從而削弱細胞黏附并增強細胞遷移活性。在腫瘤侵襲過程中，上皮細胞失去細胞與細胞的黏附并轉變為間充質表型，稱為上皮–間充質轉化，被認為在促進細胞遷移和侵襲方面起著重要作用。有報道稱，TNS4 可通過正向調節Src（一種非受體型細胞質酪氨酸蛋白激酶）的表達以促進結直腸癌的上皮–間充質轉化和可能的結直腸癌轉移。

3.3 調節細胞增殖與分化

張力蛋白參與調節細胞的增殖與分化。有研究表明，哌唑嗪可下調急性髓性白血病細胞系U937 細胞中TNS1 的表達，同時抑制U937 細胞活力，并誘導細胞周期停滯和細胞凋亡，但上調TNS1 可逆轉哌唑嗪對U937 細胞活力的抑制及促凋亡作用。TNS3可通過促進活性整合素的表達以促進扁桃體間充質干細胞的增殖與分化。TNS4 是目前已知的唯一能易位到細胞核的成員。據報道，以HeLa 細胞（宮頸癌細胞）為實驗對象，盡管過表達TNS4 沒有促細胞增殖作用，但沉默TNS4 將顯著抑制細胞增殖。

3.4 張力蛋白的機械傳導作用

黏著斑的實質是一條蛋白質–蛋白質相互作用鏈，在動態改變蛋白質的構象過程中產生力的傳遞。張力蛋白（TNS1、TNS2、TNS3）通過其肌動蛋白結合域將肌動蛋白細胞骨架與胞外基質相連接，實現機械信號的傳導，并將機械刺激轉化為生物化學反應，從而調節細胞的黏附、遷移、增殖等生物學過程。

4 張力蛋白的疾病相關性

研究發現，TNS1 為非綜合征性二尖瓣脫垂的高度易感基因之一，并在斑馬魚和小鼠TNS1 基因敲除模型中得以驗證。另一項英國的全基因組關聯研究則表明TNS1 編碼區的非同義單核苷酸多態性與慢性阻塞性肺疾病的發病風險相關，并發現慢性阻塞性肺疾病患者氣道中TNS1 的表達增加。還有研究發現，小鼠TNS1 基因敲除會導致囊性腎臟疾病的發生，最終小鼠因腎衰竭而死亡。此外，在不同的腫瘤病變中，TNS1 表現出差異性表達，如TNS1在結直腸癌、非小細胞肺癌中表達上調，在膀胱癌中表達下調。

據報道，FVB/N 品系的TNS2 缺陷小鼠會出現嚴重的腎病綜合征，超微結構分析提示腎小球基底膜增厚、系膜區域擴大、足細胞足突在出生后不久即消失等情況。另有報道稱，沉默TNS2 可上調蛋白激酶B、絲裂原活化蛋白和胰島素受體底物1等蛋白質的活性，并增加A549 細胞和HeLa 細胞的致瘤性。此外，研究者通過分析公共數據庫中TNS2與癌癥相關性的數據發現，TNS2 表達水平在頭頸部惡性腫瘤、食管癌、乳腺癌、肺癌、肝癌和結腸癌中均下調。

還有研究表明，食管鱗狀細胞癌中高度過表達TNS3，且TNS3 與患者腫瘤惡性程度及預后不良呈正相關，而沉默TNS3 可顯著抑制體外和體內食管鱗狀細胞癌細胞的增殖，表明TNS3 在食管鱗癌中有促癌作用，為潛在治療靶點。另外，胃癌、食管癌組織中TNS4 基因表達水平明顯高于鄰近正常組織，并與患者的不良預后相關。

以上數據表明，張力蛋白與人類許多疾病的發生、發展密切相關，尤其與肺部疾病、腎臟疾病及癌癥的相關性較高。

5 結語

經過30 余年的研究，人們對張力蛋白家族的結構、功能及疾病相關性都有了更深入的認識。張力蛋白是一類多結構域的大分子蛋白，能與多種蛋白質相互作用，在肌動蛋白–肌動蛋白結合蛋白–整合素–細胞外基質通路中，不僅有機械傳導作用，還能將機械刺激轉化為生物化學信號，從而調節細胞的黏附、遷移、侵襲、增殖、分化等生物學過程，并與人類多種疾病的發生、發展密切相關。但張力蛋白在疾病中所扮演的角色同其結構特征一樣充滿著復雜性，張力蛋白與其他信號分子的相互作用及致病機制仍待進一步探索。此外，張力蛋白能否作為相關癌癥的診斷、預后生物標志物及治療靶點，也需要更多的研究加以驗證。