包邮细胞信号转导与疾病

**章细胞骨架、细胞外基质、细胞间黏附 目前已知除病毒之外的所有生物体均是由细胞构成的，细胞被认为是生物体行使生命功能的基本结构和功能单位。但是，生物体的组织构造却并不仅仅是细胞的简单堆积，而是按照特定的方式和架构有序地组装而成。因此，了解细胞组装的基本架构，如细胞骨架、细胞外基质和细胞间黏附的组成成分、调节功能和信号转导通路，对于深入理解细胞的结构功能和组织器官的病理生理特征具有重要的意义。本章将简要介绍细胞骨架、细胞外基质和细胞黏附的信号通路研究。 **节　细胞骨架、细胞外基质和细胞间黏附相关的信号转导 细胞骨架、细胞外基质和细胞黏附，本质上都是由细胞分泌的各种生物聚合物纤维交联所形成的复杂性三维网络结构，既是组织细胞的支撑性结构框架，也是维持细胞生物学功能的基本微环境。不同类型的细胞有不同类型的细胞骨架，并分泌特定的细胞外基质，共同构成不同的组织如上皮组织、结缔组织、肌肉组织和神经组织等，*终再由各种组织有序地构建成功能各异的器官。在这一过程中，细胞与细胞之间、细胞与细胞外基质之间无时无刻不在发生着动态相互作用。在激活信号通路的同时也给予着细胞力学刺激，对于构建并保持组织器官的结构和功能都是非常重要的。 一、细胞间黏附相关的信号转导 细胞间黏附主要有以下几种方式：黏附连接（细胞 -细胞）、紧密连接（不渗透的细胞 -细胞连接）及局灶黏附（细胞 -基质），不同的结构和功能常伴随着不同的信号转导路径。 1.黏附连接 黏附连接（ adherens junction）是由细胞黏附蛋白与邻近细胞相应蛋白所形成的短暂连接，包括形成、强化、分散、降解和再形成等步骤，是一个选择性识别和动态黏附的过程，大量跨膜黏附分子参与了该过程。钙黏蛋白（ cadherin）-链蛋白复合体（β-catenin和 α-catenin组成）是其中重要的介导复合物之一。近来的学术观点认为，细胞连接与细胞骨架之间的联系可能比既往认为的都更具动态性，可能就是依赖于钙黏蛋白 -链蛋白复合体与肌动蛋白细胞骨架间的众多关联，或是依赖于其他膜相关蛋白 ［如连接蛋白（ nectin）、肌动蛋白丝结合蛋白（ afadin）］。α-catenin单体在黏附连接处与 β-catenin结合，然后释放 α-catenin二聚体、促进肌动蛋白束的形成——肌动蛋白支链网络到肌动蛋白束链的转变，与黏附连接的成熟及膜样板状伪足的减少有关。与细胞的大多数动态系统相似，大量的激酶、磷酸酶和衔接蛋白（adaptor protein）参与调节了其中一些关键效应蛋白的活性和分布： p120 catenin（δ-catenin）能够结合并稳定质膜上的钙黏蛋白；膜结合的和细胞质的酪氨酸激酶可在薄弱或初生连接处磷酸化 β-catenin；磷酸酶可在已建成的连接处去除β-catenin和δ-catenin的磷酸盐； RhoA家族GTP酶（GTPase）可以调节catenin和其他重要黏附蛋白的可用性和激活状态。总之，这些结构蛋白、酶和衔接蛋白共同参与了动态的细胞连接过程（图 1-1），这对于组织的形态发育及维持发育后复杂组织的结构完整性都是十分必要的。 图1-1　黏附连接中的钙黏蛋白 -链蛋白复合体及其与细胞内信号通路的联系引自 Stepniak E，Radice GL，Vasioukhin V V，2009．Adhesive and signaling functions of cadherins and caten-ins in vertebrate development. Cold Spring Harb Perspect Biol，1（5）：a002949 2.紧密连接 紧密连接（ tight junction）是在上皮细胞和内皮细胞间形成一个不渗透的细胞间连接，是可以阻止液体流动的连续性屏障。紧密连接可调节细胞旁通透性并维持细胞极性，阻止细胞上皮侧和基底侧间的跨膜蛋白移动。紧密连接主要由密封蛋白（ claudin）和闭合蛋白（ occludin）等跨膜蛋白组成，它们参与了与细胞骨架的连接。闭合蛋白被认为在组装和维持紧密连接中起到了重要作用，不同残基上的磷酸化参与调节了其与其他紧密连接蛋白如ZO-1蛋白的相互作用。 3.黏着斑黏着斑（ focal adhesion）是细胞与细胞外基质间的连接方式，主要由整合素 （integrin）介导。整合素是由 α和β两个亚基组成的异源二聚体跨膜蛋白（家族至少包含18个α亚基和8个β亚基），已知可形成24种不同组织分布和重叠配体特异性的整合素，在细胞黏附和迁移中起到了重要作用。整合素的胞内段可与细胞内的大量信号通路转导蛋白如黏着斑激酶（ focal adhesion kinase，FAK）等相互作用——整合素簇激活黏着斑激酶，可导致 Tyr397 位点发生自磷酸化， Tyr397是Src激酶家族磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）和PLCγ 的重要结合位点。 二、细胞外基质在上皮-间充质转化过程中的信号转导作用 上皮-间充质转化（ epithelial-mesenchymal transition，EMT）是指上皮细胞通过特定程序转化为具有间质表型细胞的生物学过程，其在胚胎发育、慢性炎症、组织重建、癌症转移和多种纤维化疾病中均发挥了重要作用。经过 EMT过程，上皮细胞失去细胞极性及与基底膜连接等一系列上皮表型，获得了迁移与侵袭、抗凋亡、降解细胞外基质等相关的间质表型，这一过程常伴随着细胞骨架、细胞外基质及细胞黏附的变化。 EMT的重要特征之一是上皮细胞的完整性丢失，该过程是维持上皮细胞间接触的黏附连接被降解所导致的——基质金属蛋白酶（ matrix metalloproteinase，MMP）介导的蛋白水解消化是该降解过程的主要驱动因素之一，受到 EMT相关信号通路如TGF-β信号通路的调节。此外，促进 EMT的转录因子（如 Snail等）会对上皮特异性的蛋白［如上皮钙黏蛋白（ E-cadherin）、封闭蛋白（ occludin）、桥粒斑蛋白（ desmoplakin）等］的基因表达进行转录抑制，进而降解黏附连接。 除了上皮细胞细胞间黏附的降解， EMT过程中，上皮细胞黏附连接的某些组分还会被某些蛋白［如神经钙黏蛋白（ N-cadherin）等］所取代，它们具有更强大的连接活性，从而使得细胞解离和运动的能力得以增强。此外，肌动蛋白细胞骨架的重构也参与了EMT过程——浸润性乳腺癌的细胞研究发现， ERM（ezrin/radixin/moesin）蛋白的表达变化驱动了肌动蛋白细胞骨架的重构过程， ERM 蛋白作为细胞外蛋白聚糖（如透明质酸和多能聚糖）的受体，可与CD44相互作用。CD44蛋白是一种细胞表面糖蛋白，大量表达于某些肿瘤的肿瘤干细胞，与肿瘤细胞的迁移和转移密切相关。 大量研究证实，细胞外基质的变化及相关信号的转导参与了上皮细胞的 EMT过程。 EMT转录因子 Twist能够诱导富含肌动蛋白的膜突起的形成，即侵袭性伪足（invadopodia），其主要是通过募集基质金属蛋白酶MMP-7、MMP-9和MMP-14至前缘并在此处降解细胞外基质和基底膜，从而促进肿瘤的侵袭和转移；其他的 EMT相关转录因子（如 Slug、Snail和Zeb等）也已被证明可以上调多种细胞外基质蛋白如胶原蛋白Ⅰ（collagen Ⅰ）、玻连蛋白（ vitronectin）和纤连蛋白（ .bronectin）等的表达。此外， EMT过程中，多种整合素复合体如可与纤连蛋白结合的整合素 α5β1，可与胶原蛋白Ⅰ相互作用、介导 E-cadherin复合物降解的整合素 α1β1和α2β1等，其表达也出现了明显的上调。研究发现，细胞外基质结合蛋白参与调节了细胞与细胞外基质的相互作用，如富含半胱氨酸的酸性分泌蛋白（ secreted protien acidic and rich in cysteine，SPARC）是一种能够促进胶原蛋白和α2β1相互作用的糖蛋白， SPARC可通过调节转录因子Slug的表达诱导EMT，在黑色素瘤中已被证明与肿瘤的侵袭性增加相关；纤溶酶原激活物抑制剂-1（plasminogen activator inhibitor 1，SERPINE1或PAI-1）是上皮细胞外基质的另一重要组分，可抑制玻连蛋白与整合素 αvβ3的结合；在各种肿瘤中，丝氨酸蛋白酶抑制剂的高表达水平与肿瘤的侵袭性有关，这可能与丝氨酸蛋白酶抑制剂介导了细胞与细胞外基质连接点的降解有关；此外，还有研究表明，基质金属蛋白酶抑制剂 -1（matrix-metallopeptidase inhibitor 1，TIMP1）与CD63结合能够通过增强β1整合素的信号通路活性介导正常细胞的EMT样转化。 三、上皮-间充质转化过程中可溶性细胞因子介导的信号转导 肿瘤中，肿瘤细胞本身或者肿瘤微环境中的基质细胞所分泌的大量生长因子和细胞因子都参与诱导了EMT的转化过程。这些可溶性细胞因子可与相应的受体如酪氨酸激酶受体（ tyrosine kinase receptor，RTK）、TGF-β受体等结合、激活细胞内的信号通路，进而上调相关的锌指蛋白（如Snail、Slug、Zeb1、Zeb2）或螺旋-环-螺旋基元（bHLH，如Twist1）转录因子、诱导 EMT。本部分将简要介绍几条与EMT密切相关的信号通路转导。 1. TGF-β 信号通路 虽然某些情况下TGF-β信号通路可反常地发挥抑癌作用，但大部分时候， TGF-β信号通路还是被公认为与 EMT 的诱导过程密切相关。经典的 TGF-β/BMP信号通路是通过配体（如 TGF-β1、TGF-β2、BMP等）与其同源的Ⅰ型和Ⅱ型激酶受体结合而启动，形成一个配体-受体的异四聚体复合物，招募受体调节的 Smad（receptor-regulated Smad， R-Smad）并使其磷酸化，磷酸化的 R-Smad（BMP 信号通路为 R-Smad1/5/8；TGF-β 信号通路为R-Smad2/3）可结合共同的介导物 co-Smad（Smad4），诱导Smad复合物转运至细胞核内，诱导 EMT靶基因如Snail、Slug等的表达。某些特定蛋白如 SARA，可促进信号通路的激活，而其他蛋白则会发挥抑制作用。后者中*重要的抑制性 Smads如Smad6/7，可直接抑制R-Smad的磷酸化，进而拮抗 EMT 的转化过程； SMURF蛋白（SMURF1/2）可通过招募Smad7至质膜，使其与 R-Smads竞争性结合受体而增强这种抑制作用。 非经典TGF-β 信号通路的活化也可激活 EMT过程。例如，致癌 RTK 激活的PI3K和 Ras/Raf信号通路，以及非经典 TGF-β 信号通路，被认为是癌细胞 EMT 的主要特征： Ras/Raf信号通路可促进EMT关键基因的转录激活； PI3K通路可通过抑制 GSK-3β介导的β-catenin磷酸化来促进 β-catenin调控的 EMT靶基因转录活化； TGF-β也可激活 p38 MAPK，诱导EMT 转录因子FOXC2的激活。 2. Wnt信号通路 如前所述， EMT重要的标志特征之一就是E-cadherin的表达下降——上皮钙黏蛋白是上皮细胞维持完整性和黏附连接的重要组分。 EMT 相关的转录因子（如 Snail）会抑制上皮钙黏蛋白的表达，同时诱导 MMP的表达——MMP可降解上皮钙黏蛋白，进一步加剧上皮细胞完整性和黏附连接的的破坏、启动 EMT转化过程。上皮钙黏蛋白的降解还会进一步促使黏附蛋白处释放β-catenin，β-catenin转位至细胞核内可激活致癌的 Wnt 靶基因。 Wnt 信号通路异常是多种癌症的显著特征，尤其是结直肠癌， 90%的结