生物體研究的新方向——細(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)胞粘附因子

1、生物體研究的新方向細(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)胞粘附因子多年來(lái)細(xì)胞一直是生物界的研究重點(diǎn)。而近年來(lái)研究者們開始關(guān)注將細(xì)胞連在一起的細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix, ECM)15，并提出單細(xì)胞動(dòng)物的進(jìn)化論雖未統(tǒng)一，但進(jìn)化中ECM是必不可少的論點(diǎn)卻是一致的。在個(gè)體形成中，ECM供給生物體維持生命現(xiàn)象的營(yíng)養(yǎng)6。ECM比較明確的生理作用是在細(xì)胞的增殖、移動(dòng)、分化；細(xì)胞免疫、神經(jīng)纖維生長(zhǎng)、胚泡著床等方面起重要作用7。90年代我國(guó)也開始關(guān)注ECM在細(xì)胞生命活動(dòng)中的作用810。研究得比較多的ECM有層粘連蛋白(laminin, LN)；纖維粘連蛋白(fibronectin, FN)；膠原蛋白(col

2、lagen, CL);纖維蛋白原(fibrinogen, FB)和玻璃粘蛋白(vitronectin, VN)等。因此特將ECM和分布在ECM的細(xì)胞粘附因子總結(jié)如下：1. 細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)1.1CL：是ECM的主要成分。多由成纖維細(xì)胞產(chǎn)生，個(gè)別血管的內(nèi)皮和平滑肌細(xì)胞也可產(chǎn)生CL。膠原分子形態(tài)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)由三維螺旋區(qū)的特點(diǎn)決定，其為3條獨(dú)立的鏈構(gòu)成。鏈?zhǔn)翘囟ǖ陌被嵝蛄袠?gòu)成的左旋結(jié)構(gòu)，3條鏈相互環(huán)繞形成緊密的三維螺旋分子結(jié)構(gòu)。氫鍵對(duì)螺旋結(jié)構(gòu)有加強(qiáng)作用，變性時(shí)氫鍵打開使分子松散，鏈中氨基酸間的肽鏈位于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，所以膠原不易被一般的酶，如胃蛋白酶水解，僅對(duì)膠原酶敏感。根據(jù)纖維形態(tài)可有14類型的膠原

3、。膠原可直接或間接參與細(xì)胞的附著和分化5。1.2LN：主要分布在基膜中11。分子量約8001 000kD的蛋白質(zhì)。由A鏈(440kD)和B1鏈(230kD)與B2鏈(220kD)共同構(gòu)成十字架形的結(jié)構(gòu)。在各鏈的C末端區(qū)上都與IV型CL結(jié)合構(gòu)成基膜ECM12。分布于正常組織，也在腫瘤組織中大量存在13。蛋白水解酶處理可將LN分成許多片段。LN與細(xì)胞增殖、移植、分化及神經(jīng)纖維的生長(zhǎng)有關(guān)13。LN與LNR結(jié)合可使癌細(xì)胞增殖，促進(jìn)IV型CL釋放分解，因此認(rèn)為L(zhǎng)N與癌的轉(zhuǎn)移有密切關(guān)系14。研究者曾在LN的粘附核心上加入肽，成功地抑制了肺癌轉(zhuǎn)移15。1.3FN：主要分布在疏松結(jié)締組織，除成纖維細(xì)胞可生成外

4、，上皮細(xì)胞，血管內(nèi)皮細(xì)胞，軟骨細(xì)胞和巨噬細(xì)胞也可生成。FN是由結(jié)構(gòu)非常相似的A鏈和B鏈構(gòu)成的分子量約220kD的多機(jī)能蛋白。分血漿和細(xì)胞性FN兩種。細(xì)胞性FN與受精卵發(fā)育，著床有關(guān)4。在胚胎初期組織器官形成之際，沿著細(xì)胞遷移的路線可見FN的分布。在炎性組織，即需要細(xì)胞增殖，組織再生時(shí)，F(xiàn)N可暫時(shí)性增加，作用是引導(dǎo)成纖維細(xì)胞、上皮細(xì)胞向損傷部位遷移1619。肉芽組織的細(xì)胞與膠原蛋白結(jié)合的時(shí)候，需FN的參加20。以往認(rèn)為ECM構(gòu)成的纖維成分僅是構(gòu)成細(xì)胞支架，近年發(fā)現(xiàn)，這些纖維狀結(jié)構(gòu)中有大量具有粘附作用的蛋白質(zhì)。于是產(chǎn)生了“細(xì)胞粘附因子(cell adhesion factor,CAF)”的新概念2

5、1。2. 細(xì)胞粘附因子(CAF)細(xì)胞間相互的接觸對(duì)于個(gè)體發(fā)生和分化是必不可少的。由于接觸使多細(xì)胞體間的聯(lián)絡(luò)變得可能，而細(xì)胞間相互接觸的中介分子就是CAF。2.1CAF群的發(fā)展：著名的教科書“Molecular Biology of the Cell”中粘附糖蛋白(adhesive glycoprotein)曾指的是FN和CL。隨著研究領(lǐng)域進(jìn)入到分子生物學(xué)的水平，CAF被明確地認(rèn)為是一群分子家族，因?yàn)楸粴w于CAF范疇的分子，在體外培養(yǎng)中均顯示了細(xì)胞的粘附活性。2.2CAF的研究方向2.2.1細(xì)胞間的連接：同種細(xì)胞間以同種CAF連接的方式稱同種連接(homophilic interaction)，

6、而以異種CAF連接的方式稱異種連接(heterophilic interaction)(1)。作為同種連接的分子是眾所周知的神經(jīng)細(xì)胞粘附分子(nerve cell adhesive molceule, NCAM)和鈣依賴性粘附素(adhenin)，其他的連接方式多是異種連接。 1細(xì)胞間連接Fig.1 Extracellular interaction 2.2.2CAF的作用：CAF多指細(xì)胞膜上的跨膜蛋白，如thy-1和LFA-3。近年認(rèn)為，CAF并不是起單純結(jié)構(gòu)性的連接作用，而是通過(guò)細(xì)胞間的機(jī)械性連接來(lái)識(shí)別外界，或是將外界的信息傳達(dá)到細(xì)胞內(nèi)(2)。如被認(rèn)為是細(xì)胞粘附連接(adhesive ju

7、nction)的跨膜蛋白中含有濃縮的酪氨酸激酶，因此認(rèn)為在CAF間有信息傳遞的功能。 2.3CAF的分類：生物體的細(xì)胞為了維持正常的生物活性，必須相互傳遞信息，機(jī)體存在著如激素作用的遠(yuǎn)距離聯(lián)絡(luò)，而且存在著每個(gè)細(xì)胞間的直接接觸，因此這種細(xì)胞間的信息更顯得重要。根據(jù)CAF結(jié)構(gòu)的不同可分5大家族21，22。2.3.1鈣依賴性粘附素家族(cadherin family)：因發(fā)現(xiàn)畸胎瘤細(xì)胞間的粘著依賴于鈣，而鈣依賴性粘附素是作為有關(guān)的CAF而被認(rèn)定。迄今為止已知的有3種，即E型(主要在上皮組織中)；N型(主要在神經(jīng)組織中)和P型(主要在胎盤中)。它們?cè)谝患?jí)結(jié)構(gòu)(氨基酸排列)相互間有50%60%是相同的。

8、鈣依賴性粘附素的粘著是以同種粘著方式結(jié)合，主要在胚胎發(fā)生過(guò)程中，各種組織形成中，細(xì)胞間的粘附方面等起重要的選擇作用。腫瘤組織中因這種粘附因子的缺乏可造成原發(fā)腫瘤細(xì)胞的游離，所以鈣依賴性粘附素家族可能與腫瘤的浸潤(rùn)和轉(zhuǎn)移有密切關(guān)系。2.3.2免疫球蛋白超級(jí)家族(immunoglobulin superfamily)：免疫球蛋白是相隔6080個(gè)氨基酸間有2個(gè)半胱氨酸殘基S-S結(jié)合的110個(gè)氨基酸，因結(jié)構(gòu)上含有T-細(xì)胞反應(yīng)(T-cell reactivity, TcR)和主要組織相容抗原復(fù)合物(major histocompability complex,MHC)等大量Ig類區(qū)域的分子而被稱為免疫球蛋

9、白超級(jí)家族。Ig類區(qū)域有4條或3條肽鏈構(gòu)成的兩個(gè)活動(dòng)中心，因有可變部(V)和恒定區(qū)(C)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分成V-set, C1-set和C2-set3種類型。C2-set與C區(qū)類似，但有部分序列與V-set相似，所以用C2-set與C1-set區(qū)別。免疫球蛋白超級(jí)家族除主要在免疫系統(tǒng)中的活動(dòng)分子外，還存在于癌胚抗原(carcinoembryonic antigen,CEA)等部位，主要含識(shí)別和粘附的活動(dòng)分子。這家族的成員很多，如CD4、CD8、CD2、LFA-3(CD58)、CD28、B7、CD56、ICAM-1(CD54)、ICAM-2、VCAM-1等。2.3.3整合素家族(integrin fa

10、mily)：整合素原是針對(duì)纖維粘連蛋白的受體(FNR)將細(xì)胞外信息傳遞到細(xì)胞骨架分子而言，因發(fā)現(xiàn)這類分子與血清中的某些結(jié)構(gòu)類似而被認(rèn)為是一群分子，共同稱之為整合素家族。整合素是140200kD 鏈和90110kD 鏈非共價(jià)結(jié)合的異二聚體。鏈外部有34個(gè)連續(xù)存在的與二價(jià)金屬離子結(jié)合和與多個(gè)鈣離子結(jié)合的結(jié)構(gòu)。鏈的細(xì)胞外部有4個(gè)約40個(gè)氨基酸組成的半胱氨酸反復(fù)排列的結(jié)構(gòu)(3)。一般與整合素配位點(diǎn)結(jié)合依賴于Ca+，Mg+，Mn+等二價(jià)金屬離子，也依賴于溫度，如在4時(shí)被抑制。以前認(rèn)為鏈決定其特異性，而現(xiàn)在認(rèn)為鏈也有很大的作用。鏈的細(xì)胞質(zhì)部有EGFR，整合素受體等酪氨酸氧化部位。由于酪氨酸的氧化而使細(xì)胞外

11、部的立體結(jié)構(gòu)改變和使CAF與細(xì)胞骨架結(jié)合?，F(xiàn)在至少發(fā)現(xiàn)有11種鏈和5種鏈構(gòu)成的15種整合素。按亞單位分類可分為1、2、 33個(gè)亞家族： (1)1亞家族稱為VLA家族，含有VLA1、2、3、4、5、6，六種整合素。VLA是very late activation antigen的簡(jiǎn)稱。VLA-1，2是作為T細(xì)胞的后期活性化抗原先被認(rèn)定，而后的VLA-3，4，5，6也被認(rèn)為是同種抗原，而實(shí)際上，特別是VLA-4，5在靜止期的淋巴細(xì)胞中最高，因與VLA-1，2有同樣的鏈故稱為VLA-3，4，5，6。(2)2亞家族與其他的家族不同，因主要局限在白細(xì)胞，所以稱為白細(xì)胞整合素(leukocyte inte

12、grin)。包括在白細(xì)胞中廣泛發(fā)現(xiàn)的LFA-1(CD11a/CD18)和主要在單核細(xì)胞和粒細(xì)胞上發(fā)現(xiàn)的Mac-(CD11b/CD18)，p150.95(CD11c/CD18)。(3)3亞家族稱為細(xì)胞粘附素(cytoadhesion)，含人玻璃粘蛋白受體(VNR)和血小板的gpba。按功能分類可分為兩類：(1)存在于淋巴細(xì)胞上通過(guò)與免疫球蛋白超家族中的CAF結(jié)合而介導(dǎo)異型性細(xì)胞間的粘附。(2)作為各種ECM的配體，介導(dǎo)細(xì)胞與ECM的粘附，從而控制細(xì)胞與基膜的結(jié)合，以及細(xì)胞的游走。如在整合素1和3亞家族就有LN，CL，F(xiàn)N，F(xiàn)B，VN等ECM受體的機(jī)能。2.3.4選擇素家族(selectin fa

13、mily)：共同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在N末端側(cè)含有約117120個(gè)氨基酸構(gòu)成的1個(gè)鈣依賴性植物血凝素樣選擇素(P)，3440個(gè)氨基酸構(gòu)成的1個(gè)EGF樣選擇素(E)和約62個(gè)氨基酸構(gòu)成的29個(gè)補(bǔ)體調(diào)節(jié)蛋白樣選擇素(C)(4)。血凝素樣選擇素由于能與陰性多糖結(jié)合，而設(shè)想與含有氨基酸糖鏈的血管內(nèi)皮細(xì)胞上的相應(yīng)的結(jié)構(gòu)結(jié)合。此后發(fā)現(xiàn)與中性白細(xì)胞、單核細(xì)胞的粘附有關(guān)的血管內(nèi)皮細(xì)胞上的內(nèi)皮白細(xì)胞粘附分子(endothelial-leukocyt adhesion molecule, ELAM-1)、顆粒膜蛋白(granular membraneprotein protein,GMP-140)和淋巴結(jié)的與血管內(nèi)皮細(xì)胞粘

14、附的淋巴細(xì)胞上的歸巢受體-MEL-14分子等，因含有P選擇素、E選擇素和C選擇素，故均被列入選擇素家族。總之，選擇素家族主要分布在血細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞上，在介導(dǎo)血細(xì)胞與血管內(nèi)皮細(xì)胞，血細(xì)胞與血細(xì)胞間的粘附過(guò)程中起作用。如ELAM-1，GMP140等介導(dǎo)各P選擇素與SialyLewis X, Lewis X(CD15)型的糖鏈結(jié)合。2.3.5CD44(血紅素細(xì)胞外基質(zhì)受體)：是在白細(xì)胞、紅細(xì)胞、上皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞以及腦等部位的8595kD的糖蛋白(5)。一部分以加有硫酸軟骨素的180200kD的糖蛋白的形式存在。N末端的90個(gè)氨基酸構(gòu)成區(qū)有軟骨蛋白(CLP)，CLP可與透明質(zhì)酸結(jié)合，最近揭示C

15、D44也可與透明質(zhì)酸結(jié)合。淋巴細(xì)胞上的CD44與內(nèi)皮細(xì)胞粘附有關(guān)，與功能相關(guān)的除透明質(zhì)酸，還有5860kD的膜蛋白上的粘膜粘附因子。CD44又稱ECM受體(ECMR)，與膠原蛋白和纖維粘連蛋白等ECM相結(jié)合，但與CD44相應(yīng)結(jié)合的其他有關(guān)物目前還不十分清楚。 關(guān)于ECM及細(xì)胞粘附因子的研究還在不斷地深入，其結(jié)構(gòu)與功能的未知還有待于進(jìn)一步揭示。注：15摘自宮坂昌之21的文章作者單位：史小林首都醫(yī)科大學(xué)生殖醫(yī)學(xué)研究室，北京，100054收稿1997-11修回1998-05參考文獻(xiàn)1Wan Y J. J Cell Biol, 1984,98(3):9712Wu TC. Dev Biol, 1983,

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