細(xì)胞粘附分子研究的新進(jìn)展

奇云

摘要：細(xì)胞粘附分子是一類介導(dǎo)細(xì)胞間粘附的膜表面糖蛋白，在炎癥反應(yīng)、免疫應(yīng)答、信息傳遞、腫瘤的發(fā)生與發(fā)展等多種生理、病理過(guò)程中，都發(fā)揮著重要的作用。因此，細(xì)胞粘附分子研究成為生命科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)，本文著重介紹近年有關(guān)細(xì)胞粘附分子研究的新成果。

關(guān)鍵詞：細(xì)胞；細(xì)胞外基質(zhì)；細(xì)胞粘附分子

1 細(xì)胞粘附分子概述

細(xì)胞與細(xì)胞之間及細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)（ExtraCellular Matrix，ECM）之間的相互粘附是最基本的生物學(xué)現(xiàn)象之一，介導(dǎo)這種相互作用的分子則稱為細(xì)胞粘附分子（Cell adhesion Molecules,CAMs）。細(xì)胞粘附分子是存在于細(xì)胞膜表面或ECM中的跨膜糖蛋白，它們通常以配體和受體相結(jié)合的方式而發(fā)揮作用[1]。目前已發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞粘附分子有50種以上，分為五大類：免疫球蛋白超家族（Immunoglobulin superfamily,ISF）、整合素家族（Integrin Family,IF）、選擇素家族（Selectin family,SF）、鈣粘附素家族（Cadherin Family,CF）和CD44分子。

細(xì)胞粘附分子是跨膜糖蛋白，分子結(jié)構(gòu)由三部分組成：一是胞外區(qū)，肽鏈的N端部分，帶有糖鏈，負(fù)責(zé)與配體的識(shí)別；二是跨膜區(qū)，多為一次跨膜；三是胞質(zhì)區(qū)，肽鏈的C端部分，一般較小，或與質(zhì)膜下的骨架成分直接相連，或與胞內(nèi)的化學(xué)信號(hào)分子相連，以活化信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。

2 細(xì)胞粘附分子的研究及發(fā)展[2-4]

2.1 發(fā)現(xiàn)細(xì)胞粘附分子在神經(jīng)元的樹突發(fā)育過(guò)程中起重要作用

神經(jīng)電活動(dòng)可促進(jìn)神經(jīng)元的樹突形態(tài)發(fā)生和神經(jīng)環(huán)路的形成。細(xì)胞粘附分子被報(bào)道在神經(jīng)元的樹突發(fā)育過(guò)程中起重要作用，但其分子機(jī)制尚不清晰。2010年5月26日，《美國(guó)科學(xué)院院刊》發(fā)表了中科院神經(jīng)科學(xué)研究所博士研究生談竹君、彭云和導(dǎo)師于翔研究員的成果。談竹君和彭云等人發(fā)現(xiàn)：神經(jīng)電活動(dòng)依賴的樹突形態(tài)發(fā)生，需要細(xì)胞粘附分子N-cadherin介導(dǎo)的神經(jīng)元之間的相互作用；因?yàn)檫@一現(xiàn)象不能在低密度培養(yǎng)的神經(jīng)元中觀察到，并且可被 N-cadherin 細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域的重組蛋白所阻斷。更重要的是，神經(jīng)電活動(dòng)可使細(xì)胞膜上 N-cadherin 分子的蛋白量增加，且 N-cadherin 在膜上的表達(dá)對(duì)新生樹突的維持是必須的。這些結(jié)果揭示了神經(jīng)電活動(dòng)誘導(dǎo)的， N-cadherin 依賴的神經(jīng)元之間的相互接觸在新生樹突維持過(guò)程中的特異作用，為進(jìn)一步解析細(xì)胞粘附分子介導(dǎo)樹突形態(tài)發(fā)生的機(jī)制提供了新的思路。

2.2發(fā)現(xiàn)小分子化合物通過(guò)E-cadherin蛋白加速重編程過(guò)程

來(lái)自中科院上海生命科學(xué)研究院生化與細(xì)胞所、同濟(jì)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、美國(guó)梅奧臨床癌癥研究中心的研究人員發(fā)現(xiàn)，小分子化合物通過(guò)細(xì)胞粘附相關(guān)分子E-cadherin蛋白能加速重編程過(guò)程，這為提高iPS細(xì)胞誘導(dǎo)效率提供了一種新策略。

細(xì)胞重編程是指已經(jīng)分化的細(xì)胞重新獲得分化多能性的過(guò)程。誘導(dǎo)多能干細(xì)胞即iPS細(xì)胞是通過(guò)向體細(xì)胞中以病毒方式導(dǎo)入外源的四個(gè)轉(zhuǎn)錄因子Oct3/4，Sox2，c-Myc及Klf4而獲得，具有與胚胎干細(xì)胞相似的形態(tài)和表觀遺傳特征，更重要的是，二者具有相似的分化能力，即分化的全能性。iPS細(xì)胞的出現(xiàn)使得無(wú)倫理爭(zhēng)議的病人特異性的干細(xì)胞獲得成為可能，而由病人特異性的iPS細(xì)胞分化得到的特異性前體細(xì)胞和成熟細(xì)胞即可應(yīng)用在組織器官移植治療、基因治療、藥物篩選模型的建立、以及特異疾病分子機(jī)制的研究等多方面。了解重編程過(guò)程復(fù)雜的分子機(jī)制有利于開發(fā)更加安全和有效的iPS誘導(dǎo)方法。

該項(xiàng)目研究者發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞粘附相關(guān)分子E-cadherin蛋白在iPS形成過(guò)程中起著重要作用。E-cadherin蛋白的表達(dá)水平在細(xì)胞重編程過(guò)程的早期即開始上調(diào)；在完全重編程的iPS細(xì)胞中存在著與ES細(xì)胞中相同的由E-cadherin蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞-細(xì)胞連接，下調(diào)E-cadherin的表達(dá)會(huì)降低iPS形成效率，反之，過(guò)表達(dá)E-cadherin能夠促進(jìn)iPS形成效率。在重編程過(guò)程中過(guò)表達(dá)E-cadherin而得到的iPS細(xì)胞具有和ES細(xì)胞一樣的分化全能性。進(jìn)一步，研究人員篩選得到了兩種能夠通過(guò)促進(jìn)E-cadherin蛋白表達(dá)而提高iPS細(xì)胞誘導(dǎo)效率的小分子化合物，從而提供了優(yōu)化iPS細(xì)胞誘導(dǎo)效率的新策略。

2.3 發(fā)現(xiàn)細(xì)胞粘附分子在神經(jīng)系統(tǒng)可塑性中的作用及其機(jī)制

各種不同的細(xì)胞粘附分子大量存在于海馬的前后突觸的膜上。采用多種技術(shù)手段，現(xiàn)在已積累了有關(guān)細(xì)胞粘附分子參與神經(jīng)系統(tǒng)可塑性的大量資料。第一，在經(jīng)常發(fā)生神經(jīng)發(fā)生和可塑性的腦區(qū)有發(fā)育階段特性的突起生長(zhǎng)和細(xì)胞的遷移，并有細(xì)胞粘附分子的表達(dá)；第二，在突觸可塑性和中，有細(xì)胞粘附分子表達(dá)的變化和各種轉(zhuǎn)錄后修飾；第三，抗體和抑制NCAM表達(dá)可損害突觸傳遞長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(LTP)和學(xué)習(xí)。

神經(jīng)細(xì)胞粘附分子參與可塑性有兩個(gè)機(jī)制：其一為細(xì)胞粘附分子介導(dǎo)的細(xì)胞骨架動(dòng)力的改變，涉及活動(dòng)依賴的突觸重建。N-粘著蛋白的胞漿區(qū)直接與細(xì)胞骨架作用，而NCAM、L1的胞漿區(qū)直接與ankyrins（位于特異胞膜區(qū)的胞漿表面的spectrin結(jié)合蛋白家族的一員）相連。其二為胞內(nèi)信號(hào)系統(tǒng)。這種胞內(nèi)信號(hào)有如下的特點(diǎn)：就是胞內(nèi)信號(hào)的改變可反饋到突觸后膜，通過(guò)細(xì)胞粘附分子調(diào)控細(xì)胞與細(xì)胞的粘附，以迅速地改變突觸的結(jié)構(gòu)和效率。胞內(nèi)蛋白水解酶calpain水解NCAM的胞內(nèi)區(qū)能較快地解除和重新組織突觸的結(jié)構(gòu)聯(lián)系。

在多種動(dòng)物的長(zhǎng)時(shí)突觸可塑性中，發(fā)現(xiàn)都有依賴cAMP、PKA介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄和CREB介導(dǎo)的基因表達(dá)現(xiàn)象。CREB已被鑒定存在CREB1（激活子）和 cREB2(抑制子)兩種類型。近年，又確定了3個(gè)基本的記憶突變型，即dnc, rutabaga和amnesiac,它們都涉及cAMP途徑。CREB所致的基因表達(dá)是執(zhí)行突觸結(jié)構(gòu)功能成分生長(zhǎng)的一個(gè)因素。dnc突變中，CREB2抑制功能性而不是結(jié)構(gòu)性可塑性，在FasⅡ減效基因中，CREB1可致突觸結(jié)構(gòu)和功能的增強(qiáng)。在野生型，CREB1的表達(dá)并不能增強(qiáng)突觸功能。提示，CREB和FasⅡ的作用是平行的。cAMP的升高，降低細(xì)胞粘附分子，促進(jìn)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)，與此同時(shí)，CREB1則刺激突觸功能的增強(qiáng)。

2.4 深入揭示生命形態(tài)發(fā)生過(guò)程中通用機(jī)制

所謂形態(tài)發(fā)生過(guò)程，就是由各種系統(tǒng)化發(fā)育而來(lái)的組分組織在一起，形成一個(gè)穩(wěn)定的、有一定形態(tài)和功能的復(fù)雜有機(jī)系統(tǒng)的過(guò)程。拓樸生物學(xué)理論認(rèn)為，細(xì)胞、組織的形態(tài)發(fā)生過(guò)程是由各種不同細(xì)胞相互之間發(fā)生的種類繁多的粘附作用所決定的。不過(guò)后來(lái)該觀點(diǎn)又有了進(jìn)一步的修訂，認(rèn)為不僅是粘附機(jī)制在起作用，其它諸如需要借助外力的分子開關(guān)、細(xì)胞與組織間的張力以及細(xì)胞與周圍微環(huán)境間的相互作用等都在形態(tài)發(fā)生過(guò)程中發(fā)揮了相應(yīng)的作用。實(shí)際上，不斷由細(xì)胞分泌并改變的細(xì)胞外基質(zhì)的組成成分，以及細(xì)胞外基質(zhì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在整個(gè)形態(tài)發(fā)生過(guò)程中都是在不斷變化的。同時(shí)，這些細(xì)胞外基質(zhì)也能通過(guò)某些特定的基質(zhì)粘附受體，改變細(xì)胞的骨架結(jié)構(gòu)和形態(tài)，誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)部的信號(hào)發(fā)生改變，直接調(diào)控細(xì)胞和組織的命運(yùn)?，F(xiàn)在看來(lái)，形態(tài)發(fā)生過(guò)程可能是一個(gè)主要依賴細(xì)胞粘附機(jī)制，同時(shí)在多種機(jī)制高度有序配合的情況下完成的一個(gè)復(fù)雜過(guò)程。最開始由可溶性因子激活與細(xì)胞粘附有關(guān)的信號(hào)通路，隨后分子層面、細(xì)胞層面以及組織層面的多種機(jī)制共同發(fā)揮作用，完成形態(tài)發(fā)生過(guò)程。

細(xì)胞間以及細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)間動(dòng)態(tài)的相互粘附作用，對(duì)于多細(xì)胞組織的形態(tài)發(fā)生過(guò)程和內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定至關(guān)重要。在各個(gè)層面交叉發(fā)揮作用的各種機(jī)制，就是在這個(gè)大前提下不斷發(fā)展、進(jìn)化的。這些機(jī)制都是在粘附部位通過(guò)保守信號(hào)復(fù)合體及其調(diào)控機(jī)制，與細(xì)胞骨架重構(gòu)和細(xì)胞及組織張力改變的機(jī)制互相競(jìng)爭(zhēng)協(xié)調(diào)從而發(fā)揮局部作用。比如囊胚形成過(guò)程就包括囊胚腔形成過(guò)程和纖維狀纖維連接蛋白基質(zhì)形成過(guò)程。這兩個(gè)過(guò)程都受到了整合素連接激酶復(fù)合體的調(diào)控。

現(xiàn)代異二聚體整合素已經(jīng)發(fā)展到能夠與盤基網(wǎng)柄菌等多細(xì)胞動(dòng)物中剛剛形成的具有穩(wěn)定形態(tài)的多細(xì)胞結(jié)構(gòu)相結(jié)合。結(jié)合之后，這些整合素能夠起到特異感受器的作用，來(lái)調(diào)控組織的粘附、存活以及吞噬。這些原始的整合素樣蛋白被稱作“sib受體”，它們含有與β整合素一樣的保守基序，另外在蛋白的胞質(zhì)端還含有串聯(lián)的NPXY重復(fù)基序。這說(shuō)明它是一個(gè)陽(yáng)離子依賴的低親和力受體，主要與胞外蛋白的酸性位點(diǎn)相結(jié)合。Sib還能起到機(jī)械連接因子的作用，通過(guò)招募踝蛋白等含有FERM結(jié)構(gòu)域的蛋白與肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架相連接。

2.5 開發(fā)新型細(xì)胞粘附分析試劑盒

腫瘤轉(zhuǎn)移病灶一旦形成便成為腫瘤細(xì)胞播散的基地，向更多的部位發(fā)生轉(zhuǎn)移，其路徑很多，包括組織間隙、淋巴管、血管、體腔轉(zhuǎn)移、腦脊髓腔和上皮細(xì)胞間隙等。其中組織間隙轉(zhuǎn)移是最常見和最基本的方式，需要穿透基底膜，因此需要基底膜的粘附和浸潤(rùn)步驟；另一條轉(zhuǎn)移通路是淋巴通路，需要腫瘤細(xì)胞與淋巴細(xì)胞之間的粘附完成轉(zhuǎn)移過(guò)程。在腫瘤細(xì)胞的組織間隙轉(zhuǎn)移過(guò)程中，細(xì)胞外基質(zhì)是其必經(jīng)的一環(huán)。細(xì)胞外基質(zhì)是由大分子構(gòu)成的錯(cuò)綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，腫瘤細(xì)胞在發(fā)生轉(zhuǎn)移前以及轉(zhuǎn)移過(guò)程中需要通過(guò)和細(xì)胞外基質(zhì)的相互作用，與細(xì)胞移動(dòng)性有關(guān)的細(xì)胞骨架形成復(fù)合物，而最終執(zhí)行轉(zhuǎn)移。

細(xì)胞外基質(zhì)主要由膠原（Collagen）、非膠原糖蛋白[包括：纖粘連蛋白（Fibronectin,FN）、層粘連蛋白（Laminin,LN）]、氨基聚糖（Glycosaminoglycan,GAG）與蛋白聚糖（Proteoglycan）、以及彈性蛋白（Elastin）等組成。細(xì)胞外基質(zhì)不僅和腫瘤的轉(zhuǎn)移相關(guān)，在細(xì)胞的形狀形成、胚胎形成、細(xì)胞類型的分化組織重排等生理過(guò)程中也發(fā)揮著重要的作用。

新開發(fā)的細(xì)胞外基質(zhì)細(xì)胞粘附分析系統(tǒng)，可以定量檢測(cè)出細(xì)胞的粘附性能、方便快捷。根據(jù)不同的檢測(cè)需求，可以選擇所有細(xì)胞外基質(zhì)組合分析；也可單獨(dú)檢測(cè)細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)單個(gè)組分，如膠原蛋白Collagen I、Collagen IV、纖維連接蛋白Fibronectin、纖維蛋白原Fibrinogen、層粘連蛋白Laminin之間的粘附性能，以檢測(cè)細(xì)胞與不同基質(zhì)分子之間的的粘附活性。另外，每種分析試劑又可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選擇不同的檢測(cè)類型，分別為常規(guī)染色的分光光度計(jì)分析和熒光染色的熒光計(jì)分析。針對(duì)于細(xì)胞粘附，除了細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)大分子粘附分析方案外，還有針對(duì)白細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞之間（還有白細(xì)胞與上皮細(xì)胞之間、腫瘤細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞之間）的粘附分析試劑盒提供。另外，近年還開發(fā)出其他多方位的基于細(xì)胞功能特征，特別是腫瘤細(xì)胞的特性的克隆形成、細(xì)胞轉(zhuǎn)移與浸潤(rùn)、細(xì)胞吞噬快速分析、細(xì)胞活力/死亡/毒性分析、細(xì)胞衰老及收縮檢測(cè)，以及血管生成分析等多種分析試劑盒。

參考文獻(xiàn)

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