整合素調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)周期的研究進(jìn)展

彭 智 艾文兵

(三峽大學(xué)仁和醫(yī)院神經(jīng)外科，湖北 宜昌 443001)

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·綜述·

整合素調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)周期的研究進(jìn)展

彭 智 艾文兵*

(三峽大學(xué)仁和醫(yī)院神經(jīng)外科，湖北 宜昌 443001)

整合素;細(xì)胞周期調(diào)控；生長(zhǎng)因子

腫瘤是在內(nèi)部遺傳易感因素與外部環(huán)境致病因素相互作用下，在細(xì)胞的遺傳物質(zhì)及表觀遺傳物質(zhì)水平，發(fā)生了足以致癌的突變及突變組合；這些突變驅(qū)動(dòng)細(xì)胞持續(xù)的進(jìn)入細(xì)胞周期進(jìn)行有絲分裂、逃避凋亡、躲避細(xì)胞的生長(zhǎng)接觸抑制、躲避免疫抑制等，并使細(xì)胞獲得與持續(xù)增長(zhǎng)相適應(yīng)的能量代謝異常、誘導(dǎo)腫瘤新生血管生長(zhǎng)、缺氧與壞死等改變。深入探討整合素在細(xì)胞生長(zhǎng)周期的調(diào)控特點(diǎn)及相關(guān)參與因素，對(duì)于腫瘤疾病的治療具有重要意義。

1 整合素在細(xì)胞周期調(diào)控中的作用

細(xì)胞周期的調(diào)控依賴于一系列細(xì)胞周期蛋白及其相關(guān)酶，后者主要通過(guò)對(duì)每一階段調(diào)控點(diǎn)發(fā)揮作用，以影響細(xì)胞周期。第一個(gè)調(diào)控點(diǎn)主要在細(xì)胞周期的G1期發(fā)揮作用，有絲分裂信號(hào)和細(xì)胞外基質(zhì)黏著斑轉(zhuǎn)錄信號(hào)(如AP-1)均可控制細(xì)胞周期蛋白D1(cyclin D1)的表達(dá)。cyclin D1與細(xì)胞周期依賴激酶(CDK4)結(jié)合使cyclin E轉(zhuǎn)錄，CDK2/cyclin E復(fù)合體的形成和視神經(jīng)母細(xì)胞瘤蛋白(retinoblastoma protein，Rb)的磷酸化使黏著斑大量形成，一旦黏著斑的濃度達(dá)到閾值，細(xì)胞將跨過(guò)限制點(diǎn)進(jìn)入S期。同時(shí)，有絲分裂將跨過(guò)負(fù)性調(diào)控因子，如細(xì)胞周期依賴的激酶抑制物(CKIs)p27 、p21蛋白可抑制CDK4/cyclin D復(fù)合物的形成。最后，CDK4/cyclin D復(fù)合物與下游CKIs的結(jié)合使復(fù)制黏著斑和后期增生的裝配完成[1]。

整合素是一種廣泛表達(dá)于細(xì)胞膜，介導(dǎo)細(xì)胞間黏附、細(xì)胞與外基質(zhì)間信號(hào)傳導(dǎo)的糖蛋白受體，由18個(gè)α亞基和8個(gè)β亞基構(gòu)成，可構(gòu)成24種異源二聚體。它可以通過(guò)感知細(xì)胞周圍環(huán)境與機(jī)械屬性的變化，將信號(hào)傳導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi)，從而對(duì)細(xì)胞骨架和信號(hào)通路產(chǎn)生影響，可調(diào)整細(xì)胞周期的進(jìn)程[2]。目前，已有150種以上的蛋白質(zhì)被認(rèn)為與整合素介導(dǎo)的信號(hào)通路有關(guān)，這些蛋白質(zhì)被統(tǒng)稱為黏著斑組成分子，其中就包括細(xì)胞骨架蛋白和細(xì)胞周期蛋白，二者均可參與細(xì)胞形態(tài)的調(diào)控，控制著細(xì)胞存活、增殖、分化、遷移。整合素對(duì)細(xì)胞黏附的重要調(diào)控點(diǎn)在G1 / S期。整合素間接聚合調(diào)節(jié)蛋白，如踝蛋、樁蛋白、粘著斑激酶(FAK)和小GTP酶，這些效應(yīng)物調(diào)節(jié)細(xì)胞周期蛋白、CKIs以及所需的轉(zhuǎn)錄基因(如c-Jun和E2F)。整合素也參與有絲分裂紡錘體的形成，其在細(xì)胞增殖所起的作用非常重要，因此在沒(méi)有整合素介導(dǎo)粘附的情況下，多細(xì)胞動(dòng)物細(xì)胞不能進(jìn)入細(xì)胞周期。

2 整合素和生長(zhǎng)因子受體在細(xì)胞周期調(diào)控之間的相互作用

既往研究認(rèn)為，生長(zhǎng)因子是調(diào)控細(xì)胞周期，引發(fā)增生的惟一的經(jīng)典模型?，F(xiàn)已證實(shí)整合素的粘附也是后生動(dòng)物細(xì)胞增殖的基本要求[3]。從細(xì)胞外基質(zhì)到正常細(xì)胞無(wú)論整合素是隔離或基因缺乏，即使有生長(zhǎng)因子存在都不能進(jìn)入細(xì)胞周期，但是，這一過(guò)程不能獨(dú)立于生長(zhǎng)因子受體(GFRs)的觸發(fā)增殖。對(duì)于增殖反應(yīng)，GFRs和整合素調(diào)節(jié)的主要途徑是PI3K/Akt信號(hào)，MEK / ERK和小GTP酶(RHO和RAC)途徑。整合素在轉(zhuǎn)錄水平上也控制GFRs的表達(dá)：當(dāng)表皮生長(zhǎng)因子受體(growth factor receptors，EGFR)的蛋白質(zhì)水平降低時(shí)，EGFR的下調(diào)導(dǎo)致整合素β1亞基低表達(dá)[4]。有研究結(jié)果顯示，正常腦組織中無(wú)VEGFR表達(dá)，腦膠質(zhì)細(xì)胞瘤中有VEGFR表達(dá)，主要表達(dá)于血管內(nèi)皮細(xì)胞中，VEGF通過(guò)旁分泌途徑刺激腦膠質(zhì)細(xì)胞瘤的血管發(fā)生；VEGF的促血管發(fā)生作用既可通過(guò)血管內(nèi)皮細(xì)胞的VEGFR直接產(chǎn)生，又可通過(guò)促進(jìn)巨噬細(xì)胞的局灶浸潤(rùn)間接產(chǎn)生；VEGFR表達(dá)與腦膠質(zhì)瘤惡性程度呈正相關(guān)[5]。整合素與GFRs還存在物理作用，整合素通過(guò)GFRs激活促有絲分裂信號(hào)，當(dāng)無(wú)GFR配體時(shí)，整合激活的GFRs增加其內(nèi)吞作用。然而，GFR磷酸化與整合素的作用只是暫時(shí)的，與生長(zhǎng)因子介導(dǎo)的效果相比較差[6]。因此，需要對(duì)cyclin D1合成的Erk的持續(xù)活化，才能使GFRs和整合素結(jié)合一起。

3 整合素對(duì)Akt與Erk信號(hào)通路的調(diào)控

在眾多細(xì)胞類型中，Akt信號(hào)通路與細(xì)胞間粘附相關(guān)。該途徑可通過(guò)整合素與局部黏著斑激酶(FAK)作用，使其結(jié)合磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)的p85亞基，或通過(guò)Src的粘著斑蛋白復(fù)合物，成為細(xì)胞增殖中必涉及到的通路之一。然而細(xì)胞增殖同樣需要Erk信號(hào)的激活。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)染的Mek轉(zhuǎn)染到從ECM分離而懸浮的成纖維細(xì)胞中時(shí)，細(xì)胞增生可繼續(xù)進(jìn)行，但是當(dāng)特定的PI3K抑制劑加入后，轉(zhuǎn)染細(xì)胞不能進(jìn)入S期[7]。而cyclin D1可通過(guò)不同的機(jī)制誘導(dǎo)黏著斑激活A(yù)kt和ERK信號(hào)通路，兩者相互補(bǔ)充，使細(xì)胞通過(guò)G1/S期。

除了調(diào)節(jié)ELK1之外，Akt通過(guò)磷酸化絲氨酸/蘇氨酸殘基來(lái)控制乳腺叉頭蛋白(FoxO3a)的轉(zhuǎn)錄活性，進(jìn)一步誘導(dǎo)CKIs的p27和p21的轉(zhuǎn)錄[8]。AKT還可激活雷帕霉素復(fù)合物2(mTORC2)，刺激Skp2蛋白表達(dá)，形成部分的泛素連接酶復(fù)合物?？傊珹kt的這些調(diào)節(jié)作用可導(dǎo)致p27蛋白和FoxO3a降解，從而使細(xì)胞周期進(jìn)行[9]。整合素與Akt和Erk的相互作用抑制了p21/p27和FOxO3a的活性，改變了FOxO3a在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核間轉(zhuǎn)化的平衡。但目前FAK與整合素在鏈接中存在一定聯(lián)系的詳細(xì)機(jī)制尚未完全解決。

4 整合素通過(guò)對(duì)Rac的激活調(diào)控細(xì)胞周期

Rac屬于GTP酶家族，與RhoA和Cdc42是該家族的3個(gè)主要成員，都與細(xì)胞周期調(diào)控相關(guān)。整合素激活RhoA和Cdc42后，通過(guò)不同的下游機(jī)制控制細(xì)胞周期。Rac1通過(guò)一系列效應(yīng)器在細(xì)胞粘附和G1 / S轉(zhuǎn)換中起重要作用。相比之下，RhoA蛋白則通過(guò)控制肌動(dòng)蛋白應(yīng)力纖維和細(xì)胞形態(tài)來(lái)影響細(xì)胞周期[10]。

整合素在形成黏著斑后，通過(guò)Fak/Src/p130Cas聚合Rac1到細(xì)胞膜。在這個(gè)復(fù)合體中，p130Cas聚合Rac1蛋白到粘著斑從而激活下游的信號(hào)。RAC可以通過(guò)DOCK180參Rac1與介導(dǎo)的細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和遷移[11]，但具體是哪一個(gè)受體調(diào)控細(xì)胞周期目前尚未明確。整合素黏著斑激活后，小GTP酶可結(jié)合多種效應(yīng)器。其中，Rac1的效應(yīng)器是Pak1，后者可以通過(guò)磷酸化Raf和MEK1激活ERK途徑。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，Pak1缺失的大鼠表現(xiàn)失明且脆弱，而Pak2敲除小鼠顯示出早期胚胎致死[12]。這表明，參與細(xì)胞周期調(diào)控的亞型可能是Pak2。

Rac1完成激活后，可分離出的效應(yīng)器JNK，通過(guò)支架蛋白、c-Jun、posh聚合和激活來(lái)調(diào)控細(xì)胞周期。乳腺上皮細(xì)胞增殖就是基于膠原附著和雌激素刺激Rac1/Jnk/c-Jun途徑完成的[13]。 RAC1也可通過(guò)JNK2，磷酸化β-連環(huán)蛋白的S191和S605，后者激活Wnt信號(hào)通路。此外，RAC可以根據(jù)胃泌素刺激胃細(xì)胞β-連環(huán)蛋白與Pak1的相互作用誘導(dǎo)增殖，而且JNK2和Pak1的交叉可能通過(guò)多個(gè)受體，其中就包括Rac1和Wnt[14]。

RAC還通過(guò)控制抑制通路來(lái)影響細(xì)胞周期。RAC上調(diào)Skp2，導(dǎo)致p27蛋白的降解，并結(jié)合Rac介導(dǎo)的肌動(dòng)蛋白聚合來(lái)發(fā)揮作用[15]。因此，在細(xì)胞周期的調(diào)控中，整合素是通過(guò)介導(dǎo)Rac的活化、影響有絲分裂信號(hào)并抑制CKIs發(fā)揮作用的。

5 整合素通過(guò)感知機(jī)械受力調(diào)控細(xì)胞周期

除了細(xì)胞微環(huán)境中化學(xué)信號(hào)的變化對(duì)細(xì)胞周期產(chǎn)生影響，機(jī)械刺激同樣不容忽視。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，整合素存在于細(xì)胞膜，通過(guò)感知細(xì)胞內(nèi)微環(huán)境變化的機(jī)械張力，將細(xì)胞外的物理信號(hào)傳入細(xì)胞內(nèi)，轉(zhuǎn)化為化學(xué)信號(hào)[16]。這種壓力作用與黏著斑的形成，肌動(dòng)蛋白聚合，核結(jié)構(gòu)的重建和整體細(xì)胞形態(tài)的改變相結(jié)合，共同影響細(xì)胞周期進(jìn)程。

細(xì)胞外基質(zhì)的彈性柔順程度可控制Rac的活化和下游信號(hào)細(xì)胞周期蛋白A和D1的激活[17]。硬度較大的ECM增加黏著斑的合成，激活FAK和Erk信號(hào)，同時(shí)降低了EGFR刺激和Erk的活化的閾值，增加Erk信號(hào)傳導(dǎo)途徑眾多基因的表達(dá)[18]。

粘連蛋白、踝蛋白都與整合素介導(dǎo)的張力依賴性增殖密切相關(guān)。在乳腺上皮細(xì)胞和乳腺癌細(xì)胞的培養(yǎng)物，踝蛋白在C-末端的棒狀結(jié)構(gòu)域與相對(duì)應(yīng)于的尾端，是DNA合成的必要條件。踝蛋白缺陷型的CD4+ T細(xì)胞不能正常地增殖，由于缺乏F-肌動(dòng)蛋白的聚合反應(yīng)和抗原呈遞細(xì)胞的接觸，導(dǎo)致磷酸化的Akt，Erk和p38蛋白激酶不受踝蛋白消融。在黏著斑復(fù)合體的下游，細(xì)胞骨架介導(dǎo)細(xì)胞增殖。例如，synemin可以定位于粘著斑，調(diào)解肌動(dòng)蛋白聚合并將磷酸酶PP2A隔離在細(xì)胞核，從而防止Akt的磷酸化，并允許細(xì)胞周期G1/S轉(zhuǎn)換。

小GTP酶發(fā)揮具有關(guān)鍵性的張力感應(yīng)作用，并將它們傳送到細(xì)胞骨架，激活ERK和刺激cyclin D1表達(dá)。這個(gè)過(guò)程涉及多種機(jī)制參與，包括當(dāng)Rho在G0，早G1期所誘導(dǎo)的cyclin D1表達(dá)。但是，細(xì)胞周期蛋白D保持一定濃度時(shí)，肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架不是細(xì)胞周期進(jìn)程所必需的，在整合素信號(hào)和增殖控制細(xì)胞形狀中發(fā)揮關(guān)鍵作用是調(diào)節(jié)細(xì)胞周期蛋白D。

整合素黏著斑通過(guò)激活Rock，磷酸化TSC2，從而提高mTORC1蛋白質(zhì)的翻譯水平，并允許細(xì)胞周期蛋白進(jìn)展到S期。在胚胎干細(xì)胞中，Rock通過(guò)PI3K/Akt信號(hào)通路和Ras/ ERK信號(hào)通路促進(jìn)細(xì)胞增殖。在皮膚中激活的Rock促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的分布，從而反饋于表皮細(xì)胞，促進(jìn)β-連環(huán)蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞增殖和腫瘤生長(zhǎng)。

綜上所述，整合素與GFRs在細(xì)胞周期的調(diào)控間具有協(xié)同關(guān)系，Rac是整合素介導(dǎo)調(diào)控的核心蛋白，但其是如何聚合到黏著斑，與GEFs相互作用并觸發(fā)其下游信號(hào)的具體機(jī)制尚未明確。adhesome內(nèi)整合胞漿尾部可以鏈接到下游增殖信號(hào)通路中哪個(gè)分子、哪種黏著斑被磷酸化或通過(guò)的GFRs轉(zhuǎn)入胞內(nèi)等相關(guān)問(wèn)題仍有待進(jìn)一步研究。

[1] Jacobs-Tulleneers-Thevissen D, Chintinne M, Ling Z, et al. Sustained function of alginate-encapsulated human islet cell implants in the peritoneal cavity of mice leading to a pilot study in a type 1 diabetic patient [J]. Diabetologia, 2013, 56(7):1605-1614.

[2] Zhang X, Rice K, Wang Y, et al. Maternally expressed gene 3 (MEG3) noncoding ribonucleic acid:isoform structure, expression, and functions [J]. Endocrinology, 2010, 151(3):939-947.

[3] Yan Y1, Liu N, Lu L, et al. Autophagy enhances antitumor immune responses induced by irradiated hepatocellular carcinoma cells engineered to express hepatitis B virus X protein[J]. Oncol Rep, 2013, 30 (2):993-999.

[4] Wang P，Ballestrem C，Streuli CH．The C terminus of talin links integrins to cell cycle progression [J]. Cell Biol, 2011, 195(3):499-513．

[5] 郭 偉, 王莉莉, 胡繼良, 等. 人腦膠質(zhì)瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子受體表達(dá)的研究[J]. 中華生物醫(yī)學(xué)工程, 2003, 9(4):307-309, 313.

[6]Sone M, Hayashi T, Tarui H, et al. The mRNAlike noncoding RNA Gomafu constitutes a novel nuclear domain in a subset of neurons[J]. J Cell Sci, 2007, 120(pt 15):2498-2506.

[7] Lii GSL, Wahlestedt C. Noncoding RNAs:couplers of analog and digital information in nervous system function?[J]. Trends Neurosci, 2007,30(12):612-621.

[8] Park JH, Ryu JM, Han HJ.Involvement of caveolin-1 infibronectin-induced mouse embryonic stem cell proliferation:role of FAK, RhoA, PI3K/Akt, and ERK 1/2 pathways [J]. J Cell Physiol, 2011, 226(1):267-275.

[9] Leung A, Ramaswamy Y, Munro P, et al. Emulsion strategies in the microencapsulation of cells:pathways to thin coherent membranes[J]. Biotechnol Bioeng, 2005, 92 (1):45-53.

[10] Paszek MJ, Zahir N, Johnson KR, et al. Tensional homeostasis and the malignant phenotype [J]. Cancer Cell, 2005, 8(3):241-254.

[11] Teramura Y, Kaneda Y, Iwata H. Islet-encapsulation in ultra-thin layer-by-layer membranes of poly(vinyl alcohol) anchored to poly (ethylene glycol)-lipids in the cell membrane[J]. Biomaterials, 2007, 28 (32):4818-4825.

[12] Tani H, Mizutani R, Salam KA, et al. Genome-wide determination of RNA stability reveals hundreds of short-lived noncoding transcripts in mammals[J]. Genome Res, 2012, 22(5):947-956.

[13] Zhang X, Zhou Y, Mehta KR, et al. A pituitary-derived MEG3 isoform functions as a growthsuppressor in tumor cells[J]. J Clin Endocrinol Metab, 2003,88(11):5119-5126.

[14] Pitre A, Davis N, Paul M, et al. Synemin promotes AKT-dependent glioblastoma cell proliferation by antagonizing PP2A[J]. Mol Biol Cell, 2012, 23(7):1243-1253.

[15] Zhang X, Lian Z, Padden C, et al. A myelopoiesis-associated regulatory intergenic noncoding RNA transcript within the human HOXA cluster[J]. Blood, 2009, 113(11):2526-2534.

[16] Du Y, Kong G, You X, et al. Elevation of highly up-regulated in liver cancer (HULC) by hepatitis B virus X protein promotes hepatoma cell proliferation via down-regulating p18[J]. J Biol Chem, 2012, 287 (31):26302-26311.

[17] Seong IS, Woda JM, Song JJ, et al. Huntingtin facilitates polycomb repressive complex 2 [J]. Hum Mol Genet, 2010, 19(4):573-583.

[18] Popova SN, Barczyk M, Tiger CF, et al. α11β1 integrin-dependent regulation of periodontal ligament function in the erupting mouse incisor[J]. Mol Cell Biol, 2007, 27(12):4306-4316.

(本文編輯:歐陽(yáng)菁)

10.3969/j.issn.2095-9664.2015.05.022

湖北省衛(wèi)生廳科研重點(diǎn)項(xiàng)目(JX5A09)

彭 智(1980-),男，本科，副主任醫(yī)師。

A 文章編號(hào)：2095-9664(2015)05-0085-03

2015-06-15)

研究方向：腦血管病、顱腦損傷。

*通訊作者：E-mail：16197930@qq.com