Arp2/3復合體在細胞運動以及腫瘤轉移中機制的研究進展*

蘇小娟 王思洋 霍永旭 李小雪 邵鑫 楊春蕾

(四川大學生命科學學院醫(yī)學細胞生物學教研室，四川 成都 610041)

Arp2/3復合體在細胞運動以及腫瘤轉移中機制的研究進展*

蘇小娟 王思洋 霍永旭 李小雪 邵鑫 楊春蕾△

(四川大學生命科學學院醫(yī)學細胞生物學教研室，四川 成都 610041)

Arp2/3復合體是一個主要的肌動蛋白組裝成核劑，能夠促進微絲的核化，從而促進細胞內(nèi)肌動蛋白單體裝配形成微絲，這在細胞運動等多種與肌動蛋白細胞骨架相關生理活動中具有重要作用，最近研究發(fā)現(xiàn)，Arp亞基基因在腫瘤內(nèi)異常表達，研究其與腫瘤之間的關系在腫瘤早期診斷和基因治療方面有重要的理論指導意義。本文綜述了近年來有關Arp2/3復合體的分子結構，功能特點以及在腫瘤中作用等相關的研究，為Arp2/3復合體的進一步研究提供一定的參考。

Arp2/3復合體；細胞骨架；微絲成核；遷移；腫瘤

肌動蛋白單體多聚化形成微絲是一個復雜的過程，首先是成核反應，即形成至少有2～3個肌動蛋白單體組成的寡聚體，然后開始多聚體的組裝。Arp2/3復合體在微絲成核過程中起著重要作用，它能夠促進新微絲核化，其亞基之間相互作用形成微絲組裝的起始復合物，肌動蛋白單體與起始復合物結合，形成一段可供肌動蛋白繼續(xù)組裝的寡聚體。微絲形成后在構成細胞骨架，維持細胞形態(tài)及參與細胞運動等多種細胞生理過程中發(fā)揮重要作用[1]。細胞遷移對于許多正常的細胞生理過程是必要的，例如免疫系統(tǒng)的活性，組織修復及再生等等。然而異常的細胞遷移活性與多種疾病相關，些與細胞遷移相關過程的實現(xiàn)都與細胞骨架系統(tǒng)的重塑有關[2]。細胞骨架系統(tǒng)重組產(chǎn)生的力量使細胞前導邊緣形成板狀偽足推動細胞遷移，板狀偽足是一種暫時性的結構，它的形成主要依靠Arp2/3復合體介導的肌動蛋白多聚化作用，其在細胞正常和病理狀態(tài)下驅動細胞遷移，近來的研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)控板狀偽足的活性及方向感的持續(xù)性可以控制細胞遷移[3]。

Arp2/3復合體最初是在阿米巴原蟲中發(fā)現(xiàn)并分離出來的，并且對細胞內(nèi)前纖維蛋白有親和作用，后來在酵母細胞以及人類等脊椎動物細胞中均分離到了這種復合體[4]。其主要功能是在母絲側面核化新微絲而生成自由生長的正端分支，此外，研究發(fā)現(xiàn)Arp2/3復合體在肌動蛋白微絲負端加冒的過程中發(fā)揮著作用，因此，Arp2/3復合體可以通過兩種截然不同的途徑激活，一種是在分支形成時，一種是在微絲負端加冒的情況下[2]。隨著Arp2/3復合體的鑒定及其在肌動蛋白核化中作用的逐步闡明，人們對微絲形成及細胞運動等多種重要的細胞生理過程的認識有了很大的進步。

1 Arp2/3復合體的結構特點

肌動蛋白相關蛋白2/3復合體(Actinrelated protein 2/3(Arp2/3) complex)是一個穩(wěn)定的橢球體狀復合體，分子量為220 KDa，長約15 nm，寬約14 nm，厚7～10 nm，由進化上保守的7個亞基組成，包括兩個肌動蛋白相關蛋白Arp2和Arp3亞基，以及ARPC1、ARPC2、ARPC3、ARPC4、ARPC5五個附屬亞基[5]。

Arp2與肌動蛋白具有40%～50%的同源性，比肌動蛋白多19個氨基酸殘基，這些殘基形成了插入序列Tyr325～Glu335。Arp3與肌動蛋白的同源性為30%～40%，氨基酸殘基比肌動蛋白多42個，這些殘基形成的插入序列分別為Gln46～Cys54、Thr154～Arg161、Asn260～Phe267及Val347～Leu358，它們散布于整個結構之中。人類有兩種表達形式的Arp3，即Arp3和Arp3β，其表達具有組織特異性，Arp3β在腦、肝、肌肉及胰腺中表達較高，而Arp3的表達則較為普遍[5,6]。

附屬亞基中ARPC1分子大小為40 KDa，人類的ARPC1有兩個亞型，ARPC1A和ARPC1B，是一個螺旋槳狀蛋白，其“螺旋槳”有7葉，每一葉有42～96個殘基，這些殘基折疊形成4個β片層[5]。ARPC2分子大小34 KDa，由多個α螺旋和β片層構成，形成α/β結構。ARPC3分子大小為21 KDa，由4個α螺旋構成，螺旋中間有一些長環(huán)位于該亞基的表面，形成與Arp3廣泛作用的疏水面。ARPC4分子大小為20 KDa，由多個α螺旋和β片層構成，形成α/β結構。ARPC5分子大小為16 KDa，其氨基末端是一段較長的延伸結構，此結構可能具有與Arp2、ARPC1、ARPC4相互作用并傳遞這三個亞基之間結構變化的功能，其延伸結構之后是7個α螺旋[5,6]。

此外，ARPC2-ARPC4異質(zhì)二聚體可以形成一個“C”形的鉗狀結構，構成整個復合體的核心，環(huán)繞Arp2和Arp3亞基，這兩個亞基在ARPC4和ARPC2形成的“鉗”中呈現(xiàn)一種“尾”對“尾”的局面，ARPC4表面的21nm2的面積被ARPC2所覆蓋，與Arp2、Arp3、ARPC1和ARPC5的結合又使其33nm2的面積被覆蓋。Arp3位于ARPC2氨基末端α/β區(qū)和羧基末端螺旋區(qū)之間，ARPC3和ARPC5 位于整個復合體邊緣位置，對維持Arp2/3復合體的結構有著重要作用[5-7]。通過7個亞基之間的相互聯(lián)系和作用使得復合體處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

2 Arp2/3復合體介導的肌動蛋白核化模型

真核細胞通過它們的前導邊緣組裝有序的肌動蛋白微絲網(wǎng)絡系統(tǒng)來改變其形態(tài)及移動性，而這個以肌動蛋白為基礎的運動引擎的核心是Arp2/3復合體，此復合體通過在母體微絲側面誘導肌動蛋白單體發(fā)生多聚化作用而建立起交叉連接的肌動蛋白微絲網(wǎng)絡系統(tǒng)。Arp2/3復合體核化微絲時首先與母絲側面結合，使肌動蛋白單體發(fā)生多聚化，然后，Arp2和Arp3亞基形成一個類似肌動蛋白微絲快速生長的正端的原核，這時肌動蛋白單體在這個正端聚合，并快速地向質(zhì)膜延伸，而Arp2/3復合體仍然結合在緩慢生長的負端以將新微絲交叉連接到母微絲上[8]。

目前，對于Arp2/3復合體介導的肌動蛋白核化以及微絲分支機制提出了兩種模型。一種是由R Dyche Mullins 和Thomas pollard提出的“樹突狀核化”(Dendritic nucleation)模型，其主要的論點是當Arp2/3復合體結合在“母絲”(Mother filament)的側面，并且在受到核化促進因子(Nucleation promoting factor，NPF)刺激，可核化形成新的微絲“子絲”(Daughter filament)[4,9,10]。另一種模型是由Pantaloni等提出的“正端分支”(Barbed end branching) 假說，由于他們沒有觀察到Arp2/3復合體與微絲的側面或負端結合的現(xiàn)象，而是發(fā)現(xiàn)母絲可以刺激依賴于Arp2/3復合體的核化，而且當這些微絲的正端被一種叫做“戴帽”蛋白的蛋白分子“戴帽”后其活化功能即被阻斷，這一假說認為Arp2/3復合體、核化促進因子以及肌動蛋白在微絲的正端多聚化并誘導分支微絲的形成[10]。盡管這兩種假說存在差異，但都證實了Arp2/3復合體介導微絲的產(chǎn)生，并且將微絲連接成為高度有序的網(wǎng)狀結構。

近來的研究結果更傾向于支持“樹突狀核化”模型。由Balanchoin、Amamn以及Pollard等的研究都證實了Arp2/3復合體核化形成的微絲是從已有的微絲上延伸產(chǎn)生的[7，9]。Volkman等應用電子顯微鏡和圖像分析技術發(fā)現(xiàn)Arp2/3復合體可結合在母體微絲的側面,而Amamn以及Pollard 等則已觀察到了由母絲側面延伸出子絲的現(xiàn)象[7]。盡管上述證據(jù)都有利于支持“樹突狀核化”模型，但同時也觀察到Arp2/3復合體結合在與正端十分接近的微絲側面的位置，這說明Arp2/3復合體在與微絲的側面結合時，對其所結合的位置是有選擇性的[4]。這可能是由于在靠近正端的位置，具有“ATP帽”結構，而Arp2/3復合體在核化肌動蛋白成為微絲的時候，優(yōu)先選擇結合在母絲上有ATP結合的部位。細胞的胞質(zhì)溶膠部分富含新聚合成的微絲，其正端含有較多ATP，該區(qū)也常有Arp2/3復合體的富集[9，11]。

3 Arp2/3復合體與細胞遷移

Arp2/3復合體主要與細胞肌動蛋白骨架的相關功能有關，而腫瘤細胞的增殖，遷移，侵襲等生物學行為又都與細胞肌動蛋白骨架有著密切的關系[8]。

在大多數(shù)遷移性細胞中，Arp2/3復合體是主要的肌動蛋白成核劑，它的激活因子，包括WASp/Scar蛋白家族、李斯特單核菌(Listeria monocytogenes)中的Act A蛋白、芽殖或裂殖酵母菌中的真菌肌球蛋白I以及位于板狀偽足中的皮動蛋白(Cortactin)等[5,12,13]。近來的研究發(fā)現(xiàn)Arp2/3復合體的活性受到兩個NPFs的雙重調(diào)控以滿足細胞生理的需要[14]。在ATP、NPFs和母絲存在的條件下，該復合體在母絲上78位置啟動新微絲的生長[15]。NPF與Arp2-Arp3二聚體的負端結合，質(zhì)譜檢測表明Arp2的Thr237和Thr238殘基是發(fā)生了磷酸化，而Arp2/3復合體只有在其Arp2亞基的蘇氨酸或酪氨酸殘基被磷酸化后，復合體發(fā)生構象重排才能被NPFs激活。Arp2的磷酸化作用對于與NPFs或肌動蛋白微絲側面的結合并非必須的，但是對于結合肌動蛋白相關蛋白負端以及核化肌動蛋白微絲是至關重要的，Arp2/3復合體的核化功能隨著與磷酸化激酶共孵育時間的延長而降低，磷酸化作用可以通過調(diào)控復合體的一些特性來控制其核化功能，這些特性包括亞基間的連接，復合體與NPFs和母絲側面的親和性等[8]。

研究表明，Arp2/3復合體與多種肌動蛋白細胞骨架相關過程密切，例如，在對李斯特菌運動的研究中發(fā)現(xiàn)Arp2/3復合體與細胞的運動有關，在該菌中Act A蛋白可與Arp2/3復合體直接作用，從而促進肌動蛋白的核化，此外，體外實驗研究發(fā)現(xiàn)，Arp2/3復合體在調(diào)節(jié)細胞遷移的速度及方向的穩(wěn)定性上起著重要作用，例如，絲切蛋白(Arpin)是Arp2/3復合體活性的一種抑制性蛋白，在哺乳動物和變形蟲細胞中沉默Arpin后，細胞遷移的軌跡變直了，細胞板狀偽足的突出伸出來的速度更快，細胞遷移的速度更快，而將Arpin微注射到魚的角膜基質(zhì)細胞后，細胞的遷移軌跡發(fā)生了轉向，這些是通過Rac-Arpin-Arp2/3抑制通路與Rac-WAVE-Arp2/3激活通路共同調(diào)控實現(xiàn)的[16]。同時，大量的遺傳學證據(jù)表明，Arp2/3復合體及其激活因子如真菌肌球蛋白2I是真菌中肌動蛋白形成微絲不可缺少的因素[12]。

在哺乳動物細胞中，Arp2/3復合體主要定位于運動細胞的前導邊緣，尤其是在短的肌動蛋白微絲的分支處，而細胞的運動與細胞的前導邊緣密切相關，這也間接地證明了Arp2/3復合體是肌動蛋白多聚化中必不可少的因素[17]。在某些情況下Arp2/3復合體的缺失將導致細胞死亡，例如，在釀酒酵母和裂殖酵母中將Arp2/3復合體的基因敲除后將會導致嚴重的生長缺陷甚至死亡[18]。

Hudson以及Zallen等發(fā)現(xiàn)Arp2/3復合體基因發(fā)生突變后，將破壞細胞皮質(zhì)區(qū)細胞骨架的組織形成，而且一些肌動蛋白依賴性的生物學過程如細胞的內(nèi)吞作用也會受到抑制，Arp3和ARPC1亞基發(fā)生突變的果蠅在成蟲之前就會死亡，而且在胚胎期會發(fā)生肌動蛋白結構缺陷以及神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙。此外，他們還發(fā)現(xiàn)Arp2/3復合體在卵細胞的形成以及眼的發(fā)生中都具有重要的作用。在體外培養(yǎng)細胞中顯微注射Arp2/3復合體的抗體后可抑制板狀偽足的運動[12,19]。內(nèi)皮細胞的粘著連接對于細胞分化、組織完整性的維持以及重塑等生理和病理過程都是極其重要的，其關鍵取決于VE-鈣粘蛋白/連環(huán)蛋白復合體以及它們與肌動蛋白微絲細胞骨架的相互作用，新的研究報告表明，Arp2/3復合體和它的核化促進因子對于維持內(nèi)皮的屏障功能和對已有的細胞連接的重塑具有重要作用[20]。Arp2/3復合體的肌動蛋白核化和交叉連接作用對于許多細胞結構的構建以及通過細胞質(zhì)去移動核內(nèi)體和細胞內(nèi)的病原體是必須的，這些結構包括板狀偽足和吞噬泡等[8]。

4 Arp2/3復合體與腫瘤

腫瘤細胞的侵潤性受腫瘤—基質(zhì)相互作用的調(diào)控，在結直腸癌中，Arp2/3復合體在基質(zhì)細胞附近表達，它的形成提高了基質(zhì)細胞與成瘤細胞之間的運動性，進而為這兩種細胞的侵潤性提供更適合的環(huán)境，這很大程度上與腫瘤細胞中P53在核內(nèi)的積累以及CD10在基質(zhì)中的表達有關，研究結果表明Arp2/3復合體受到腫瘤—基質(zhì)相互作用的調(diào)控并且與結直腸癌的侵潤性有關[21]。

在胰腺癌中檢測Arp2/3復合體亞基的表達情況發(fā)現(xiàn)，ARPC3和ARPC4是復合體中最高表達的亞基，而ARPC1B和ARPC2表達水平最低，siRNA沉默Arp2/3復合體亞基后發(fā)現(xiàn)這些亞基表現(xiàn)出細胞特異性特征，但是大多數(shù)細胞的遷移能力降低了，尤其是ARPC4亞基敲降后，所研究的胰腺癌細胞的遷移性都降低了，Hs700T和HPAFII細胞遷移性降低的程度最顯著，與LUC(Luciferase transfected)對照組相比，其降低程度分別為50%和68%，這是首次發(fā)現(xiàn)ARPC4影響細胞遷移性，在以上腫瘤中，Arp2/3復合體在腫瘤細胞的遷移及侵潤中起著重要作用[21]。這些研究結果表明，Arp2/3復合體對細胞正常功能的維持是不可缺少的。

5 展望

Arp2/3復合體介導的肌動蛋白核化在細胞的多種生理活動中都發(fā)揮著重要作用，例如，細胞的內(nèi)吞和遷移以及侵潤等生理過程。盡管其介導肌動蛋白核化的方式已基本闡明，但具體機制尚需在細胞、分子等水平上做更進一步的研究。ARPC4作為該復合體的組成成員之一，與ARPC2構成該復合體的中心，在該復合體的生物學功能上扮演重要角色，目前對于ARPC4的結構，功能有了一定的了解，但對于它的具體作用機制以及在腫瘤中的生物學作用還需進一步研究。

癌癥是全球人口的第一位死因，近年來，對腫瘤的監(jiān)測，預后以及治療等方面都有了很大的突破，但腫瘤的徹底治療仍然是一個很大的難題。根據(jù)中國衛(wèi)生部發(fā)布的資料顯示，全國每年新發(fā)腫瘤病例約為312萬例，癌癥發(fā)病率為285.91/10萬，全國腫瘤死亡率為180.54/10萬，每年因癌癥死亡病例達270萬例，而且死亡率也在逐年上升，人們對腫瘤的關注度也是逐年上升，并從不同的角度去理解病因和尋求治療方案[23,24]。Arp2/3復合體是一個新型的腫瘤標志分子，但對Arp2/3復合體沒有一個綜合性的了解，并且大多數(shù)研究者只關注Arp2/3復合體的分子特點以及其與腫瘤發(fā)生發(fā)展的關系，對其組成亞基蛋白卻缺乏相應的了解。本文綜述了Arp2/3復合體，希望能夠對腫瘤的前期預測和分子治療有一定的指導作用。

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Research progress of the Arp2/3 complex in tumors*

Su Xiao-Juan, Wang Si-Yang, Huo Yong-Xu, Li Xiao-Xue, Shao Xing, Yang Chun-Lei△

(Department of Medical Cell Biology, Life Science of Sichuan University, Sichuan Chengdu 610041)

四川省中醫(yī)藥管理局科研項目(編號：2012-F-024)

蘇小娟，女，碩士研究生，主要從事腫瘤生物學研究，Email：1289677468@qq.com。

△通訊作者：楊春蕾，女，副教授，主要從事腫瘤生物學研究，Email：ycl_108@163.com。

2015-1-29)