Talin：細(xì)胞黏附動(dòng)力學(xué)過程的關(guān)鍵蛋白

李思銳　孫陽(yáng)　羅孝勇　郭向榮

摘要 持續(xù)、協(xié)調(diào)的細(xì)胞黏附的形成、解體過程，對(duì)細(xì)胞轉(zhuǎn)移是必不可少的，Talin蛋白在其中起至關(guān)重要的作用.介紹了細(xì)胞黏附的類型、功能，重點(diǎn)闡述了Talin蛋白的結(jié)構(gòu)、與其他黏附組成蛋白的相互作用，以及在黏附的形成、解體過程中的重要地位，從而明確了Talin蛋白為細(xì)胞黏附動(dòng)力學(xué)過程的關(guān)鍵蛋白.

關(guān)鍵詞細(xì)胞黏附；黏附形成；黏附解體；Talin蛋白

中圖分類號(hào)Q26文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)10002537（2015）01002305

惡性腫瘤是當(dāng)今嚴(yán)重威脅人類生命的重大疾病之一，轉(zhuǎn)移是惡性腫瘤致死的最主要原因.大多數(shù)癌癥患者在確診時(shí)，腫瘤細(xì)胞已啟動(dòng)轉(zhuǎn)移級(jí)聯(lián)中的一個(gè)或多個(gè)步驟.惡性腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移是指從原發(fā)部位浸潤(rùn)性生長(zhǎng)、穿透細(xì)胞外基質(zhì)進(jìn)入脈管（淋巴管或血管）、滲出脈管、在轉(zhuǎn)移部位生長(zhǎng)、增殖[12].各種細(xì)胞，包括腫瘤細(xì)胞，其轉(zhuǎn)移機(jī)制是大體相同的，有很大的相似性和保守性，均為一個(gè)相互依存的多步驟循環(huán)過程[34]：A細(xì)胞在趨化因子的刺激下，形成前、后極性（polarity）；B在遷移細(xì)胞前部，由肌動(dòng)蛋白聚合而形成片狀偽足、線狀偽足的突起（protrusion）；C跨膜受體整合素與胞內(nèi)骨架蛋白連接，形成大小不等的黏附斑點(diǎn)（focal adhesion），從而連接胞外基質(zhì)與胞內(nèi)肌動(dòng)蛋白.當(dāng)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些黏附可作為牽引位點(diǎn)；D細(xì)胞尾部的黏附解體和尾部牽縮（ rear retraction），細(xì)胞向前移動(dòng).闡明細(xì)胞轉(zhuǎn)移的分子機(jī)制，是正確理解癌癥轉(zhuǎn)移、與尋找有效的治療措施的前提和基礎(chǔ).

1細(xì)胞黏附的動(dòng)力學(xué)過程

細(xì)胞黏附，作為細(xì)胞轉(zhuǎn)移多步驟循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)，是指細(xì)胞與胞外基質(zhì)的物理相互作用，涉及跨膜糖蛋白受體家族整合素（integrin），肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架和一系列胞質(zhì)蛋白[56].整合素在結(jié)構(gòu)上為一雜二聚體，由一個(gè)α亞基與一個(gè)β亞基組合而成，分別具有結(jié)合配基的胞外區(qū)域，單一跨膜區(qū)域和胞內(nèi)區(qū)域，但僅β亞基的胞內(nèi)區(qū)域有與信號(hào)分子的結(jié)合位點(diǎn).當(dāng)其胞外區(qū)域與胞外配基，如纖粘蛋白（fibronectin）等結(jié)合后，導(dǎo)致整合素聚合成簇及胞內(nèi)區(qū)域的構(gòu)象變化，盡管其胞內(nèi)區(qū)域本身不具有酶活性，但成簇的整合素可激活黏附斑激酶FAK，使其397位的酪氨酸磷酸化，與Src激酶的SH2區(qū)域結(jié)合，Src磷酸化銜接蛋白或細(xì)胞骨架蛋白，如talin，paxillin，vinculin等，從而使酪氨酸激酶、細(xì)胞骨架蛋白，通過FAK的SH2，SH3或富含脯氨酸區(qū)域，在整合素的β胞內(nèi)區(qū)域相互結(jié)合形成細(xì)胞黏附，并與肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架相聯(lián)，使肌動(dòng)蛋白微絲重組，形成應(yīng)激纖維（stress fibers）.這些新生的黏附（nascent adhesion），逐漸長(zhǎng)大，形成直徑1 μm大小的圓形結(jié)構(gòu)即復(fù)合斑（focal complex）.復(fù)合斑作為質(zhì)膜擴(kuò)展的牽引點(diǎn)，傳遞推動(dòng)力.當(dāng)黏附長(zhǎng)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，變得更大，更成熟時(shí)，即形成2 μm寬，3～10 μm長(zhǎng)的所謂黏附斑（focal adhesion）[78].Focal complex為小的黏附，位于細(xì)胞前沿片狀偽足、線狀偽足的末端，可穩(wěn)定片狀、線狀偽足，傳遞推動(dòng)力，促進(jìn)細(xì)胞遷移；focal adhesion為大的黏附，通常位于細(xì)胞尾部應(yīng)激纖維的末端，與胞外基質(zhì)緊密附著，抑制細(xì)胞遷移[9].它們的分子組成相同，在成熟度上有差異.

在遷移細(xì)胞尾部，可觀察到黏附斑的解體（focal adhesion disassembly），即黏附的釋放，使尾部收縮；但在細(xì)胞前沿，黏附斑的解體同時(shí)伴隨著新的黏附斑形成，因而稱為黏附斑的轉(zhuǎn)換（focal adhesion turnover ）.細(xì)胞黏附不僅建立了肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架與胞外基質(zhì)的緊密聯(lián)系，同時(shí)一系列結(jié)構(gòu)蛋白與調(diào)節(jié)蛋白組成的蛋白復(fù)合物，構(gòu)成了控制細(xì)胞轉(zhuǎn)移的信號(hào)通路的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[10].

2Talin在細(xì)胞黏附形成中的作用

最新研究表明，有超過180種蛋白參與黏附的形成，這些蛋白或?yàn)榻Y(jié)構(gòu)蛋白，如銜接蛋白或骨架蛋白，直接或間接聯(lián)接整合素β亞基的胞內(nèi)區(qū)域與胞內(nèi)肌動(dòng)蛋白；或?yàn)檎{(diào)節(jié)蛋白，如激酶和信號(hào)蛋白，調(diào)控黏附相關(guān)蛋白間相互作用和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[1112].圖1[9]描述了參與黏附形成的主要蛋白間的相互作用，可以看出，僅talin，filamin和αactinin，既與整合素也與肌動(dòng)蛋白直接聯(lián)接.研究表明，與filamin和αactinin 相比，talin蛋白，由于其結(jié)構(gòu)以及與其他蛋白的相互作用，在黏附的形成和解體的動(dòng)力學(xué)過程中，具有至關(guān)重要的作用.在敲除了talin基因的胚胎干細(xì)胞中，黏附斑和應(yīng)激纖維均不能形成[13].

Talin基因有兩個(gè)亞型，talin1、talin2，其編碼的蛋白有74%的相似性[14].目前，對(duì)talin2的了解較少.在結(jié)構(gòu)上，talin1為一包含2 541個(gè)氨基酸，270 000的蛋白大分子[15].其全長(zhǎng)蛋白分為球形N端頭部與C端尾部.頭部通稱為FERM區(qū)域，可細(xì)分為F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3亞區(qū)域，其中含有整合素β胞內(nèi)區(qū)域、肌動(dòng)蛋白、黏附斑激酶FAK、跨膜蛋白layilin的結(jié)合位點(diǎn).其尾部含有一個(gè)β亞基、兩個(gè)肌動(dòng)蛋白和3個(gè)骨架蛋白vinculin結(jié)合位點(diǎn).從talin蛋白結(jié)構(gòu)，可看出，其上可聯(lián)接整合素β亞基，下可聯(lián)接肌動(dòng)蛋白，并與其他黏附組成蛋白直接或間接聯(lián)接，因而是整合細(xì)胞黏附形成、解體的動(dòng)力學(xué)過程的核心蛋白.

細(xì)胞黏附的形成，是指激活成簇的整合素將黏附各組成蛋白，征集進(jìn)入其β亞基胞內(nèi)區(qū)域而形成新生細(xì)胞黏附的過程.Talin在細(xì)胞黏附形成中，主要在整合素激活與征集其他細(xì)胞黏附的組成蛋白中起重要作用.talin與整合素β亞基胞內(nèi)區(qū)域的結(jié)合可使整合素處于激活狀態(tài)[1617].以RNA干擾降低talin表達(dá)可顯著抑制整合素激活[18]；在talin低表達(dá)細(xì)胞中轉(zhuǎn)染talin基因，可使整合素恢復(fù)激活狀態(tài)[19].其可能機(jī)制為：talin是激活整合素的關(guān)鍵因素——小G蛋白R(shí)ap1A的下游效應(yīng)分子，通過talin與整合素的直接結(jié)合，傳遞Rap1A信號(hào)給整合素[19].通常，激活的整合素按順序依次，而非同時(shí)征集細(xì)胞黏附的各組成蛋白，進(jìn)入新生的細(xì)胞黏附中[20].然而，何種蛋白處于該征集過程的最上游？一直以來(lái)，公認(rèn)是talin最早進(jìn)入細(xì)胞黏附中[2122].但最近研究表明，黏附斑激酶FAK，先于talin進(jìn)入細(xì)胞黏附.將FAK結(jié)合talin位點(diǎn)E1015突變后，在新生的細(xì)胞黏附中，有FAK存在，但沒有發(fā)現(xiàn)talin，表明FAK可先于talin進(jìn)入細(xì)胞黏附.現(xiàn)已確認(rèn)，talin處于征集過程中僅次于FAK的第二位.FAK需與talin結(jié)合，將talin征集到新生的黏附中.隨后，talin位于所有其他蛋白的上游，直接或間接與其他黏附組成蛋白相互作用，構(gòu)成細(xì)胞黏附[23].

3Talin在細(xì)胞黏附解體中的作用

與細(xì)胞黏附的形成相比，對(duì)黏附解體的調(diào)控機(jī)制目前卻還不甚明了.已知RhoAROCK信號(hào)通路調(diào)控肌球蛋白收縮，使黏附斑解體[2425].微管在dynamin 和FAK參與下，可誘導(dǎo)黏附斑解體[26].但這些機(jī)制都還缺乏對(duì)具體黏附組成蛋白解體的研究.越來(lái)越多的研究表明，鈣依賴型蛋白酶Calpain（calciumdependent protease）可能是誘導(dǎo)黏附斑解體的更重要原因.Calpain位于黏附斑中，主要有Calpain 1和Calpain 2兩種亞型.一般認(rèn)為，細(xì)胞前沿的黏附斑的轉(zhuǎn)換，由Calpain1完成；細(xì)胞尾部的黏附斑解體，由Calpain 2完成[27].Calpain 2可將組成黏附斑的所有蛋白，如整合素β1和β3的胞內(nèi)區(qū)域，F(xiàn)AK，talin，paxillin，vinculin等為底物而將其裂解，從而切斷整合素與肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架的聯(lián)結(jié)，使黏附斑解體.

Calpain 2對(duì)talin蛋白的切割位點(diǎn)為其頭部L432處，將其全長(zhǎng)蛋白切割為頭部和尾部區(qū)域.點(diǎn)突變L432G可有效抑制Calpain對(duì)talin蛋白的裂解，從而大大增加活細(xì)胞中黏附斑的持續(xù)時(shí)間[28]，促進(jìn)細(xì)胞黏附.最近，在talin尾部E2492處，發(fā)現(xiàn)一新的calpain切割位點(diǎn)，但由于該位點(diǎn)處于talin蛋白C末端，可能對(duì)黏附斑解體的作用有限[29].Calpain對(duì)其他黏附組成蛋白，如paxillin，vinculin，zyxin等的裂解，高度依賴對(duì)talin蛋白的裂解[28]，即Calpain只有裂解talin后，才能有效裂解其他黏附組成蛋白.由此可見，Calpain誘導(dǎo)的黏附斑解體，取決于對(duì)talin蛋白的裂解，因而Calpain介導(dǎo)的talin蛋白的裂解在黏附解體中起關(guān)鍵作用.

Calpain裂解蛋白的作用機(jī)制，已基本明確[3031].通常，Calpain在毫摩級(jí)鈣離子濃度下，可處于激活狀態(tài).但在活細(xì)胞中，很難達(dá)到此種濃度.其激活機(jī)制為，在胞外表皮生長(zhǎng)因子（EGF）刺激下，激活MAPK通路，最終激活ERK.ERK磷酸化Calpain 50位的絲氨酸，從而激活Calpain.蛋白激酶A（PKA），可磷酸化Calpain 269位絲氨酸或379位蘇氨酸，從而抑制 Calpain的激活，可抵消ERK對(duì)Calpain的激活效果[32]（圖2[27]）.

4Talin與個(gè)體發(fā)育和腫瘤浸潤(rùn)轉(zhuǎn)移的關(guān)系

由于talin在黏附的形成、解體中的重要作用，對(duì)talin蛋白的研究已成為細(xì)胞黏附的熱點(diǎn)，其與個(gè)體發(fā)育和疾病的發(fā)生、發(fā)展的關(guān)系，也得到普遍關(guān)注.敲除talin1的小鼠胚胎受精后8.5～9.5 d由于原腸胚發(fā)育停滯，導(dǎo)致胚胎致死[33].在許多癌癥轉(zhuǎn)移病人中均存在Calpain 2表達(dá)上調(diào)[3435]，而Calpain 2影響細(xì)胞轉(zhuǎn)移的作用主要是通過切割talin而實(shí)現(xiàn)的，因而人們開始在talin蛋白結(jié)構(gòu)中尋找影響Calpain 2活性的位點(diǎn).對(duì)細(xì)胞黏附talin頭部的蘇氨酸、絲氨酸質(zhì)譜分析表明，talin頭部存在幾個(gè)高化學(xué)計(jì)算磷酸化位點(diǎn)，這些位點(diǎn)可能控制Calpain介導(dǎo)的對(duì)talin蛋白的裂解，以及影響talin與其他蛋白間的相互作用[15]，但目前還極少有talin與腫瘤浸潤(rùn)轉(zhuǎn)移直接相關(guān)的研究報(bào)道.有理由相信，隨著對(duì)talin蛋白結(jié)構(gòu)、功能，以及與其他蛋白間相互作用的研究，talin可成為治療包括癌癥等與細(xì)胞轉(zhuǎn)移有關(guān)疾病的有用的分子靶標(biāo).

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（編輯王健）