橋粒芯蛋白2功能及相關疾病的研究進展

楊婷婷，唐 奇綜述，馮振卿審校

0 引 言

橋粒芯蛋白（desmoglein，DSG）作為細胞表面跨膜蛋白，是組成細胞緊密連接——橋粒結構的重要蛋白，在細胞間的黏附、信息傳遞等過程中發(fā)揮重要作用，如心肌閏盤結構的維持。同時近來研究發(fā)現(xiàn)，DSG的亞型DSG2在多種腫瘤中表達異常，在惡性腫瘤的上皮間質轉化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）過程中，橋粒作為上皮細胞的標志性結構，其相關蛋白在EMT現(xiàn)象中發(fā)揮著重要作用［1］。但DSG2作為細胞膜表面受體是如何接受信息，并降解入胞或表達增加，從而對下游的信號通路進行調節(jié)，以及如何影響惡性腫瘤的不良預后等問題尚缺乏系統(tǒng)的闡述。本文就DSG2的蛋白結構、生物學功能及與相關疾病的關系和信號通路作一綜述。

1 DSG2的結構

橋粒芯蛋白家族共有4個亞型，分別為DSG1、DSG2、DSG3和DSG4［2］，與有3個亞型的橋粒膠蛋白（desmocollin，DSC）組成橋粒鈣黏素家族，并與橋粒斑蛋白（desmoplakin，DP）等共同構成細胞黏附結構——橋?；虬霕蛄?。其中DSG2亞型在組織分布最為廣泛［3］，表達于單層上皮、復層上皮的基底細胞層以及非上皮組織如心肌、淋巴濾泡樹突網(wǎng)等［4］。而DSG1分布于表皮上層分化成熟區(qū)，DSG3主要分布在表皮基底層，DSG4分布于毛囊和上皮顆粒層。

DSG2蛋白又名 ARVC10、ARVD10、CDHF5、CMD1BB。其編碼基因定位于人類染色體18q12.1，人DSG2基因線性DNA序列由50788bp組成，含有15個外顯子，線性mRNA由5677 bp組成，編碼由1118個氨基酸組成的蛋白［5］。DSG2蛋白由胞外5個鈣黏蛋白重復區(qū)（EC1-4）、跨膜區(qū)、胞內鈣黏蛋白片段、富于脯氨酸連接序列、重復單元區(qū)（repeated unit domain，RUD）和終末富甘氨酸區(qū)組成［6-7］。其胞外每個鈣黏蛋白重復區(qū)都在每一對連續(xù)重復序列之間形成鈣結合位點的球狀域，從而接受胞外液中鈣離子濃度的信號調控。DSG的4個亞型基本結構一致，僅在胞內重復單元區(qū)不同：DSG1，5個RUD；DSG2，6個RUD；DSG3，2個RUD；DSG4，3個RUD。

2 DSG2的裝配和功能

DSG2作為橋粒芯家族成員，參與橋粒結構組成。橋粒是細胞間粘著連接的主要結構，對于心肌、膀胱、胃黏膜、皮膚等承受機械壓力的組織細胞尤為重要，DSG和DSC均是其中的最主要跨膜糖蛋白，胞外區(qū)部分主要調節(jié)細胞黏附力，胞內區(qū)和DP或橋粒斑珠蛋白（Plakoglobin，PG）結合，DP和PG另一端與細胞中間絲結合，構成半橋粒。半橋粒和鄰近細胞的半橋粒通過DSG和DSC黏附作用，組成橋粒的完整結構［8］。橋粒的黏附力，受到結構中的鈣粘蛋白重復區(qū)鈣離子結合位點的調控，表現(xiàn)出鈣離子依賴性。在細胞橋粒間的連接，主要是表現(xiàn)為嗜異源性和親同源性，即DSG和DSC結合，DSG和DSG結合；以及在纖維細胞中觀察到DSG2和DSC1的交互作用，即在細胞間橋粒連接處可有DSG和DSG的相互連接，也有DSG和DSC的相互連接作用［9-11］。

DSG2作為橋粒中細胞間的連接蛋白，對橋粒結構裝配和穩(wěn)定起到重要作用。橋粒作為細胞緊密連接的一種，在上皮的完整性、抵抗機械壓力等方面具有重要作用。DSG的表達異常，使得橋粒間連接斷開，導致上皮棘層松解，水泡形成，最終致天皰瘡的發(fā)生，其發(fā)生與DSG1、DSG3的抗原有直接關系，與DSG2的關系還在進一步研究中。有研究提出，在胚胎干細胞基因敲除的小鼠，發(fā)現(xiàn)DSG2-/-和DSG2+/-的小鼠胚胎干細胞在著床后短時間死亡，并且最早在裝配橋粒結構的滋養(yǎng)外胚層的橋粒結構中發(fā)現(xiàn)DP因DSG2缺失而表達和裝配異常［12-14］。同時發(fā)現(xiàn)在DP陰性的胚胎干細胞中，DSG2可獨立定位在非橋粒結構中，并對胚胎內胚層細胞和由內胚層發(fā)育來的細胞團的增殖有不可或缺的作用。上述研究說明DSG2除了組成細胞橋粒結構，參與細胞黏附能力之外，也可獨立于橋粒結構之外，在胚胎干細胞的早期發(fā)育和存活中也發(fā)揮非常重要的作用［15］。

3 DSG2的調控和有關信號通路

在卵巢透明細胞癌的研究中，發(fā)現(xiàn)腫瘤干細胞標志CD133和橋粒結構中的PG有直接作用，并且CD133的敲除可導致橋粒結構中DSG2蛋白的表達下調，從而降低細胞黏附促進腫瘤侵襲等惡性生物學行為［16］，而PG在橋粒結構中與DSG2直接結合，CD133可能通過PG影響DSG2蛋白的表達，橋粒相關蛋白Pinin也可上調DSG2蛋白。提示DSG2的表達可以受橋粒結構中其他直接或間接結合的相關蛋白的影響［17］。

在上皮鱗狀細胞癌中，表皮生長因子受體（epidermal growth factor receptor，EGFR）和解整合素金屬蛋白酶 17（a disintegrin and metalloprotease，ADAM17）協(xié)同作用，促進DSG2蛋白的降解和胞內清除，從而降低細胞間黏附，促進腫瘤細胞侵襲。DSG2的降解和清除過程主要是：DSG2在胞外域近錨定區(qū)斷裂，胞外片段入細胞外基質，膜上殘余片段被膜上鄰近的小凹蛋白（caveolin，cav-1）/脂筏復合體所結合，并于胞內降解。研究還發(fā)現(xiàn)cav-1的缺失，可導致膜上殘余DSG2片段積累，會影響橋粒結構的裝配，這對完整橋粒的穩(wěn)定性有一定影響［18］。反之，DSG2蛋白可激活EGFR、ERK1/2磷酸化，最終促進細胞增殖。ERK1/2的抑制劑可抑制上述所致生物學行為改變。DSG2的敲減可導致EGFR的磷酸化水平降低，下游的ERK1/2磷酸化也被抑制［19］。

同時DSG2的表達下調可促使DSC2表達增高。有研究表明DSC2的下調，可激活EGFR信號通路，通過下游的PI3K/Akt信號通路，再促進β-catenin 552位絲氨酸磷酸化，從而β-catenin可發(fā)揮促細胞增殖的調控作用。此通路和DSG2的表達增高效應基本一致，并且DSG2也具有一定激活Akt信號通路的作用?？傊珼SG2和DSC2在此發(fā)揮著近乎相反的調控作用，DSG2的減低可導致DSC2表達增加，通過滅活EGFR和Src等促進細胞增殖的調控因子從而抑制腫瘤生長［20］。

4 DSG2相關疾病

4.1心肌疾病DSG2的突變可影響心肌閏盤結構中橋粒鈣黏素的結合能力，與心律失常右室心肌病（arrhythmogenic rightventricularcardiomyopathy，ARVC）及擴張性心肌病的發(fā)生密切相關［21-22］。ARVC是常染色體隱性遺傳病，對此病患者進行基因突變檢測，發(fā)現(xiàn)DSG2錯義突變c.1003A＞G，p.（Thr335Ala）與ARVC直接相關。在小鼠模型中，DSG2突變雜交鼠出現(xiàn)類似ARVC患者的臨床表現(xiàn)：心室擴大、室壁變薄、心功能下降、炎性反應和心室纖維化等［23］。ARVC的早期臨床診斷一直是個難題，主要依靠超聲心電圖，然而超聲心電圖的診斷不具有特異性。發(fā)現(xiàn)并確定DSG2和ARVC的直接關系，使DSG2基因突變有可能作為臨床ARVC患者的檢測指標。

4.2腸道疾病作為首先在腸道發(fā)現(xiàn)的結構蛋白，DSG2對腸道功能有一定作用。Krüppel樣因子5（Krüppel-like factor 5，KLF5）是鋅指家族一員，研究發(fā)現(xiàn)KLF5和DSG2有協(xié)同作用，KLF5的敲減可干擾DSG2的表達，使得細胞橋粒結構被破壞，嚴重損害小鼠腸道的屏障功能，從而導致炎癥性腸病的發(fā)生［24］。在克羅恩病和潰瘍性結腸炎的患者中發(fā)現(xiàn)，DSG2和緊密連接蛋白Claudin1表達明顯下調，此過程可能受到TNF的調控，通過體內外實驗發(fā)現(xiàn)：能特異結合DSG2結構域的串聯(lián)多肽（tandem peptide，TP）的加入，可穩(wěn)定DSG2的結構并干擾TNF誘導的腸上皮滲透性增高的現(xiàn)象［25］。目前腸道炎癥疾病，尤其是克羅恩病和潰瘍性結腸炎，主要通過糖皮質激素治療，相對不良反應較大。DSG2在腸道炎癥疾病中的作用和機制研究，為此類疾病治療提供了新途徑，如上述TP的應用。

4.3惡性腫瘤DSG2和腫瘤的關系正逐步被發(fā)現(xiàn)，DSG2作為橋粒結構中具有細胞粘著力作用的主要蛋白，其功能缺失，可導致細胞黏附能力減弱，與腫瘤細胞的侵襲遷移、上皮間質轉化密切相關［26-27］，同時作為細胞表面跨膜糖蛋白，DSG2可接受胞內外信號并通過不同的信號通路對腫瘤細胞產(chǎn)生不同效應［28］。

4.3.1DSG2在腫瘤細胞中表達減低細胞間黏附以及細胞與基質間黏附在腫瘤細胞的早期侵襲過程中是重要的限制因素，腫瘤細胞通過對橋粒相關分子DSG2的影響降低腫瘤的侵襲遷移能力，導致腫瘤的不良預后［29］。在胰腺癌中DSG2表達明顯下降，細胞內聚力喪失，腫瘤細胞增殖侵襲遷移能力增強［30］，同時胰腺癌細胞株BxPC-3中激肽釋放酶（Kallikrein7，KLK7）明顯高表達，通過降解實驗表明DSG2的表達降低與KLK7有關，KLK7可促進DSG2降解成多個片段，而KLK7抑制劑可阻斷此過程。在75例胃癌臨床標本中DSG2表達明顯降低，且與胃癌患者不良預后明顯相關［31］。在鱗癌中EGFR和ADAM均可通過促進DSG2的降解脫落入胞，減少癌細胞黏附，促進細胞遷移［32］。DSG2是脫落酶家族ADAM17蛋白水解靶標，ADAM17在參與受體激活的同時，把跨膜蛋白DSG2在胞外區(qū)近錨定區(qū)斷開。DSG2蛋白被降解為：胞外區(qū)約95KD大小的蛋白和一個65KD膜上殘余片段，如果膜上殘余DSG2片段未被鄰近的cav-1/脂筏復合體結構及時降解清除，其在膜上的過多累積會破壞膜上橋粒結構，降低細胞黏附能力［18］?？傊珼SG2在胰腺癌，鱗癌等腫瘤細胞中表達減低，研究中主要的機制在于DSG2是細胞黏附結構橋粒相關蛋白，其表達減低對細胞黏附力影響導致細胞的侵襲、遷移能力增強，從而導致腫瘤的不良預后。

4.3.2DSG2在腫瘤細胞中表達增加DSG2蛋白在部分上皮性腫瘤，包括鱗癌、基底細胞癌、黑色素瘤、結腸癌、小細胞肺癌等均表達異常增高［33-36］。在惡性黑色素瘤中DSG2的表達和不良預后密切相關，且可調控血管生成擬態(tài)（vasculogenic mimicry，VM），即腫瘤不僅可促進血管生成，且可通過腫瘤細胞形成血管樣結構來重塑血液供應的方式，為腫瘤提供豐富血供，促進腫瘤生長。研究表明DSG2陽性的惡性黑色素瘤可以自行形成管狀樣結構，激活VM活性。DSG2是人類黑色素瘤中VM活性的重要調節(jié)因子，并提示該分子可能作為治療靶點，有可能抑制腫瘤的血液供應和轉移擴散［37］。

DSG2可通過對鱗癌腫瘤微環(huán)境的調節(jié)，對鱗癌的發(fā)生發(fā)展產(chǎn)生一定影響［38］。外泌體（extracellular vesicles，EVs）是存在于細胞間納米級大小的膜衍生囊泡，是攜帶脂類、蛋白質、遺傳物質的胞間信使，多是由腫瘤細胞分泌到血液和其他體液中，在調節(jié)腫瘤微環(huán)境和影響腫瘤的發(fā)病機制方面起著關鍵作用。Andrew等［37］在頭頸部鱗狀細胞癌中首次發(fā)現(xiàn)其外泌體富含有DSG2蛋白的C端片段，同時鱗癌細胞的DSG2異常高表達促進EVs釋放促有絲分裂的相關因子如表皮生長因子受體c-Src等，DSG2蛋白對EVs的調節(jié)是通過基質金屬蛋白酶和Cav1的胞外域脫落，與脂筏蛋白、微囊蛋白的聚集有關。并且頭頸部鱗癌患者癌細胞在DSG2過表達同時，其循環(huán)血液中被釋放的EVs中DSG2也更加豐富，這為癌癥篩查提供了新的途徑。上述研究說明DSG2不僅可作為黏附分子調節(jié)細胞間黏附，還可調節(jié)外泌體的分泌和旁分泌信號，并改變外泌體，使之分泌更多促有絲分裂相關因子，影響腫瘤微環(huán)境，促進腫瘤細胞生長。

在基底細胞癌中，相對于正常上皮基底組織，DSG2表達明顯增高，而DSG3表達無明顯改變［39］。在結腸腺癌中DSG2表達異常增高，DSG2的敲除使得癌細胞在體內外生長抑制無法成瘤，而DSC2表達增高，且DSC2的表達增高對癌細胞的增殖等活動有一定抑制作用。DSG2和DSC2在此處有著相反的調控作用，說明橋粒蛋白功能之間的相互牽制。在非小細胞肺癌中，DSG2表達異常增高，并且DSG2的敲除同樣抑制癌細胞的增殖，細胞周期在G1期被阻斷，此過程可能通過對周期蛋白依賴性激酶2的下調，轉錄因子P27的上調而實現(xiàn)的［35］。

上述研究表明，在不同的腫瘤細胞中，DSG2發(fā)揮著不同甚至相反的調節(jié)作用。DSG2在一些腫瘤細胞中表達下調，使得細胞間DSG2介導的黏附能力降低，促使細胞間黏附以及細胞和基質間黏附性減低，促進侵襲遷移，導致腫瘤患者的不良預后。但是在其他一些腫瘤細胞中，DSG2表達增高，DSG2作為細胞膜表面受體，可調控血管生成擬態(tài)，促進腫瘤血液供應，調節(jié)外泌體的旁分泌和外泌體釋放促有絲分裂的相關因子等，從而促進腫瘤細胞增殖。對于DSG2在腫瘤細胞調控中發(fā)揮不同甚至相反作用的現(xiàn)象，尚無明確的研究和解釋，有研究認為可能是因為在不同的腫瘤細胞，有關蛋白不同的表達水平和組織特異性，以及特定蛋白對之不同的調控機制，從而會出現(xiàn)DSG2發(fā)揮不同作用［40］。

4.4腺病毒感染在腺病毒亞型中，3，7，11，14亞型以及新亞型14p1，通過特異結合上皮細胞DSG2受體，導致感染的發(fā)生［41］。腺病毒和DSG2結合的部位，是由于組成腺病毒纖維紐結的氨基酸殘基的突變，其纖維紐結形成潛在的結合口袋，致使與DSG2特異性結合的親和力提高［42］。在小鼠的人乳腺，肺癌，前列腺癌移植瘤模型中，以及小鼠的人DSG2轉基因模型中，帶有重組二聚體腺病毒3型纖維紐結JO-1的腺病毒可通過識別DSG2受體，促進DSG2的胞外域降解，轉移入胞，從而降低細胞間連接。之后Yumul等［43］研究出親和力增強的JO-1衍生物JO-2，JO-4具有同樣作用。

腺病毒打開細胞間連接主要通過：磷酸激酶通路的激活和連接細胞骨架蛋白基因表達下調，即腺病毒突變的纖維紐結結合DSG2，激活MERK通路，激活去整合素金屬蛋白酶17，導致DSG2胞外域解裂；DSG2的胞外域被降解后，其和鄰近細胞形成的二聚體結構被打亂，細胞連接被打開［44］。研究表明在荷瘤小鼠的化療藥物中加入腺病毒衍生蛋白，相對于只加入化療藥物的小鼠，可明顯抑制腫瘤的生長；在小鼠模型中，雖未見腺病毒衍生蛋白的不良反應發(fā)生，但如果要進一步作為臨床用藥尚需更多的研究。在腫瘤細胞中，多數(shù)為上皮來源的腫瘤，即使部分惡性程度較高的腫瘤是未分化或低分化，仍然基本都存在細胞間相互連接，此結構作為腫瘤的防御機制，阻斷了宿主免疫系統(tǒng)的攻擊，并且阻隔了抗癌藥物和單克隆抗體的瘤內滲透和播散。腺病毒通過與DSG2的結合，打開細胞間連接，改善化療用藥的效果，降低用藥劑量，減少不良反應，對上皮細胞腫瘤的化學治療具有重要意義。同時，細胞外脫落的DSG2胞外域殘端還可作為臨床檢測的靶點［45］。

DSG2所導致相關疾病中，ARVC是和DSG2的基因突變有直接關系的常染色體隱性遺傳??；炎癥性腸病的易發(fā)和DSG2的表達缺失有相關性；腺病毒特異性識別DSG2的胞外段，可導致DSG2的內化和降解，細胞間連接斷開，促進藥物滲透，為化療輔助用藥提供途徑。DSG2在不同腫瘤細胞中的不同表達，也間接說明個體的特異性及細胞中分子通路的復雜性，DSG2在癌癥中的作用仍需要進一步研究［46-47］。

5 結語與展望

DSG2蛋白是橋粒芯蛋白家族4個亞型中分布最為廣泛的亞型，作為橋粒結構中主要介導細胞黏附力的跨膜糖蛋白，其突變與心肌疾病、腸道炎癥等疾病有直接關系。在多種腫瘤細胞中證實，DSG2異常缺失所導致的細胞黏附力下降，與癌細胞侵襲遷移能力增強以及癌癥的不良預后密切相關。但同時在鱗癌等細胞中DSG2也被證明異常高表達，通過對腫瘤微環(huán)境的作用：調節(jié)血管生成擬態(tài)，調節(jié)外泌體的釋放等方式，以及通過MARK/ERK信號通路的激活促進腫瘤細胞增殖。DSG2的在腫瘤中不同的作用，是不同信號通路還是其他調節(jié)因素導致，尚需進一步研究。DSG2在不同腫瘤及信號通路里發(fā)揮不同甚至相反作用的現(xiàn)象揭示了生物體的復雜性。DSG2在細胞間連接中的作用至關重要，阻斷此蛋白的JO-1等可作為化療用藥的協(xié)同用藥，改善化療藥效。阻斷DSG2在細胞中表達可以抑制腫瘤的血液供應，外泌體釋放和轉移擴散等作用，為腫瘤的靶向治療和預后評估等提供新的靶點分子。