踝蛋白的功能及其研究進(jìn)展

阿依木古麗·艾尼 葉建蔚 李靜

[摘要] 踝蛋白（Talin）作為整合素激活及信號傳導(dǎo)過程中的重要蛋白，介導(dǎo)細(xì)胞運(yùn)動，是細(xì)胞運(yùn)動相關(guān)疾病發(fā)生發(fā)展的重要調(diào)控蛋白。它控制整合素（integrin）由內(nèi)向外（inside-out）激活及肌動蛋白（action）絲錨定，對肌動蛋白-細(xì)胞外基質(zhì)間機(jī)械耦合的建立起重要作用。Talin對內(nèi)皮祖細(xì)胞（EPCs）的黏附、分化具有調(diào)節(jié)作用，因此與多種心血管等疾病的起病及病程的進(jìn)展息息相關(guān)，此外在腫瘤的發(fā)生、轉(zhuǎn)移及治療中也發(fā)揮重要作用。本文就Talin的結(jié)構(gòu)、其在細(xì)胞黏附動力學(xué)中的生物學(xué)特征，及對相關(guān)心血管等疾病的調(diào)控作用等方面做一全面闡述。

[關(guān)鍵詞] 踝蛋白;生物學(xué)特征;功能;整合素信號通路

[中圖分類號] R730.2? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1673-7210（2019）09（c）-0037-04

Function and research progress of ankle protein

Ayimuguli Aini1，2? ?YE Jianwei3? ?LI Jing1

1.School of Basic Medicine， Xinjiang Medical University， Xinjiang Uygur Autonomous Region， Urumchi? ?830011， China; 2.the First Clinical Medical College， Xinjiang Medical University， Xinjiang Uygur Autonomous Region， Urumchi? ?830054， China; 3.Cancer Center， the First Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University， Xinjiang Uygur Autonomous Region， Urumchi? ?830054， China

[Abstract] Talin （ankle protein） as an important protein in integrin activation and signal transduction， Talin mediates cell movement and is an important regulatory protein in the occurrence and development of motion-related diseases. It controls integrin activation from inside-out and action wire anchoring， and plays an important role in the establishment of mechanical coupling between actin and extracellular matrix. Talin regulates the adhesion and differentiation of endothelial progenitor cells （EPCs）， so it is closely related to the onset and progression of various cardiovascular diseases. In addition， Talin also plays an important role in the occurrence， metastasis and treatment of tumors. In this paper， the structure of Talin， its biological characteristics in cell adhesion dynamics， and its regulatory role in related cardiovascular diseases were comprehensively described.

[Key words] Talin; Biological characteristics; Function; Integrin signaling pathway

踝蛋白（Talin）是一種細(xì)胞骨架蛋白，對細(xì)胞的黏附動力有重要調(diào)控作用，參與血管內(nèi)皮祖細(xì)胞的分化以及血管平滑肌細(xì)胞的增殖，與心血管疾病、腎臟疾病和有些慢性肌病的發(fā)生發(fā)展有關(guān)，尤其是在動脈粥樣硬化（atherosclerosis，AS）、主動脈夾層等心血管疾病中有至關(guān)重要的作用。另外，Talin與多種癌癥的發(fā)展進(jìn)程及轉(zhuǎn)移密切相關(guān)，其相關(guān)研究多集中在食管鱗癌、肝癌、結(jié)腸癌、前列腺癌、乳腺癌等方面。本文將對目前Talin的生物學(xué)特征以及相關(guān)疾病發(fā)生發(fā)展中的作用研究作一綜述。

1 Talin的結(jié)構(gòu)

Talin作為一個大分子量蛋白，由2541個氨基酸組成，長度約為60 nm，大小270 kDa[1-2]。N端含有1個由four-point-one-protein、ezrin、radixin、moesin構(gòu)成的結(jié)構(gòu)域，為FERM結(jié)構(gòu)域，Talin與其他含有FERM結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)不同的是具有F0、F1、F2、F3等4個亞區(qū)域[2]，而不是典型的F1、F2、F3結(jié)構(gòu)域;C端尾部包含R1～R13的13個結(jié)構(gòu)域，R1～R13由62個兩親性α-螺旋組成，排列成四螺旋（R2，R3，R4和R8）和五螺旋（R1、R5、R6、R7、R9、R10、R11、R12和R13）束結(jié)構(gòu)域[3]。

Talin具有兩個整合素結(jié)合位點，其中頭部末端的FERM結(jié)構(gòu)域中的F3亞區(qū)即為整合素的一個結(jié)合位點，通過先與整合素β尾區(qū)的天冬酰胺-脯-Xaa-酪氨酸模體結(jié)合，再與近模螺旋體結(jié)合，從而激活整合素[2];另一個結(jié)合位點在C端尾部的末端，是與整合素αⅡb結(jié)合位點1（integrin binding site 1，IBS1）[4]。肌動蛋白結(jié)合結(jié)構(gòu)域中，ABD1結(jié)構(gòu)域在N端，ABD2和ABD3結(jié)構(gòu)域在C端[5]。隨著對Talin的深入研究，Talin桿部的功能也越來越突出，尤其是IBS2結(jié)構(gòu)域在整合素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中所起的作用如今日益受關(guān)注[4]。在敲除Talin的細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)僅轉(zhuǎn)入Talin頭部時可使整合素活化，但不能發(fā)揮完整的功能，只有轉(zhuǎn)入全長的Talin時才能產(chǎn)生細(xì)胞骨架蛋白和細(xì)胞外基質(zhì)間的連接[6]。

2 Talin與整合素

整合素是一種重要的信號分子及細(xì)胞表面黏附分子，由α和β亞基構(gòu)成，兩種亞基通過非共價鍵鏈接形成異源二聚體結(jié)構(gòu)[7]。Talin作為整合素活化的關(guān)鍵蛋白，在整合素激活的inside-out的信號傳遞過程中，促進(jìn)細(xì)胞外功能區(qū)的親和力增強(qiáng)，使其頭部與整合素β尾區(qū)結(jié)合，從而改變整合素跨膜區(qū)的穩(wěn)定性，引發(fā)整合素胞外區(qū)域重排列及抑制αⅡb與β3尾部間的相互作用使整合素的構(gòu)象改變而活化[8]。見圖1。Talin通過激活、調(diào)控整合素而介導(dǎo)細(xì)胞的生物學(xué)行為，調(diào)控免疫性、AS等心血管性疾病的發(fā)生發(fā)展和腫瘤細(xì)胞的遷移[9]。

Talin為整合素和肌動蛋白細(xì)胞骨架之間建立直接的聯(lián)系[10]，參與細(xì)胞骨架中outside-in的信號傳導(dǎo)及整合素激活過程中的inside-out的信號傳導(dǎo)，發(fā)揮細(xì)胞內(nèi)外的橋梁作用[9]?？梢姡琓alin作為整合素活化的重要調(diào)控蛋白，在細(xì)胞運(yùn)動遷移、細(xì)胞骨架形態(tài)改變及各種疾病的發(fā)生發(fā)展中有著極其重要的作用[11]。

3 Talin的生物學(xué)功能

3.1 Talin在細(xì)胞黏附動力學(xué)中的作用

細(xì)胞黏附的形成依賴細(xì)胞表面的黏附分子之間的相互作用，這種相互作用由細(xì)胞表面受體和底物的相應(yīng)配體的結(jié)合所介導(dǎo)[12]。細(xì)胞黏附在細(xì)胞的信息傳遞中具有重要的作用，研究[13]發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞黏附的改變在骨關(guān)節(jié)疾病、腫瘤及AS等很多疾病的發(fā)生發(fā)展中起決定性作用，細(xì)胞黏附的細(xì)胞機(jī)械力正在成為控制黏附生長、成熟和細(xì)胞遷移的關(guān)鍵因素[14]。研究[15]表明，細(xì)胞黏附的形成過程中需要結(jié)構(gòu)蛋白和調(diào)節(jié)蛋白等多種蛋白質(zhì)參與，但是既能與整合素又能與肌鈣蛋白直接連接的蛋白質(zhì)僅有Talin、細(xì)絲蛋白（filamin）、α-肌動蛋白等，由此可見，Talin在細(xì)胞黏附的形成及發(fā)揮功能中有非常重要的作用，也日益受到關(guān)注。

3.2 Talin與細(xì)胞骨架（CSK）的關(guān)系

細(xì)胞的生物學(xué)行為、細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變及細(xì)胞的功能出現(xiàn)異常均與細(xì)胞骨架發(fā)生重塑有關(guān)，維持細(xì)胞正常的結(jié)構(gòu)和功能依賴于細(xì)胞骨架的微絲、中間絲和微管等成分的高度整合;癌癥等轉(zhuǎn)移性疾病中，癌細(xì)胞發(fā)生轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)是細(xì)胞骨架發(fā)生重塑[16]。

Talin作為被招募至黏著斑復(fù)合體的細(xì)胞骨架蛋白及肌動蛋白結(jié)合蛋白，對細(xì)胞骨架的組織，骨架與細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）的聯(lián)系都至關(guān)重要[17]。Talin的關(guān)鍵作用在于整合素的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為其ECM配體的高親和力構(gòu)象[18]。整合素的胞外區(qū)受到刺激后將刺激傳遞給胞內(nèi)時，整合素的β亞單位與細(xì)胞骨架之間發(fā)生偶聯(lián)，并且將刺激轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)信號，進(jìn)而引起細(xì)胞骨架、細(xì)胞核及細(xì)胞質(zhì)發(fā)生一系列反應(yīng)[19]。整合素α鏈與β鏈尾部的螺旋結(jié)構(gòu)中，有疏水區(qū)及靜電壓力結(jié)合區(qū)，當(dāng)這區(qū)域間的作用被Talin構(gòu)象改變而受到影響時，整合素的結(jié)構(gòu)也發(fā)生改變，即細(xì)胞骨架對整合素產(chǎn)生outside-in的調(diào)節(jié)，從而影響力信號的轉(zhuǎn)化和信號在整合素上的傳導(dǎo)[20]，Talin在這信號傳導(dǎo)過程中發(fā)揮樞紐作用。由此可見，Talin激活整合素的作用與細(xì)胞骨架形態(tài)改變以及信號傳導(dǎo)，提供機(jī)械力等方面有密切關(guān)系，具體作用仍然需要進(jìn)一步的研究。

3.3 Talin在切應(yīng)力促血管內(nèi)皮祖細(xì)胞（EPCs）分化過程中的作用

內(nèi)皮細(xì)胞損傷與心血管疾病的發(fā)生發(fā)展息息相關(guān)，如AS是影響人類健康的危險因素之一，最近發(fā)生率的升高使其成為研究熱點。有研究[21]表明，AS發(fā)生過程中內(nèi)皮細(xì)胞的損傷是很重要的因素，而內(nèi)皮的修復(fù)對AS的治療有重要意義。內(nèi)皮祖細(xì)胞作為血管內(nèi)皮細(xì)胞的前提細(xì)胞，其結(jié)構(gòu)和功能的研究一直受人們關(guān)注。

目前研究[22]發(fā)現(xiàn)，血液流動產(chǎn)生的切應(yīng)力可以促進(jìn)內(nèi)皮祖細(xì)胞增殖分化。Talin在細(xì)胞黏附，分化等生物學(xué)行為中的作用已得到驗證，而在細(xì)胞外基質(zhì)-整合素-細(xì)胞骨架系統(tǒng)中，Talin也是個重要的信號分子[23]，多項研究已證明Talin在整合素的激活，以及對于黏附的調(diào)控，在細(xì)胞遷移中有至關(guān)重要的作用[24]，所以考慮Talin對血管內(nèi)皮祖細(xì)胞的分化的也有調(diào)節(jié)作用。在Talin、FAK、paxillin對切應(yīng)力促進(jìn)內(nèi)皮祖細(xì)胞分化的調(diào)節(jié)實驗中發(fā)現(xiàn)[25]，Talin主要位于胞漿表達(dá)，而且聚集在細(xì)胞核的周圍，表達(dá)量豐富;而切應(yīng)力作用以后，Talin表達(dá)量減少，表明切應(yīng)力作用后Talin的表達(dá)量發(fā)生變化。由此推測，Talin作為機(jī)械耦合建立中的重要蛋白，可能對切應(yīng)力促內(nèi)皮祖細(xì)胞的分化過程起了調(diào)節(jié)作用，參與了切應(yīng)力調(diào)控內(nèi)皮祖細(xì)胞分化的跨膜信號傳導(dǎo)。因此認(rèn)為Talin的表達(dá)水平發(fā)生變化與AS的發(fā)病并病情的進(jìn)展以及AS的診斷治療有密切的關(guān)系，Talin有望成為AS的發(fā)病機(jī)制及治療研究中的新靶點。

3.4 Talin在疾病中的作用

Talin在細(xì)胞黏附動力學(xué)、細(xì)胞骨架及其發(fā)生重塑、內(nèi)皮細(xì)胞的分化中具有重要作用，其異常表達(dá)與腫瘤、主動脈夾層、腎臟疾病、多發(fā)性硬化、漸進(jìn)性肌病等多種疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。研究[26]發(fā)現(xiàn)，Talin的表達(dá)水平在正常組織及腫瘤組織中存在明顯差異，口腔鱗狀細(xì)胞癌、食管癌、肝癌、結(jié)腸癌、前列腺癌、乳腺癌、卵巢癌等多種癌癥中的相關(guān)研究證明，Talin在腫瘤細(xì)胞遷移、侵襲和預(yù)測患者預(yù)后等方面有非常重要的作用，可作為治療腫瘤的新型分子靶點及診斷指標(biāo)。

肌纖維與ECM的黏附是骨骼肌發(fā)育和發(fā)揮功能的關(guān)鍵，β1整合素是骨骼肌中的ECM受體，控制成肌細(xì)胞融合、肌纖維細(xì)胞骨架的組裝和肌腱連接的維持（maintenance of myotendinous junctions，MTJs）;通過對骨骼肌中缺乏Talin1的小鼠出現(xiàn)MTJs逐漸失效，小鼠患有漸進(jìn)性肌病[27]。由此推測，Talin與漸進(jìn)性肌病的發(fā)生有關(guān)。

主動脈夾層發(fā)生的病理過程中血管發(fā)生病理性的重塑起著重要作用[28]。主動脈壁正常的結(jié)構(gòu)和功能特性的維持關(guān)鍵在于血管平滑肌細(xì)胞[29]，其異常增殖和遷移、功能的改變通過影響血管介質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性引起病理性血管重塑和血管疾病的發(fā)生[30]。通過從器官捐獻(xiàn)者和主動脈夾層患者中獲取標(biāo)本，對Talin與主動脈夾層血管平滑肌細(xì)胞增殖和遷移的關(guān)系進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)[31]，Talin主要在人主動脈樣本中表達(dá)，在發(fā)生主動脈夾層的組織中，Talin的表達(dá)水平下降;而且其表達(dá)下調(diào)增強(qiáng)了血管平滑肌細(xì)胞的增殖和遷移能力，因此認(rèn)為Talin參加了主動脈夾層的發(fā)生，也有望成為主動脈夾層治療的新靶點。

腎臟疾病的研究中發(fā)現(xiàn)，Talin的結(jié)合位點中，存在于足細(xì)胞中表達(dá)的KANK蛋白的易位位點，如果突變，則導(dǎo)致腎病綜合征[32];通過對足細(xì)胞中幾種蛋白質(zhì)的表達(dá)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，足細(xì)胞發(fā)育過程中缺乏Talin-1的小鼠出生后患有腎功能衰竭[33]。多發(fā)性硬化是一種自身免疫性脫髓鞘疾病，而此類患者有一種自身抗體，即抗Talin1抗體，由此推測多發(fā)性硬化患者血清中的可溶性Talin1的水平與此病發(fā)生發(fā)展具有一定的關(guān)系，通過酶聯(lián)免疫吸附測定的方法對多發(fā)性硬化患者的血清可溶性Talin1的水平進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，多發(fā)性硬化患者血清可溶性Talin1的水平升高，因此認(rèn)為血清可溶性Talin1可能在多發(fā)性硬化發(fā)病中起作用，機(jī)制仍需深入研究[34]。

4結(jié)語和展望

綜上所述，Talin作為重要的細(xì)胞骨架蛋白和調(diào)控蛋白，通過激活整合素，從而介導(dǎo)細(xì)胞運(yùn)動，又作為一個多功能的蛋白，不僅在整合素和細(xì)胞骨架之間發(fā)揮調(diào)控作用，可以通過不同的作用機(jī)制在不同的細(xì)胞環(huán)境中發(fā)揮特定的功能。而且也有研究[18]認(rèn)為，整合素發(fā)揮作用需要Talin的激活調(diào)控，而Talin發(fā)揮作用可能不需要整合素起作用。如今，隨著對Talin蛋白結(jié)構(gòu)、功能，以及與其他蛋白間相互作用的廣泛研究[26-34]表明，Talin在多種疾病的發(fā)生發(fā)展過程中的作用成為研究熱點。心血管疾病對人類危害的加重以及隨著對Talin的研究的深入，Talin在心血管疾病中的作用越來越突出，尤其是在AS的發(fā)病和治療方面的作用日益受關(guān)注。這些也將會是以后的研究中的熱點及努力的重點方向。

[參考文獻(xiàn)]

[1]? Geiger B，Spatz JP，Bershadsky AD. Environmental sensing through focal [J]. Nat Rev Mol Cell，2009，10（1）：21-33.

[2]? Goult BT，Kopp PM，Elliott PR，et al. The structure of the talin head reveals a novel extended conformation of the FERM domain [J]. Structure，2010，18（10/13）：1289-1299.

[3]? Gingras AR，Bate N，Goult BT，et al. The structure of the C-terminal actin-binding domain of talin [J]. Embo，2008，27（2）：458-469.

[4]? Gingras AR，Ziegler WH，Bobkova A，et al. Structuraldetemina ofintegrin bindingto the Lalin rod [J]. Biol Chem，2009，284（13）：8866-8876.

[5]? Das M，Subbayya Ithychanda S，Qin J，et al. Mechanisms of talin dependent integrin signaling and crosstalk [J]. Biolchim Biophys Acta，2014，1838（2）：579-588.

[6]? Zhang X，Jiang G，Cai Y，et al. Talin depletionreveals ind ependence of initial cell spreading from integnin activation and traction [J]. NatCell Biol，2008，10（9）：1062-1068.

[7]? Humphries JD，Byron A，Humphries MJ. Interin ligands at a glance [J]. Cell Sci，2006，119（19）：3901-3903.

[8]? Shattil SJ，Kim C，Ginsberg MH. The final steps of integrin activation：the end game [J]. Nat Rev Mol Cell Biol，2010，11（4）：288-300.

[9]? Luo BH，Springer TA. Integrin structures and conformational signaling [J]. Curr Opin Cell Biol，2006，18（5）：579-586.

[10]? Critchley，DR. Biochemical and structural properties of the integrin associated cytoskeletal protein talin [J]. Annu Rev Biophys，2009，38，235-254.

[11]? Zhu J，Luo BH，Xiao T，et al. Structureofa complete integrin ectodomain in a physiologic resting state and activation and deactivation byapplied forces [J]. Molecular cell，2008，32（6）：849-861.

[12]? Samadi-Dooki A，Shodia Hmmalekmotiei L. The effect of the physical properties of the substrate on the kinetics of cell adhesion andcrawling studied by an axisymmetric diffusion-energy balance coupled model [J]. Soft Matter，2015，14，11（18）：3693-3705.

[13]? Khalili AA，Ahmad MR. A Review of Cell Adhesion Studies for Biomedical and Biological Applications，Int [J]. Mol Sci，2015，16（8）：18149-18184.

[14]? Paszek MJ，Dufort CC，Rossier O，et al. The cancer glycocalyx mechanically primes integrinmediated growth and survival [J]. Nature，2014，511（7509）：319-325.

[15]? Zaidel -Bar R，Geiger B. The switchable integrin adhesome [J]. Cell Sci，2010，123（9）：1385-1388.

[16]? Fife CM，Mccarroll JA，Kavallarisbr M. Movers and shakers：cell cytoskeleton in cancer metastasis [J]. Br Pharmacol，2014，171（24）：5507-5523.

[17]? Shattil SJ， Kim C，Ginsberg MH. The final steps of integrin activation：the end game [J]. Nat Rev Mol Cell Biol，2010，11（4）：288-300.

[18]? Klapholz B，Brown NH. Talin- the master of integrin adhesions [J]. Cell Sci，2017，130（15）：2435-2446.

[19]? Lower RF. Integrins and chondrocyte-matrix interactions in articular cartilage [J]. Matrix Biol，2014，39：11-16.

[20]? Liu W，Guan NZ，Deng X，et al. Effect of integrin beta1 on adhesion and migration of humantrophoblast cells [J]. Biol Chem，2010，27（1）：67.

[21]? Mannarino E，Pirro M. Endothelial injury and repair a novel theory for atherosclerosis [J]. Angiology，2008，59（2）：69-72.

[22]? Yamamoto K，Takahashy T，Asahara T，et al. Proliferation，differentiation，and tube formation by endothelial progenitor cells in response to shear stress [J]. Appl Physiol，2008，95（5）：2081-2088.

[23]? Parsons J. Focal adhesion kinase：the first ten years [J]. Cell Sci，2008，11（6）：1409-1416.

[24]? Akagi T，Murata K，Shishido T，et al. V-Crk activates the phosphoinositide 3-Kinase/AKT pattway by utilizing focal adhesion kinase and? H-Ras [J]. Mol Cell Biol，2009， 20（2）：7015-7023.

[25]? Peti v，Thiery JP. Focal adhesions：structure and dynamics [J]. Biol Cell，2000，92（7）：477-494.

[26]? Shen J，He XZ，Jiang JT. Advances in the expression and role of talin protein in cancer cells [J]. Chin J Clin Lab Sci，2017，35（7）：525-526.

[27]? Conti FJ，F(xiàn)elder A，Monkley S，et al. Progressive myopathy and defects in the maintenance of myotendinous junctions in mice that lack talin1 in skeletal muscle [J]. Development，2008，135（11）：2043-2053.

[28]? Yang CP，Hsu CP，Chen WY，et al. Aortic remodeling after endovascular repair with stainless steel-based stent graft in acute and chronic type b aortic dissection [J]. Vasc Surg，2012，55（6）：1600-1610.

[29]? Golledge J，Eagle Ka. Acute aortic dissection [J]. Lancet，2008，372（9632）：55-66.

[30]? Satoh K，Matoba T，Suzuki J，et al. Cyclophilin A mediates vascular remodeling by promoting inflammation and vascular smooth muscle cell proliferation [J]. Circulation，2008，117（24）：3088-3098.

[31]? Wei X，Sun Y，Wu Y，et al. Downregulation of Talin-1 expression associates with increased proliferation and migration of vascular smooth muscle cells in aortic dissection [J]. BMC Cardiovascular Disorders，2017，17（1）：162.

[32]? Gee HY，Zhang F，Ashraf S，et al. KANK deficiency leads to podocy tedys functionandne-phrotic syndrome [J]. Clin Invest，2015，125（6）：2375-2384.

[33]? Tina X，Kim JJ，Monkley SM，et al. Podocyte-associated talin1 is critical forglomeru-larfiltration barrier maintenance [J]. Clin Invest，2014，124（3）：1098-1113.

[34]? Muto M，Mori M，Liu J，et al. Serum soluble Talin-1 levels are elevated in patients with multiple sclerosis，reflecting its disease activity [J]. Neuroimmunol，2017， 305：131-134.

（收稿日期：2019-03-05? 本文編輯：封? ?華）