整合素α3β1在相關皮膚病發(fā)病機制的研究進展

劉依和 陳志明 楊 勇

中國醫(yī)學科學院 皮膚病醫(yī)院(皮膚病研究所)遺傳病中心，南京,210042

整合素是細胞黏附分子家族的重要成員之一，是由α、β亞基組成的異源二聚體跨膜受體，廣泛表達于不同物種的細胞表面，是穩(wěn)定細胞間、細胞與細胞外基質(extracellular matrix，ECM)黏附的重要結構之一，同時可以參與細胞內外的雙向信號傳導[1]，調節(jié)細胞增殖、分化、遷移，在創(chuàng)傷修復、腫瘤侵襲和先天免疫過程中發(fā)揮著重要作用[2]。哺乳動物中至少存在18種α亞基和8種β亞基，這些亞基是分別由不同的基因所編碼的蛋白，α、β亞基之間以非共價鍵連接，選擇性地組成24種不同的異構體[3]。α、β兩種亞基都具有單獨的疏水跨膜結構域和胞內結構域，其中除整合素β4亞基外，其余整合素的胞內結構域僅由50個或更少的氨基酸組成，整合素α6β4因其特殊的胞內結構域，在表皮基底膜帶的半橋粒組裝中發(fā)揮重要作用[4]。此外，整合素α3β1也是輔助基底層角質形成細胞黏附的重要分子。

整合素α3β1是整合素家族中的重要成員之一，在維持真皮-表皮連接(dermal-epidermal junction，DEJ)中起到關鍵性作用，還參與了皮膚基底膜形成、創(chuàng)傷修復和腫瘤轉移等過程[5-7]。既往針對整合素α3β1的研究主要側重于其對腫瘤發(fā)生、轉移和預后評估的作用，近年關于整合素α3β1在皮膚組織中的表達及其對皮膚結構穩(wěn)定、傷口愈合、腫瘤微環(huán)境等多方面作用受到了重視，本文主要綜述整合素α3β1的功能及其在相關皮膚病發(fā)病機制中的作用。

1 整合素α3β1的結構及生物學功能

整合素α3β1是由α3和β1亞基特異性組成的異構體，兩個亞基都具有較大的胞外結構域、單次跨膜結構域和短小的胞內結構域，它們共同參與配體的識別和結合過程，從而保證配體的相對特異性。整合素與配體的識別模式分為四大類，其中三類整合素分子能夠通過識別特定的肽段從而結合不同的配體，這些特異性識別位點主要包括精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)、亮氨酸-纈氨酸-天冬氨酸(LVD)和甘氨酸-苯丙氨酸-吡咯賴氨酸-甘氨酸-谷氨酸-精氨酸(GFOGER)。第四類整合素分子，包括整合素α3β1、α6β1、α7β1和α6β4，能夠高選擇性的識別和結合層粘連蛋白(Laminin，LN)家族，這些整合素的α和β亞基分別結合配體的不同區(qū)域，且都不局限于特定序列。當募集到細胞外基質配體后，整合素α3β1的胞內結構域借助機械敏感分子Talin和Kindlin與細胞骨架相連，調節(jié)細胞骨架肌動蛋白絲的重組并加強細胞與ECM的黏附。

在表皮中，整合素α3β1主要表達在基底層角質形成細胞中，通過與ECM中的特定配體結合，穩(wěn)定角質形成細胞與基底膜的黏附結構[8]。表皮基底膜帶中包含大量豐富的ECM成分，如Ⅳ型膠原、Ⅶ型膠原、纖維連接蛋白、LN-332、LN-311、LN-321、LN-511和LN-521等，其中LN-332與整合素α6β4相互作用進而參與半橋粒的組裝。整合素α3β1的配體主要為LN家族的特定成員，包括LN-332及LN-511等，與配體結合后協同穩(wěn)定細胞黏附、調節(jié)細胞遷移、誘導細胞骨架重組并參與基底膜發(fā)育[9，10]。既往認為，整合素α3β1和α6β4在增殖活躍的表皮基底層高表達，而在缺乏相應配體的上層分化細胞中表達量較低，這提示了其可能參與細胞增殖，并在細胞增殖向細胞分化轉變的過程中具有一定的調節(jié)作用。其內在機制可能是通過下調整合素α3β1和α6β4的表達實現基底層角質形成細胞對基底膜的去黏附，進而抑制細胞骨架相關蛋白合成，激活C-myc誘導細胞分化[11]。但近年來，有研究進一步表明在基底淺層角質形成細胞中，整合素α3β1通過與膜蛋白CD151相互作用，介導不依賴于LN-332的細胞活動。在人體發(fā)育的不同階段，整合素的表達模式也存在差異，整合素α3亞基在嬰幼兒皮膚中低表達[12]，而嬰幼兒的傷口愈合一般不伴瘢痕形成，這提示整合素α3亞基可能在瘢痕愈合中起一定作用。

整合素α3β1為多種細胞活動提供了關鍵信號分子，并參與人體多個器官譬如乳腺、腎臟及神經纖維的發(fā)育，Itga3基因全身敲除的小鼠會胚胎致死也進一步證實了其在發(fā)育階段的重要作用[13]。在組織創(chuàng)傷后，整合素α3β1通過胞內轉運集中分布至細胞基底面，激活下游局部粘著斑激酶(focal adhesion kinase, FAK)、Src等信號通路，為基底膜修復提供關鍵信號分子[1，14]。與此同時，整合素α3β1通過胞外信號調節(jié)激酶(ERK)/絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)、整合素連接激酶(ILK)等通路[15]影響多種細胞因子的表達，包括血管內皮生長因子(VEGF)、基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)、轉化生長因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)等，直接或間接地調節(jié)細胞外微環(huán)境，參與調控皮膚穩(wěn)態(tài)的復雜網絡。

2 整合素α3β1參與相關皮膚病的發(fā)病機制

2.1 上皮-間充質連接 上皮-間充質的相互作用維持著組織發(fā)育和再生過程中的穩(wěn)態(tài)，這一過程有眾多受體及其配體參與，進行一系列復雜而有序的調控[16]。整合素受體在不同細胞表面廣泛表達，是細胞和細胞微環(huán)境相互作用的核心媒介之一。在皮膚中，DEJ是介導表皮與真皮黏附連接的重要結構，幫助皮膚抵御外界剪切力。位于基底細胞基底面的整合素α3β1參與構成皮膚基底膜帶，在維持DEJ中發(fā)揮著重要作用。與此同時，整合素α3β1還參與維持腎小球基底膜和毛細血管基底膜的穩(wěn)定。足細胞借助整合素α3β1錨定在腎小球基底膜的LN上，整合素α3β1的表達改變或功能缺損會導致足細胞粘附性下降、脫落，從而影響腎小球濾過屏障。整合素α3β1同時協助毛細血管內皮細胞的黏附，并在血管重塑階段作為抗血管生成因子血管能抑素(Canstatin)的配體發(fā)揮作用。

ITGA3基因編碼人類整合素α3亞基，其純合功能缺失突變引起ITGA3蛋白無功能或者表達缺失，會破壞人體皮膚、肺臟和腎臟的上皮-間充質連接，導致一種罕見的常染色體隱性遺傳病，主要表現為皮膚脆性增加，可伴有肺臟和腎臟的損害，稱作間質性肺病、腎病綜合征和表皮松解癥綜合征(interstitial lung disease，nephrotic syndrome and epidermolysis bullosa，ILNEB)[17]。ILNEB因多系統(tǒng)受累，研究報道患兒多在數月內死亡[18]，最近也有研究報道了一些ITGA3錯義突變可導致非致死性ILNEB,推測這些突變體保留了ITGA3部分功能[19]。ILNEB皮膚表現符合遺傳性大皰表皮松解癥(epidermolysis bullosa，EB)，最新的EB分類已將ILNEB歸為與ITGA3相關的交界型EB[20]。EB臨床表現相似，基因檢測能夠明確診斷，并有助于疾病分型和預后評估。進一步功能研究發(fā)現ITGA3基因功能喪失后，不僅表現為DEJ結構異常，還會進一步影響細胞內、外的蛋白組成。蛋白組學分析顯示ILNEB患者的角質形成細胞分泌蛋白中約30%的表達量有所改變，自主產生富含纖維蛋白的微環(huán)境[16，21]。同時皮膚組織整合素αv的表達明顯上調[21]，這可能會引起TGF-β1的空間限制性激活，進而激活成纖維細胞合成ECM蛋白。但尚未明確這種細胞外環(huán)境的改變是代償性上調，還是由整合素α3β1的下游信號通路所介導的。ILNEB患者皮膚組織中LN-332和LN-511各亞單位的表達均有所上調[21]，但沉積到ECM中的成熟結構并未隨之增加[16]，這反映了角質形成細胞中整合素α3在將層粘連蛋白組裝到ECM中起關鍵性作用。由此可見，整合素α3β1功能缺失介導的DEJ受損伴隨著基底膜結構破壞、重要粘附蛋白失調、細胞微環(huán)境改變等病理過程。

2.2 傷口愈合 傷口愈合是一個多組織共同參與、高度協調的復雜過程，以實現創(chuàng)口閉合、損傷組織修復、皮膚屏障恢復[22]。主要劃分為炎癥期、增生期和修復期，不同時期并非完全獨立，彼此會有交叉重疊[5]。在不同時期中，ECM的組成及其結構會隨之連續(xù)變化，從而為參與不同時期的損傷修復細胞提供信號傳導和結構支撐，保證傷口愈合有序而連貫的進行[23]。ECM的物理和化學性質的改變，會引起病理性愈合，如慢性傷口和瘢痕增生等[23，24]。皮膚完整性破壞時，炎癥細胞釋放炎癥因子，促進角質形成細胞、成纖維細胞、血管內皮細胞分泌合成ECM，不同的整合素與ECM 相互作用，促進傷口收縮、新生毛細血管和肉芽組織的形成，傷口床周圍的角質形成細胞在不斷變化的ECM上遷移、增殖、分化，實現表皮結構的正常修復。同時，整合素與ECM相互作用可以促進基底膜的成熟，成熟基底膜的形成對于恢復新生表皮的屏障功能和真皮組織的支撐作用至關重要。

在傷口愈合的過程中，整合素α3β1介導細胞初始黏附，改變傷口床微環(huán)境，促進細胞增殖、遷移，在創(chuàng)傷后皮膚結構再生和功能恢復中都起到關鍵性作用[25]。整合素α3β1與ECM相互作用下調TGF-β1抑制劑Smad7的表達，激活下游MMP-9等分子[26]并增加其mRNA穩(wěn)定性[27]，MMP-9在促進細胞外基質重塑和血管生成的過程中具有重要作用[28]。整合素α3β1下游分子以旁分泌作用于臨近細胞，促進角質形成細胞的遷移、新生血管生成，加速再上皮化形成新的表皮結構[29]。當傷口深及真皮層時，整合素α3β1促進角質形成細胞分泌IL-1，誘導成纖維細胞向肌成纖維細胞轉變，促進傷口收縮[30]。此外，還有其它整合素分子參與傷口愈合的過程，不同整合素分子時空特異性地協同和/或制約，形成一張復雜的調控網絡。整合素α9β1可以阻斷整合素α3β1下游FAK的磷酸化，從而抑制下游細胞因子的釋放，減弱其旁分泌的生物學功能。在傷口愈合修復期，整合素α9β1表達競爭性上調，防止在整合素α3β1的持續(xù)誘導下出現異常血管增生[31]。整合素的相互牽制也體現在基底膜的構建中，LN-332γ2鏈的水解是基底膜成熟的標志，整合素α3β1激活mTLD/BMP-1信號通路可以促進LN-332γ2鏈的水解，成熟的基底膜可以進一步誘導基底層角質形成細胞的有序分裂，而整合素α9β1會抑制這一過程[32]。但在不同整合素分子之間起調節(jié)作用的關鍵信號分子及其機制仍不明確，未來進一步闡明這些問題可為靶向整合素來促進傷口愈合的藥物開發(fā)提供理論支撐。

2.3 皮膚腫瘤 皮膚基底細胞癌和鱗狀細胞癌是最常見的皮膚腫瘤，闡明其發(fā)生的分子機制是精準預防和治療的前提。整合素α3β1在皮膚腫瘤組織的角質形成細胞中高表達[27]，在DMBA/TPA誘導的皮膚腫瘤模型研究中明確了其在皮膚腫瘤的發(fā)生中起關鍵性作用。表皮Itga3基因敲除小鼠誘導的皮膚腫瘤數量和體積都明顯減少，腫瘤組織周圍的纖維蛋白-2和巨噬細胞集落刺激因子1(CSF1)也明顯下調[6]。此外，毛囊干細胞通過整合素α3β1調節(jié)結締組織生長因子2(CCN2)的分泌，促進腫瘤細胞的集落形成和3D生長，從而誘導皮膚腫瘤的發(fā)生[29]。這表明整合素α3β1可以通過影響皮膚腫瘤微環(huán)境，調節(jié)腫瘤細胞的增殖和凋亡，有望成為腫瘤治療的潛在靶點。既往認為整合素α3β1只會影響腫瘤細胞依賴于LN-332的細胞黏附和運動能力，但最近有研究發(fā)現當整合素α3β1與CD151形成復合物后，可以在腫瘤組織的中央區(qū)域激活角質形成細胞的Akt/STAT3信號通路，促進腫瘤的早期生長，這是皮膚腫瘤發(fā)生早期的重要機制[7]，同時也提示了整合素α3β1的功能不僅局限于基底層角質形成細胞。但是另有研究表明表皮Itga3敲除小鼠中鱗狀細胞癌進展為未分化浸潤性癌的概率有所增加[33]，這似乎存在矛盾的地方。未來研究中需要進一步闡明整合素α3β1在不同時期的具體功能。雖然整合素α3β1在黑素細胞中表達量很少，但既往體外試驗證實黑素細胞細胞膜表達α3亞單位，并且其能夠增強細胞遷移[34]。近期研究也在黑素瘤的體外3D模型中進一步證實了整合素α3β1對腫瘤細胞的聚集有核心調控作用[35]，這為皮膚黑素瘤的輔助治療提供了新的思路。上述的研究提示了整合素α3β1在腫瘤形成中扮演重要角色，但仍需進一步研究以闡明在腫瘤進展過程中，整合素α3β1是如何被激活并促進腫瘤侵襲，針對其機制的研究有助于在整合素效應分子水平尋找治療靶點。

3 總結

整合素α3β1與ECM相互作用，通過激活不同的信號通路調節(jié)細胞微環(huán)境，介導細胞增殖、分化、黏附和遷移等，參與基底膜的形成、維持真皮-表皮連接、促進傷口愈合和皮膚腫瘤發(fā)生。不同整合素分子與不同ECM相互作用，構成一個復雜的時空調控網絡，在維持皮膚結構和功能穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用。然而，仍有一些問題亟待解決：不同整合素分子的功能差異以及其相互之間的調控機制還需進一步研究；傷口愈合過程中基底淺層角質形成細胞中整合素α3β1的表達情況及其功能有待進一步闡明；整合素α3β1介導的 ECM動態(tài)重塑是皮膚損傷修復的核心，這一動態(tài)改變如何參與損傷修復過程中的血管重塑？整合素α3β1在皮膚腫瘤的形成中是如何被激活并促進腫瘤侵襲？對這些問題的研究，有助于進一步明確整合素α3β1的功能及其在相關皮膚病發(fā)病機制中的作用，進而為傷口愈合、瘢痕控制、皮膚腫瘤的輔助治療等臨床相關問題提供新的思路。