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编号:10258670
生物体研究的新方向——细胞外基质和细胞粘附因子
http://www.100md.com 《解剖学报》 1999年第2期
     作者:史小林

    单位:史小林 首都医科大学生殖医学研究室,北京,100054

    关键词:

    解剖学报990227 多年来细胞一直是生物界的研究重点。而近年来研究者们开始关注将细胞连在一起的细胞外基质(extracellular matrix, ECM)[1~5],并提出单细胞动物的进化论虽未统一,但进化中ECM是必不可少的论点却是一致的。在个体形成中,ECM供给生物体维持生命现象的营养[6]。ECM比较明确的生理作用是在细胞的增殖、移动、分化;细胞免疫、神经纤维生长、胚泡着床等方面起重要作用[7]。90年代我国也开始关注ECM在细胞生命活动中的作用[8~10]。研究得比较多的ECM有层粘连蛋白(laminin, LN);纤维粘连蛋白(fibronectin, FN);胶原蛋白(collagen, CL);纤维蛋白原(fibrinogen, FB)和玻璃粘蛋白(vitronectin, VN)等。因此特将ECM和分布在ECM的细胞粘附因子总结如下:
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    1. 细胞外基质(ECM)

    1.1 CL:是ECM的主要成分。多由成纤维细胞产生,个别血管的内皮和平滑肌细胞也可产生CL。胶原分子形态及结构特点由三维螺旋区的特点决定,其为3条独立的α链构成。α链是特定的氨基酸序列构成的左旋结构,3条α链相互环绕形成紧密的三维螺旋分子结构。氢键对螺旋结构有加强作用,变性时氢键打开使分子松散,链中氨基酸间的肽链位于结构内部,所以胶原不易被一般的酶,如胃蛋白酶水解,仅对胶原酶敏感。根据纤维形态可有14类型的胶原。胶原可直接或间接参与细胞的附着和分化[5]

    1.2 LN:主要分布在基膜中[11]。分子量约800~1 000kD的蛋白质。由A链(440kD)和B1链(230kD)与B2链(220kD)共同构成十字架形的结构。在各链的C末端区上都与IV型CL结合构成基膜ECM[12]。分布于正常组织,也在肿瘤组织中大量存在[1~3]。蛋白水解酶处理可将LN分成许多片段。LN与细胞增殖、移植、分化及神经纤维的生长有关[13]。LN与LNR结合可使癌细胞增殖,促进IV型CL释放分解,因此认为LN与癌的转移有密切关系[14]。研究者曾在LN的粘附核心上加入肽,成功地抑制了肺癌转移[15]
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    1.3 FN:主要分布在疏松结缔组织,除成纤维细胞可生成外,上皮细胞,血管内皮细胞,软骨细胞和巨噬细胞也可生成。FN是由结构非常相似的A链和B链构成的分子量约220kD的多机能蛋白。分血浆和细胞性FN两种。细胞性FN与受精卵发育,着床有关[4]。在胚胎初期组织器官形成之际,沿着细胞迁移的路线可见FN的分布。在炎性组织,即需要细胞增殖,组织再生时,FN可暂时性增加,作用是引导成纤维细胞、上皮细胞向损伤部位迁移[16~19]。肉芽组织的细胞与胶原蛋白结合的时候,需FN的参加[20]

    以往认为ECM构成的纤维成分仅是构成细胞支架,近年发现,这些纤维状结构中有大量具有粘附作用的蛋白质。于是产生了“细胞粘附因子(cell adhesion factor,CAF)”的新概念[21]

    2. 细胞粘附因子(CAF)
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    细胞间相互的接触对于个体发生和分化是必不可少的。由于接触使多细胞体间的联络变得可能,而细胞间相互接触的中介分子就是CAF。

    2.1 CAF群的发展:著名的教科书“Molecular Biology of the Cell”中粘附糖蛋白(adhesive glycoprotein)曾指的是FN和CL。随着研究领域进入到分子生物学的水平,CAF被明确地认为是一群分子家族,因为被归于CAF范畴的分子,在体外培养中均显示了细胞的粘附活性。

    2.2 CAF的研究方向

    2.2.1 细胞间的连接:同种细胞间以同种CAF连接的方式称同种连接(homophilic interaction),而以异种CAF连接的方式称异种连接(heterophilic interaction)(图1)。作为同种连接的分子是众所周知的神经细胞粘附分子(nerve cell adhesive molceule, NCAM)和钙依赖性粘附素(adhenin),其他的连接方式多是异种连接。
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    图1 细胞间连接

    Fig.1 Extracellular interaction

    2.2.2 CAF的作用:CAF多指细胞膜上的跨膜蛋白,如thy-1和LFA-3。近年认为,CAF并不是起单纯结构性的连接作用,而是通过细胞间的机械性连接来识别外界,或是将外界的信息传达到细胞内(图2)。如被认为是细胞粘附连接(adhesive junction)的跨膜蛋白中含有浓缩的酪氨酸激酶,因此认为在CAF间有信息传递的功能。

    图2 细胞粘附连接

    Fig.2 Adhesive junction

    2.3 CAF的分类:生物体的细胞为了维持正常的生物活性,必须相互传递信息,机体存在着如激素作用的远距离联络,而且存在着每个细胞间的直接接触,因此这种细胞间的信息更显得重要。根据CAF结构的不同可分5大家族[21,22]
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    2.3.1 钙依赖性粘附素家族(cadherin family):因发现畸胎瘤细胞间的粘着依赖于钙,而钙依赖性粘附素是作为有关的CAF而被认定。迄今为止已知的有3种,即E型(主要在上皮组织中);N型(主要在神经组织中)和P型(主要在胎盘中)。它们在一级结构(氨基酸排列)相互间有50%~60%是相同的。钙依赖性粘附素的粘着是以同种粘着方式结合,主要在胚胎发生过程中,各种组织形成中,细胞间的粘附方面等起重要的选择作用。肿瘤组织中因这种粘附因子的缺乏可造成原发肿瘤细胞的游离,所以钙依赖性粘附素家族可能与肿瘤的浸润和转移有密切关系。

    2.3.2 免疫球蛋白超级家族(immunoglobulin superfamily):免疫球蛋白是相隔60~80个氨基酸间有2个半胱氨酸残基S-S结合的110个氨基酸,因结构上含有T-细胞反应(T-cell reactivity, TcR)和主要组织相容抗原复合物(major histocompability complex,MHC)等大量Ig类区域的分子而被称为免疫球蛋白超级家族。Ig类区域有4条或3条肽链构成的两个β活动中心,因有可变部(V)和恒定区(C)的结构特点分成V-set, C1-set和C2-set3种类型。C2-set与C区类似,但有部分序列与V-set相似,所以用C2-set与C1-set区别。免疫球蛋白超级家族除主要在免疫系统中的活动分子外,还存在于癌胚抗原(carcinoembryonic antigen,CEA)等部位,主要含识别和粘附的活动分子。这家族的成员很多,如CD4、CD8、CD2、LFA-3(CD58)、CD28、B7、CD56、ICAM-1(CD54)、ICAM-2、VCAM-1等。
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    2.3.3 整合素家族(integrin family):整合素原是针对纤维粘连蛋白的受体(FNR)将细胞外信息传递到细胞骨架分子而言,因发现这类分子与血清中的某些结构类似而被认为是一群分子,共同称之为整合素家族。整合素是140~200kD α链和90~110kD β链非共价结合的异二聚体。α链外部有3~4个连续存在的与二价金属离子结合和与多个钙离子结合的结构。β链的细胞外部有4个约40个氨基酸组成的半胱氨酸反复排列的结构(图3)。一般与整合素配位点结合依赖于Ca++,Mg++,Mn++等二价金属离子,也依赖于温度,如在4℃时被抑制。以前认为α链决定其特异性,而现在认为β链也有很大的作用。β链的细胞质部有EGFR,整合素受体等酪氨酸氧化部位。由于酪氨酸的氧化而使细胞外部的立体结构改变和使CAF与细胞骨架结合。现在至少发现有11种α链和5种β链构成的15种整合素。按β亚单位分类可分为β1、β2、β 3 3个亚家族:
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    图3 整合素家族

    Fig.3 Integrin Family

    (1)β1亚家族称为VLA家族,含有VLA-1、2、3、4、5、6,六种整合素。VLA是very late activation antigen的简称。VLA-1,2是作为T细胞的后期活性化抗原先被认定,而后的VLA-3,4,5,6也被认为是同种抗原,而实际上,特别是VLA-4,5在静止期的淋巴细胞中最高,因与VLA-1,2有同样的β链故称为VLA-3,4,5,6。(2)β2亚家族与其他的家族不同,因主要局限在白细胞,所以称为白细胞整合素(leukocyte integrin)。包括在白细胞中广泛发现的LFA-1(CD11a/CD18)和主要在单核细胞和粒细胞上发现的Mac-(CD11b/CD18),p150.95(CD11c/CD18)。(3)β3亚家族称为细胞粘附素(cytoadhesion),含人玻璃粘蛋白受体(VNR)和血小板的gpⅡb/Ⅲa。按功能分类可分为两类:(1)存在于淋巴细胞上通过与免疫球蛋白超家族中的CAF结合而介导异型性细胞间的粘附。(2)作为各种ECM的配体,介导细胞与ECM的粘附,从而控制细胞与基膜的结合,以及细胞的游走。如在整合素β1和β3亚家族就有LN,CL,FN,FB,VN等ECM受体的机能。
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    2.3.4 选择素家族(selectin family):共同结构特点是在N末端侧含有约117~120个氨基酸构成的1个钙依赖性植物血凝素样选择素(P),34~40个氨基酸构成的1个EGF样选择素(E)和约62个氨基酸构成的2~9个补体调节蛋白样选择素(C)(图4)。血凝素样选择素由于能与阴性多糖结合,而设想与含有氨基酸糖链的血管内皮细胞上的相应的结构结合。此后发现与中性白细胞、单核细胞的粘附有关的血管内皮细胞上的内皮白细胞粘附分子(endothelial-leukocyt adhesion molecule, ELAM-1)、颗粒膜蛋白(granular membraneprotein protein,GMP-140)和淋巴结的与血管内皮细胞粘附的淋巴细胞上的归巢受体-MEL-14分子等,因含有P选择素、E选择素和C选择素,故均被列入选择素家族。总之,选择素家族主要分布在血细胞和血管内皮细胞上,在介导血细胞与血管内皮细胞,血细胞与血细胞间的粘附过程中起作用。如ELAM-1,GMP-140等介导各P选择素与Sialy/Lewis X, Lewis X(CD15)型的糖链结合。
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    2.3.5 CD44(血红素/细胞外基质受体):是在白细胞、红细胞、上皮细胞、成纤维细胞以及脑等部位的85~95kD的糖蛋白(图5)。一部分以加有硫酸软骨素的180~200kD的糖蛋白的形式存在。N末端的90个氨基酸构成区有软骨蛋白(CLP),CLP可与透明质酸结合,最近揭示CD44也可与透明质酸结合。淋巴细胞上的CD44与内皮细胞粘附有关,与功能相关的除透明质酸,还有58~60kD的膜蛋白上的粘膜粘附因子。CD44又称ECM受体Ⅲ(ECMRⅢ),与胶原蛋白和纤维粘连蛋白等ECM相结合,但与CD44相应结合的其他有关物目前还不十分清楚。

    图4 选择素家族

    Fig.4 Selectin family

, 百拇医药     图5 CD-44(血红蛋白/细胞外基质受体)的结构

    Fig.5 CD-44,HEMES/ECMRIII

    关于ECM及细胞粘附因子的研究还在不断地深入,其结构与功能的未知还有待于进一步揭示。

    注:图1~5摘自宫坂昌之[21]的文章

    收稿1997-11 修回1998-05

    参考文献

    [1]Wan Y J. J Cell Biol, 1984,98(3):971

    [2]Wu TC. Dev Biol, 1983,100(2):496

, http://www.100md.com     [3]A1brechtsen R. Cancer Res, 1981, 41(12):5076

    [4]林正男.蛋白核酸酵素,1983,28(3):1

    [5]Takahashi H. Res, 1985, 6(1):61

    [6]吉田胜利.实验医学,1993,11(2):127

    [7]Alexander CM. Cell biology of Extracellular Matrix. 2nd ed, New York: Hay ED, 1991

    [8]史小林,诸定寿,翁静.生殖与避孕,1994,14(6):407

    [9]史小林,翁静,诸定寿.生殖医学,1996,5(4):222
, 百拇医药
    [10]肖娜,杨燕,贾孟春.生殖医学,1996,5(3):140

    [11]Timpl R. J Biol Chem, 1979,54(19):9933

    [12]Martinez HA. Lab Invest, 1983,48(6):656

    [13]Kleinman HK. J Cell Biochem, 1985, 27(5):317

    [14]Hunt G. Exp Cell Bio, 1989,57(3):165

    [15]Iwamonto Y. Science, 1987,283(4830):1132

    [16]关山清俊.实验医学,1993,11(2):119
, 百拇医药
    [17]McDonald JA. Annu Rev Cell Bio, 1988,14(3):187

    [18]Hynes RO. Fibronectins.New York: Springer-Verlag,1990:176\|199

    [19]市原FDA2子.代谢,1992,29(10):947

    [20]Asaga H. Exp Cell Res, 1991,193(1):167

    [21]宫坂昌之.临床医学,1992,1(增刊)2

    [22]宝富凯.生命科学,1994,6(5):26, 百拇医药