細胞生物學/細胞黏附

細胞連接與細胞黏附 - 細胞連接 - 細胞黏附
在動物個體發育過程中，無論是受精、還是胚泡植入、形態發生、組織器官的形成以及成體結構與功能的維持，都離不開細胞的識別與黏附。在胚胎發育過程中，具有相同表面特性的細胞通過特異性識別並黏附在一起形成內、中外三個不同的胚層；同樣通過細胞的識別與黏附使具有相同表面特性的細胞聚集在一起形成組織和器官。通常將這種在細胞識別的基礎上，同類細胞發生聚集形成細胞團或組織的過程稱為細胞黏附(cell adhesion)。
細胞黏附通過細胞表面特定的細胞黏附分子(cell adhesion molecule, CAM)介導細胞與細胞之間、細胞與細胞外基質之間的彼此黏着。
黏附分子的類型：目前已發現的細胞黏附分子達百餘種，根據其分子結構與功能特性，可分為四大類：鈣黏着蛋白(cadherin), 選擇素(selectin)，免疫球蛋白超家族(Ig-superfamily, IgSF)和整聯蛋白家族(integrin family)。細胞黏附分子多數需要依賴於二價陽離子Ca²⁺或Mg²⁺才起作用，這些分子介導的細胞識別與黏附還能在細胞骨架的參與下，形成橋粒、半橋粒、黏着帶以及黏着斑等錨定連接結構。
黏附分子的結構特點：細胞黏附分子均為穿膜糖蛋白，由三部分組成：①胞外區，較長，肽鏈的N端部分帶有糖鏈，是與配體識別的部位；②穿膜區，多為一次穿膜的α-螺旋；③胞質區，肽鏈的C端部分，一般較小，可與質膜下的細胞骨架成分或與胞內的信號轉導蛋白結合。
細胞黏附分子介導細胞識別與黏附的方式：①同親型結合(homophilic binding)，即相鄰細胞表面的同種黏附分子間的相互識別與黏附，如鈣黏着蛋白主要以這種方式介導細胞黏附；②異親型結合(heterophilic binding)，即兩相鄰細胞表面的不同種黏附分子間的相互識別與黏附，如選擇素和整聯蛋白主要以這種方式介導細胞黏附；③連接分子依賴性結合(linker-dependent binding)，即相鄰細胞黏附分子通過連接分子中介才能相互識別與黏着。

鈣黏着蛋白家族

鈣黏着蛋白是一類依賴於Ca²⁺的同親型細胞黏附分子，在胚胎發育中的細胞識別、遷移和組織分化以及成體組織器官的構成中起重要作用。鈣黏着蛋白是一個很大的糖蛋白家族，不同類型的細胞以及發育不同階段，細胞表面的鈣黏着蛋白的種類和數量均有所不同。目前已在人類中發現了約200種鈣黏着蛋白成員，不同的鈣黏着蛋白都有其特定的組織分佈，常根據其最初發現的組織類型命名，如上皮組織中的鈣黏着蛋白稱E-鈣黏着蛋白(epithelial cadherin, E-cadherin)；神經組織中的鈣黏着蛋白稱N-鈣黏着蛋白(neural cadherin, N-cadherin)；胎盤、乳腺和表皮中的鈣黏着蛋白稱P-鈣黏着蛋白(placental cadhe1in, P-cadherin)；血管內皮細胞中的鈣黏着蛋白稱VE-鈣黏着蛋白(vascular endothelial cadherin, VE-cadherin)。上述幾種最常見的鈣黏着蛋白稱為典型鈣黏着蛋白(classical cadherin)，具有細胞黏着和信號轉導功能，其胞內或胞外結構域在序列組成上高度相似。此外還有一些非典型鈣黏着蛋白，在結構序列組成上差異較大，主要功能是介導細胞黏着，如橋粒中的鈣黏着蛋白。
1、鈣黏着蛋白分子結構特點 鈣黏着蛋白分子典型結構為單次穿膜糖蛋白，由700～750個胺基酸殘基組成，在質膜中常以同源二聚體的形式存在，依靠Ca²⁺與相鄰的細胞的鈣黏着蛋白分子結合。
鈣黏着蛋白分子胞外區約由110個胺基酸殘基組成，常摺疊成5個重複結構域，Ca²⁺結合在重複結構域之間，可將胞外區鎖定在一起形成棒狀結構，賦予鈣黏着蛋白剛性和強度。Ca²⁺結合越多，鈣黏着蛋白剛性越強。如果去除Ca²⁺，胞外區就變得鬆軟塌落，不能相互黏附, 故在細胞培養時常用陽離子螯合劑EDTA破壞Ca²⁺或Mg²⁺依賴性細胞黏附。鈣黏着蛋白的胞內部分是高度保守的區域，可以通過胞內銜接蛋白即聯蛋白(α-catenin或β-catenin)與肌動蛋白絲連接；鈣黏着蛋白胞內部分還與胞內信號蛋白(β-catenin 或p120-catenin)相連，介導信號向細胞內傳導，以調整細胞的功能活動。
2、鈣黏着蛋白的功能
(1)介導細胞與細胞之間的同親性細胞黏附：在胚胎和成人組織中，同類細胞需要具備自我標識與彼此黏附的特性，這一特性主要是由鈣黏着蛋白分子在特定組織上的選擇性表達所決定的。
如E-鈣黏着蛋白就是保持上皮細胞相互黏合的主要細胞黏附分子，如果將編碼E-鈣黏着蛋白的DNA轉染至不表達鈣黏着蛋白也無黏附作用的一種成纖維細胞(L cell), 可使這種成纖維細胞之間發生Ca²⁺依賴性的同親性細胞黏附，表現出上皮細胞樣的聚集，並且膜蛋白出現極性分佈。用抗E-鈣黏着蛋白抗體可以抑制這種黏附。
(2)在個體發育過程中影響細胞的分化，參與組織器官的形成：在個體發育過程中，細胞通過調控鈣黏着蛋白表達的種類與數量而決定胚胎細胞間的相互作用（黏附、分離、遷移、再黏附），影響細胞的分化，參與組織器官的形成。
如E-鈣黏着蛋白在胚胎發育進入8細胞卵裂時期就開始表達，使鬆散的分裂球細胞緊密黏附；在外胚層發育形成神經管時，神經管細胞停止表達E-鈣黏着蛋白，轉而表達N-鈣黏着蛋白；而當神經嵴細胞從神經管遷移出來時，神經嵴細胞則很少表達N-鈣黏着蛋白，轉而主要表達鈣黏着蛋白-7; 當神經嵴細胞遷移至神經節並分化成神經元時，又重新表達N-鈣黏着蛋白。近年來在神經系統發現一個獨特的鈣黏着蛋白家族，稱為原鈣黏着蛋白(protocadherin), 它們攜帶介導突觸連接分子的密碼，對於神經元識別靶細胞並建立起正確的突觸聯繫起重要的作用。
上皮細胞轉型為間質細胞或間質細胞轉型為上皮細胞是一個受控的可逆過程，稱之為上皮-間質轉換(epithelial-mesenchymal transition, EMT)，是細胞轉分化的一種方式。其分子機制是E-鈣黏着蛋白的表達與否。細胞表達E-鈣黏着蛋白後，分散的間質細胞會聚集在一起形成上皮組織；不表達E-鈣黏着蛋白的上皮細胞則從上皮組織遷移出來形成游離的間質細胞。E-鈣黏着蛋白的表達受到啟動子區甲基化的影響，又受多種轉錄調控因子如Snail、Slug、Twist等的負調控起抑制作用。這種上皮－間質轉型(EMT)在胚胎發育、器官的細胞更新和再生，以及某些多能幹細胞的分化等過程均發揮重要的生理作用。
(3) 參與細胞之間穩定的特化連接結構：參與錨定連接。
在黏着連接中，鈣黏着蛋白胞內區通過細胞內錨定蛋白α和β聯蛋白(catenin)與肌動蛋白絲相連，形成細胞之間牢固連接的黏着帶; 在橋粒結構中，鈣黏着蛋白家族的橋粒黏蛋白和橋粒膠蛋白的胞內區通過胞質斑與中間纖維相連形成牢固的連接結構。另外，一些鈣黏着蛋白在錨定連接中起向細胞內傳遞信號的作用。如VE-鈣黏着蛋白不僅參與內皮細胞間的黏附，還作為血管內皮生長因子的輔助受體，參與維持內皮細胞存活信號的傳遞。
3、鈣黏着蛋白與疾病
(I)鈣黏着蛋白功能的喪失在惡性腫瘤的擴散中起重要作用。缺失E-鈣黏着蛋白可導致上皮性腫瘤的發生。在上皮癌的研究中，很多種癌組織細胞表面的E-鈣黏着蛋白減少或消失，導致癌細胞容易從腫瘤組織中脫落，成為癌細胞侵襲與轉移的前提。因而有人將E-鈣黏着蛋白視為細胞轉移抑制分子，表達E-鈣黏着蛋白越多，細胞轉移越少，因此，人為升高惡性腫瘤細胞中鈣黏着蛋白的表達時，其在動物體內的生長能力降低。
(2)鈣黏着蛋白的表達與器官纖維化有關。鈣黏着蛋白的表達與EMT相關，而醫學上臟器纖維化病變也與EMT有關，例如與腎纖維化病變直接相關的腎間質成纖維細胞絕大多數由上皮細胞經EMT而來。

選擇素

選擇素是一類依賴於Ca²⁺的異親型細胞黏附分子，它們能特異性地識別並結合其他細胞表面寡糖鏈中的特定糖基，主要介導白細胞與血管內皮細胞或血小板的識別和黏附，在炎症反應和免疫反應中起重要作用。選擇素家族包括三種成員：L-選擇素(leukocyte selectin)最早在淋巴細胞上作為歸巢受體被發現，後來發現在各種白細胞上都表達；P-選擇素(platelet selectin)主要位於血小板和內皮細胞上；E-選擇素(endothelial selectin)，表達於活化的內皮細胞上。
1、選擇素的分子結構特點 選擇素是單次穿膜糖蛋白，其胞外區由三大結構域組成：即N-末端的C型凝集素(C lectin)樣結構域、表皮生長因子(epithelial growth factor, EGF)樣結構域以及與補體調節蛋白(complement control protein module, CCP)同源的結構域。其中N-末端凝集素結構域是識別特異糖基，參與細胞之間選擇性黏附的活性部位。所有選擇素均可識別和結合一類特定的糖基，Ca²⁺參與該識別黏附過程。EGF樣和CCP結構域具有加強分子間黏附以及參與補體系統調節等作用。選擇素分子的胞內區可通過錨定蛋白與細胞內微絲結合。
2、選擇素的功能 主要功能是參與白細胞與血管內皮細胞或血小板的識別與黏着，幫助白細胞從血液進入炎症部位。
在炎症發生部位，血管內皮表達E-選擇素，與白細胞和血小板上的寡糖鏈識別，由於選擇素與白細胞表面的特異寡糖鏈親和力較小，加上血流速度的影響，白細胞在炎症部位的血管中黏附-分離，再黏附-再分離，呈現滾動方式運動，隨後激活了自身整聯蛋白，由後者介導白細胞與血管內皮細胞較緊密地結合在一起，並使白細胞經內皮細胞間隙遷移至組織。白細胞以這種機制富集到炎症發生的部位。

免疫球蛋白超家族

免疫球蛋白超家族(immunoglobin-superfamily, lgSF)是一類分子結構中含有類似免疫球蛋白結構域、不依賴Ca²⁺的細胞黏附分子。這類分子的胞外區由一個或多個免疫球蛋白(Ig)樣結構域組成。每一個Ig結構域都是由90～110個胺基酸殘基形成的緊密摺疊結構，其間有二硫鍵相連接。lg-SF成員複雜，其中有的介導同親型細胞黏着，如各種神經細胞黏附分子(neural cell adhesion molecule , N-CAM或NCAM)及血小板-內皮細胞黏附分子(PE-CAM或PECAM)；有的介導異親型細胞黏着，如細胞間黏附分子(I-CAM或ICAM)及血管細胞黏附分子(V-CAM或VCAM)等。大多數Ig-SF黏附分子介導淋巴細胞和免疫應答所需要的細胞（巨噬細胞、其他淋巴細胞和靶細胞）之間的特異的相互作用。但一些Ig-SF成員，如N-CAM介導非免疫細胞的黏着。
1、Ig-SF黏附分子的功能

• 一些Ig-SF成員通過同親型細胞黏着機制參與神經細胞黏附。表達於神經細胞的Ig-SF黏附分子成員，由單一基因編碼，mRNA的選擇性剪接及糖基化的不同形成了20餘種不同的N-CAM, 其配體也為N-CAM。分析發現，所有N-CAM的胞外區都有5個免疫球蛋白樣的結構域，它們通過同親型黏着機制與相鄰細胞同類分子結合黏附在一起，與神經系統的發育、軸突的生長和再生以及突觸的形成密切相關。N-CAM的基因缺陷可引起智力發育遲緩和其他神經系統病變。除了神經組織外，N-CAM也可在肌肉和胰腺等其他組織中表達。
• 一些Ig-SF成員通過異親型細胞黏着機制參與血管內皮細胞與白細胞的黏附。例如，V-CAM是一類表達於血管細胞的Ig-SF黏附分子成員，可與白細胞表面的α4β1整聯蛋白（其配體）相結合，使白細胞沿內皮滾動並固着於炎症部位的血管內皮，發生鋪展，進而分泌水解酶而穿過血管壁。
• 一些Ig-SF成員參與免疫細胞的識別與黏附。I-CAM是另一組Ig-SF黏附分子，有多種類型，不同的I-CAM在體內分佈范圉有較大的差異。內皮細胞的I-CAM可通過與白細胞表面的整聯蛋白分子結合，在炎症反應中發揮作用。有的類型只在T細胞、單核細胞和中性粒細胞表達。I-CAM在淋巴系統抗原識別、細胞毒T淋巴細胞功能發揮以及淋巴細胞的募集方面起重要作用。
• 一些Ig-SF成員參與血小板和內皮的識別與黏附。PE-CAM主要表達於血小板和內皮細胞，既可以同親型黏着方式又可以異親型黏着方式與其他黏附分子結合，在血管內皮細胞的緊密黏附中起主要作用。

2、Ig-SF黏附分子與醫學

• 神經及神經發育：NCAM-Ll( 神經細胞黏附分子-LI)是Ig-SF黏附分子成員，主要在神經細胞中表達，與神經元之間黏附以及相互作用有關。在胎兒酒精綜合症(fetal alcohol syndrome, FAS)研究中，揭示了神經發育過程中NCAM-Ll的重要作用，在一定酒精濃度存在情況下，酒精可與NCAM-LI結合，致使胚胎小腦細胞之間喪失了相互識別和黏附的能力，因此母親孕期大量飲酒的新生兒出現精神異常和顏面畸形。遺傳疾病NCAM-Ll基因突變個體與FAS的個體具有相似表型。
• 免疫排斥反應：研究表明I-CAM、V-CAM和PE-CAM在免疫排斥反應中具有重要作用，I-CAM介導了腫瘤細胞與白細胞的黏附，腫瘤細胞上的I-CAM的表達降低可能與腫瘤細胞逃逸免疫監視有關。在I-CAM缺失的小鼠中出現炎症反應缺陷。

整聯蛋白家族

整聯蛋白(integrin)是一類普遍存在於脊椎動物細胞表面，依賴於Ca²⁺或Mg²⁺的異親型細胞黏附分子，介導細胞與細胞外基質之間以及細胞和細胞之間的相互識別和黏附，具有聯繫細胞外部作用因素與細胞內部結構（細胞骨架）的功能。
1、整聯蛋白的分子特點 由α和β兩個亞基組成的異二聚體，兩亞基均為穿膜蛋白。目前至少已鑑定出人有24種不同的α亞基和9種不同的β亞基，它們相互組合成不同的整聯蛋白，可與不同的配體結合。
整聯蛋白α和β亞基均由胞外區、跨膜區和胞內區三個部分組成。由α和β亞基胞外區組成的球狀頭部區是整聯蛋白分子與配體結合部位；胞內區很短，只含有30～50個胺基酸，可通過胞內的一些連接蛋白（踝蛋白、α-輔肌動蛋白、細絲蛋白、紐蛋白等）與細胞內的肌動蛋白絲等細胞骨架成分相互作用。整聯蛋白的胞外區可以通過自身結構域與纖連蛋白、層粘連蛋白、膠原等含有Arg-Gly-Asp(RGD)三肽序列的細胞外基質成分結合, 從而介導細胞與細胞外基質的黏着。典型結構有黏着斑和半橋粒。不同細胞表達的整聯蛋白在組成上不盡相同；此外，不僅同一種整聯蛋白可以與一種以上的不同配體相結合；而且，同一種配體也可以與多種不同的整聯蛋白相結合。
2、整聯蛋白的功能
(l)整聯蛋白介導細胞與細胞外基質間的連接或相互作用：整聯蛋白介導細胞與細胞外基質的錨定連接。由bl亞基組成的整聯蛋白為細胞外基質蛋白的受體，其胞外區具有與大多數細胞外基質蛋白，如蛋白聚糖、纖連蛋白、層粘連蛋白等含有RGD三肽序列結合的位點，因此可以使細胞黏着於細胞外基質上。一般來說，整聯蛋白與其配體結合的親和性不很高，而在細胞表面的數量較多，這種低親和性有利於細胞調節其與細胞外基質成分結合的牢固程度與可逆性結合，細胞可通過膜上這類受體(b₁亞基）與細胞外基質成分黏附、分離、再黏附、再分離，從而進行遷移。
(2)整聯蛋白也介導細胞間相互作用：在一些細胞表面有與整聯蛋白結合的特異性配體（如Ig超家族成員），可以介導細胞間的反應。如由b₂亞基組成的整聯蛋白能使白細胞在感染部位的血管內皮細胞上黏附，白細胞由此得以遷移出血管進入炎症部位。b₃亞基組成的整聯蛋白見於血小板和其他類型的細胞，可以介導血小板的黏附，參與凝血過程。
(3)整聯蛋白在信號傳遞中發揮重要作用：整聯蛋白與其配體結合後聚集成簇，不但藉以形成穩定、牢固的結合，並可啟動信號轉導，調節細胞的行為，如細胞的遷移、增殖、分化、存活和凋亡等基本生命活動。整聯蛋白參與的信號傳遞方向有「由內向外」(inside out)及「由外向內」(outside in)兩種形式。
研究發現整聯蛋白往往以無活性的形式存在於細胞表面，當細胞內事件啟動胞內信號傳遞後，激活整聯蛋白，使其胞內結構域發生構型改變，繼而誘導胞外結構域發生構型變化，從而增強整聯蛋白與其他胞外配體的結合能力，最後介導細胞黏着。這種由細胞內信號的啟動，通過改變細胞本身的功能狀態，將胞內信號由整聯蛋白胞內區傳遞到細胞外，促進整聯蛋白與配體結合的方式稱為「由內向外」的信號轉導。一些蛋白，如肌動蛋白結合蛋白和黏着斑激酶(focal adhesion kinase, FAK)等胞內蛋白，能直接與整聯蛋白胞內區結合，通過磷酸化或去磷酸化作用調節整聯蛋白的活性，影響其功能。「由內向外」的信號轉導主要控制細胞黏附力，對於血小板和白細胞介導的黏附反應是非常重要的。
整聯蛋白還可作為受體介導信號從細胞外環境向細胞內的轉導，這種方式稱為「由外向內」的信號轉導。例如，細胞在體外培養時，大多數正常細胞必需貼附在細胞外基質上才能生長，如果細胞不能貼附在細胞外基質上就會停止分裂直至死亡，這種現象叫做鈾定依賴性生長。其原因是因為它們的整聯蛋白不能與細胞外基質配體相互作用，致使無法向細胞內傳遞存活信號。現在知道，這種整聯蛋白介導的「由外向內」的信號轉導通路依賴細胞內酪氨酸激酶——FAK。整聯蛋白與配體結合可使整聯蛋白發生簇集，導致FAK自主磷酸化而與Src激酶結合，FAK/Src複合體使多個下游分子磷酸化，活化FAK-MAPK和FAK-PI3K等通路，直接或間接傳遞信號，調控細胞增殖、黏附與伸展、遷移等多種細胞功能。
3、整聯蛋白與醫學 血小板凝聚與血栓形成：整聯蛋白胞外區可以通過自身結構域識別含有RGD的三肽序列的配體，體外實驗證實，含有RGD序列的人工合成肽可以競爭性阻斷細胞與纖連蛋白的結合，使培養的細胞不能貼壁生長。據估計大約半數的整聯蛋白含有結合RGD的結構域。RGD序列的發現開闢了以受體-配體相互作用為基礎的新的治療疾病的手段。血栓的形成是造成心臟病發作的病因之一。血凝塊的形成始於血小板的凝聚，由血小板特異的整聯蛋白αⅡbβ3與血漿中含有RGD序列的纖維蛋白原結合，介導了血小板的凝聚。動物實驗表明，含有RGD序列的人工合成肽可以競爭性地阻止血小板整聯蛋白與血漿中纖維蛋白原結合，從而預防血凝塊的形成。這一發現使人們設計出一種新的非膚類抗凝血藥物（如Aggrastat)，它們類似於RGD結構，但只與血小板整聯蛋白結合。此外，一種直接抗整聯蛋白的特異性抗體（稱為ReoPro), 能阻止接受血管外科手術患者的血凝塊形成。