生物体研究的新方向——细胞外基质和细胞粘附因子

1、    生物体研究的新方向细胞外基质和细胞粘附因子        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)15，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

2、活动中的作用810。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：1. 细胞外基质(ECM)1.1CL：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条独立的链构成。链是特定的氨基酸序列构成的左旋结构，3条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，

3、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。1.2LN：主要分布在基膜中11。分子量约8001 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ECM12。分布于正常组织，也在肿瘤组织中大量存在13。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L

4、N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。1.3FN：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1619。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

5、，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)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。2.1CAF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

6、活性。2.2CAF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)(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。 1细胞间连接Fig.1 Extracellular interaction     2.2.2CAF的作用：CAF多指细胞膜上的跨膜蛋白，

7、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(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。     2.3CAF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。2.3.1钙依赖性粘附素家族(cadherin famil

8、y)：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6080个氨基酸间有2个半胱氨

9、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

10、,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。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140200kD 链和90110kD 链非共价结合的异二聚体。链外部有34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。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

11、的结构(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。以前认为链决定其特异性，而现在认为链也有很大的作用。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种链和5种链构成的15种整合素。按亚单位分类可分为1、2、 33个亚家族：     (1)1亚家族称为VLA家族，含有VLA1、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

12、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有同样的链故称为VLA-3，4，5，6。(2)2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)3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gpba。按功能分类可分为两类：(1)存

13、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1和3亚家族就有LN，CL，FN，FB，VN等ECM受体的机能。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117120个氨基酸构成的1个钙依赖性植物血凝素样选择素(P)，3440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29个补体调节蛋白样选择素(C)(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

14、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，GMP140等介导各P选择素与SialyLewis X, Lewis X(CD

15、15)型的糖链结合。2.3.5CD44(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8595kD的糖蛋白(5)。一部分以加有硫酸软骨素的180200kD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5860kD的膜蛋白上的粘膜粘附因子。CD44又称ECM受体(ECMR)，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。     &#

16、160;    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：15摘自宫坂昌之21的文章作者单位：史小林首都医科大学生殖医学研究室，北京，100054收稿1997-11修回1998-05参考文献1Wan Y J. J Cell Biol, 1984,98(3):9712Wu TC. Dev Biol, 1983,100(2):4963A1brechtsen R. Cancer Res, 1981, 41(12):50764林正男.蛋白核酸酵素，1983，28(3)：15Takahashi H. Res, 1985, 6(1

17、):616吉田胜利.实验医学，1993，11(2)：1277Alexander CM. Cell biology of Extracellular Matrix. 2nd ed， New York: Hay ED, 19918史小林，诸定寿，翁静.生殖与避孕，1994，14(6)：4079史小林,翁静,诸定寿.生殖医学，1996，5(4)：22210肖娜,杨燕,贾孟春.生殖医学，1996，5(3)：14011Timpl R. J Biol Chem, 1979,54(19)：993312Martinez HA. Lab Invest, 1983,48(6)：65613Kleinman HK. J Cell Biochem, 1985, 27(5):31714Hunt G. Exp Cell Bio, 1989,57(3):16515Iwamonto Y. Science,