细胞的极性与缺血性急性肾功能衰竭

1、细胞的极性与缺血性急性肾功能衰竭关键词细胞极性急性肾功能衰竭细胞骨架 最近，缺血性急性肾功能衰竭(ARF)损伤机制的研究已取得某些重大进展。人们认识到，缺血性ARF的细胞损伤过程中，肌动蛋白细胞骨架的改变对近端小管细胞结构和功能变化具有举足轻重的影响。缺血损伤时，细胞骨架迅速发生变化，并与其严重程度和持续时间密切相关。更为重要的是，肌动蛋白细胞骨架的改变决定着细胞表面膜蛋白的变化，从而影响小管上皮细胞的极性，以及细胞与细胞、细胞与基质之间的相互作用。细胞骨架及细胞极性的变化，在缺血性ARF的肾小球滤过率下降过程中起重要作用。本文在复习有关结构的基础上将讨论缺血损伤时它对肾功能的影响。1小管上皮

2、细胞极性及其结构基础11小管上皮细胞极性小管上皮细胞极性，以其细胞膜表面出现两个不同的功能域即基膜区和顶膜区为特征1。紧密连结是其界线。这两个功能域无论其组成、结构还是生理功能都明显不同。每个功能域都含特定的膜成分。如顶膜区分布着钠偶联转运体（如钠糖协转运子，钠氨基酸协转运子）、Na-H交换子、碱性磷酸酶、亮氨酸氨基肽酶以及-谷氨酰转移酶等，脂质成份中胆固醇与磷脂的比例、以及鞘磷脂与磷酸胆碱的比例要高；基膜区则分布着Na-KATP酶、生长因子受体、基质受体、葡萄糖转运蛋白等，脂质成份中胆固醇与磷脂的比例、和鞘磷脂与磷酸胆碱的比例要低。小管上皮细胞的极性是小管吸收、分泌排泄和交换等功能的基础。如

3、位于基膜的Na-KATP酶，有利于穿膜电势差的形成。该电势差是Na从管腔经载体转运至间质和管旁毛细血管所必需的。定位在顶膜的钠糖协转运子，有利于糖逆浓度梯度顺电势差经Na共转运进入细胞内；而位于基膜的葡萄糖转运蛋白，则把细胞内吸收的糖再转运至间质和管旁毛细血管。细胞极性的形成和维持有赖于细胞与细胞、细胞与基质之间接触的建立，以及系列结构的合适形成，如细胞骨架、连接复合体、局部粘附等，其中细胞骨架起决定作用。这些结构一旦发生改变，将导致细胞极性的改变，进而导致细胞和器官功能紊乱。关于细胞极性与疾病的关系，一个常见的例子是常染色体显性遗传性多囊肾（ADPKD）2。该疾病伴明显的上皮细胞极性异常，包

4、括Na-KATP酶、表皮生长因子（EGF）受体易位至顶膜区，从而导致钠分泌增多和上皮细胞异常增生。12肌动蛋白细胞骨架细胞骨架是细胞极性形成的结构基础，也是连接复合体、局部粘附等结构形成的基础（见1）。1近曲小管上皮细胞肌动蛋白细胞骨架以及细胞骨架与胞膜相互作用示意肌动蛋白在细胞内以两种形式存在。单体又称G型是细胞内肌动蛋白的一种储存形式；丝状体又称F型则是细胞内肌动蛋白细胞骨架的网络结构基础，它形成表层肌动蛋白网络（corticalactinnetwork）、终末网（terminalweb）、张力纤维（stressfibers）、微绒毛等。F型肌动蛋白在绒毛蛋白（villin）作用下，以垂直

5、方向排列聚集成束，形成小管上皮细胞顶端微绒毛的核心。这种具有极性的微绒毛F型肌动蛋白核心，一端经ezrin和肌球蛋白介导，锚合到微绒毛的表面膜；另一端相接于一环形排列的肌动蛋白网络，即终末网。表层肌动蛋白网络通过某种连接复合体和表面膜蛋白复合体如Na-KATP酶而与表面膜相互作用。肌动蛋白细胞骨架是一动态结构，聚集或解聚依赖环境条件的变化而变化。这种聚集与解聚过程受多种细胞内机制及相应蛋白调节3。这些蛋白主要分成两类：一类是调节蛋白，一类是肌动蛋白效应蛋白。前者主要是Rho家族GTP酶，其中包括Rho、Cdc42、Rac等。它们对肌动蛋白细胞骨架有促聚集作用。后者根据它们的主要功能又分成聚集因

6、子，结构蛋白，动力因子。在聚集因子中肌动蛋白解聚因子（actindepolymerizingfactor，ADF）以pH依赖方式解聚F型肌动蛋白并使G型肌动蛋白相互隔离；帽状蛋白（cappingprotein）则封闭肌动蛋白的钩端而使F型肌动蛋白稳定；胶凝溶素（gelsolin）以钙依赖方式包被F型肌动蛋白，使之稳定，维持F型肌动蛋白的聚集状态。13连接复合体连接复合体是细胞极性的结构基础之一。它包括紧密连结、粘附连结等。紧密连结位于连接复合体的最上层。它是一细胞间环形结构，把一小管上皮细胞与相邻的小管上皮细胞连结起来。紧密连结把上皮细胞表面膜划分成两个不同功能域即基膜区和顶膜区。它由多种蛋白

7、组成，包括闭塞素（occludin），ZO-1，ZO-2，扣带素（cingulin）等。它在很大程度上决定了细胞间的选择性旁通透能力。此外，它也是表面膜蛋白和膜脂的运动屏障。因此，它在细胞极性中具有门功能和栅功能两大作用。粘附连结在维护小管上皮细胞与细胞间的正常粘附中起重要作用。细胞与细胞间的粘附通常由钙附素介导。E-钙附素专门介导上皮细胞的粘附。E-钙附素以钙依赖形式相互结合，形成绳结样带状结构，系于上皮细胞间的侧面，紧挨紧密连结的下方。E钙附素通过钙附素结合蛋白（-catenin）与肌动蛋白细胞骨架相互作用。14细胞与基质的粘附细胞与基质之间接触的建立也参与了细胞极性的形成和维持。细胞与基

8、质的粘附由整合素介导。整合素通常经精-谷-天三肽顺序以钙依赖形式结合到细胞外基质上。不同的整合素超家族成员与不同的基质成分特异结合。培养状态下的上皮细胞与基质相粘附部位称局部粘附。局部粘附经talin、纽蛋白（vinculin）、帽状蛋白、张力纤维等把细胞膜上聚集的整合素连结到胞浆中的肌动蛋白细胞骨架上。局部粘附是一个研究细胞与基质相互作用的重要模型。2缺血性损伤对肾小管上皮细胞极性的影响人们早就认识到，缺血性ARF时肾小管上皮细胞结构迅速发生变化，尤其是近曲小管细胞。细胞上这些变化的启动与肌动蛋白细胞骨架的结构改变相关3，4。肌动蛋白细胞骨架的结构改变在缺血性损伤时迅速启动，并与缺血的持续时

9、间和程度相关。尽管这些变化不足以使细胞致死，但是可使小管上皮细胞维持极性的能力和维持正常肾功能的能力丧失（见2）。2缺血对近曲小管上皮细胞肌动蛋白细胞骨架以及细胞骨架与胞膜相互作用的影响近曲小管刷状缘是形态学变化的早期部位。急性肾缺血的动物，515min的缺血可使微绒毛发生融合和斑样缺失；缺血50min，顶端微绒毛完全消失并脱入管腔，细胞内化。人移植肾中也观察到同样的现象。在体内，刷状缘这种改变与肌动蛋白细胞骨架的结构改变有关，其中包括终末网的消失、微绒毛肌动蛋白核心的消失、肌动蛋白从细胞顶端弥漫性重分布于胞浆。同样的变化也见于化学性缺氧条件下小鼠近曲小管的体外肾缺血模型。最近的研究显示，体内

10、肾缺血时，异二聚体的帽状蛋白从肌动蛋白细胞骨架上解离下来，这可能代表F-肌动蛋白在胞浆中聚集的一种机制。最近的研究表明，ezrin、肌球蛋白1、ADF，在缺血时微绒毛肌动蛋白核心塌陷中起重要作用。在缺氧性损伤时，于近曲小管细胞可观察到，结合于肌动蛋白细胞骨架和微绒毛表面膜的ezrin发生解离。这种解离与其去磷酸化有关。ATP消耗情况下的LLC-PK1细胞中，胞浆F-肌动蛋白分布部位也发现肌球蛋白1的存在。这也揭示了急性缺血性损伤时微绒毛表面膜失去细胞骨架支撑，继而导致微绒毛塌陷的一种机制。最初的资料也表明，缺血性损伤时ADF经去磷酸化激活后，在微绒毛表面膜的塌陷和脱落中起重要作用。在体内肾缺血

11、损伤时，ADF迅速去磷酸化。在脱落的腔内膜囊物中，既发现有高浓度的ADF，也发现有G-肌动蛋白，但没有F-肌动蛋白。除了微绒毛肌动蛋白核心解聚外，在体内急性肾缺血和体外ATP消耗条件下，表层肌动蛋白细胞骨架也解聚。在ATP消耗情况下的LLC-PK1细胞，其表层肌动蛋白细胞骨架迅速解聚。这种解聚包括G-肌动蛋白转换成F-肌动蛋白以及F-肌动蛋白在胞浆中聚集。在体内急性肾缺血和体外ATP消耗条件下，表层肌动蛋白细胞骨架的解聚与Na-KATP酶从肌动蛋白细胞骨架上脱落并再分布于顶膜区同时发生。近曲小管钠和糖转运的异常与膜脂和膜蛋白如Na-KATP酶再分布相一致。LLC-PK1细胞中的锚蛋白（anky

12、rin）和fodrin通常情况下把Na-KATP酶锚定于表层肌动蛋白细胞骨架上。而在ATP消耗时，它们则遍布胞浆，且既不相互交连也与Na-KATP酶定位无关。此外，再分布于顶膜区的Na-KATP酶仍具有功能，这可能与急性缺血性损伤时近曲小管的钠转运紊乱有关。对人移植肾的研究也显示，近曲小管也存在Na-KATP酶再分布。功能明显紊乱的人移植肾，Na-KATP酶再分布更加突出，遍布于胞浆，仅仅很少的Na-KATP酶沿基膜和顶膜分布。锚蛋白和fodrin也存在类似的再分布，大多数弥漫性重分布于胞浆，而很少沿基膜和顶膜分布。在体内急性肾缺血和体外ATP消耗情况下，紧密连结的完整性丧失。细胞间的旁通透性

13、增加，穿上皮细胞间的阻力丧失，这意味着与紧密连结有关的门功能丧失。在同样的情况下，膜脂和膜蛋白（如亮氨酸氨基肽酶、Na-KATP酶、整合素等)易位，意味着与紧密连结有关的栅功能丧失。研究显示，体外ATP消耗也导致与紧密连结相关蛋白ZO-1，ZO-2，扣带素的去污剂溶解性降低，以及ZO-1与fodrin的交连减少。研究者认为，这可能与ATP消耗时紧密连结相关蛋白与肌动蛋白细胞骨架交连增加有关。最初的研究表明，Rho-GTP酶在体外ATP消耗时的紧密连结复合体解聚中起一定作用。在体外ATP消耗时，发现与粘附连结的有关蛋白也进行了再分布。培养的肾小管上皮细胞在ATP消耗30min时，E-钙附素从胞膜

14、上内化。最初的研究表明，体外化学性缺氧后的恢复期，E-钙附素不恰当地移至顶膜。这些结果与亚致死性损伤时，维持细胞与细胞粘附的连结复合体解聚有关。急性肾小管坏死（ANT）后的尿中肾小管上皮细胞仍具有活力，表明急性缺血性损伤时细胞与基质相互作用发生了改变。化学性缺氧能使培养的肾小管上皮细胞粘附到基质的能力下降。培养的肾小管上皮细胞暴露到氧化应激条件下，可使细胞极性发生改变。1整合素从基膜区重分布于顶膜区。这种改变对细胞粘附能力下降作出了一种合理解释。类似的研究显示，局部粘附复合体的解聚，伴基膜talin的丧失，这也是1整合素从基膜肌动蛋白细胞骨架上解离的原因。体外培养的肾小管上皮细胞在ATP消耗时

15、，肌动蛋白张力纤维明显消失。最初的研究表明，Rho-GTP酶在体外ATP消耗时的张力纤维丧失和肌动蛋白细胞骨架解聚中起重要作用。3细胞极性的改变对缺血性ARF时肾功能的影响急性缺血性损伤时细胞极性的改变在其GFR下降过程中具有重要的功能意义。肌动蛋白细胞骨架的改变，细胞极性的丧失，与造成GFR降低的机制密切相关5。受损上皮细胞的极性丧失及1整合素的再分布可导致细胞粘附功能发生改变。其中，细胞与基底膜的粘附性降低可导致上皮细胞脱落；上皮细胞顶膜粘附性增加可导致非粘附细胞结合到管腔上皮细胞增多。脱落及非脱落细胞在管腔中行走缓慢，是小管阻塞的原因。静脉输注RGD肽物质，能提高动物缺血性ARF的GFR

16、。顶端微绒毛区的形态学改变连同膜脂和膜蛋白的极性改变，在急性缺血性损伤的GFR下降中也起作用。微绒毛表面区的缺失，顶端钠糖共转运减少，以及Na-KATP酶在顶膜区的重分布，导致近曲小管钠转运改变，进而进入致密斑的钠滤过分数增加，进一步导致入球小动脉收缩（经管球反馈），这是急性缺血性损伤后GFR下降的原因。在缺血性的人同种移植肾中，已证实入球小动脉收缩是GFR下降的原因。紧密连结的门功能改变使得细胞间的通透性增加，进而导致肾小球滤过物回漏。具有活力的细胞从基质上脱落使得上皮细胞的完整性丧失，也可能导致肾小球滤过物回漏增加。4细胞极性的重建与肾功能恢复细胞极性的重建取决于其损伤的严重程度。体内缺血

17、15min仅要求2448h的再灌注；而缺血50min则需要数天才能完成基膜区和顶膜区的极性重建。结构极性重建（肌动蛋白细胞骨架）是表面膜极性重建的前提5。体外研究表明，细胞外酸性环境有助于肌动蛋白细胞骨架的稳定，从而减少ATP消耗时的肌动蛋白细胞骨架改变。目前还不知道，极性重建过程中，解聚和破坏的肌动蛋白细胞骨架成份，是再利用还是重新合成。尽管细胞极性重建的机制还不明确，但目前认为主要是受损细胞的重塑，而不是大量的细胞增生。在动物试验中证实，EGF、IGF、HGF等生长因子可促进缺血性ARF后的细胞和器官功能恢复，其机制可能是通过信号传导途径而参与肌动蛋白的调节过程。深入研究缺血后的肌动蛋白细

18、胞骨架重构及细胞极性重建过程，将为治疗新方法的提出提供帮助。(本文编辑蒋群)郭啸华（南京大学医学院博士研究生）杨俊伟（南京军区南京总医院解放军肾脏病研究所 南京，210002）参考文献1，Caplan MJMembrane polarity in epithelial cells：protein sorting and esablishment of polarized domainsAm J Physiol，1997，272：F4252，Wilson PDEpithelial cell polarity and diseaseAm J Physiol，1997，272：F4343，Molitoris BAPutting the actin cytoskeleton into perspective：pathophysiology of ischemic lerationsAm J Physiol，199