奇云

摘要：細(xì)胞粘附分子是一類介導(dǎo)細(xì)胞間粘附的膜表面糖蛋白，在炎癥反應(yīng)、免疫應(yīng)答、信息傳遞、腫瘤的發(fā)生與發(fā)展等多種生理、病理過程中，都發(fā)揮著重要的作用。因此，細(xì)胞粘附分子研究成為生命科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)，本文著重介紹近年有關(guān)細(xì)胞粘附分子研究的新成果。

關(guān)鍵詞：細(xì)胞；細(xì)胞外基質(zhì)；細(xì)胞粘附分子

1 細(xì)胞粘附分子概述

細(xì)胞與細(xì)胞之間及細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)（ExtraCellular Matrix，ECM）之間的相互粘附是最基本的生物學(xué)現(xiàn)象之一，介導(dǎo)這種相互作用的分子則稱為細(xì)胞粘附分子（Cell adhesion Molecules,CAMs）。細(xì)胞粘附分子是存在于細(xì)胞膜表面或ECM中的跨膜糖蛋白，它們通常以配體和受體相結(jié)合的方式而發(fā)揮作用[1]。目前已發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞粘附分子有50種以上，分為五大類：免疫球蛋白超家族（Immunoglobulin superfamily,ISF）、整合素家族（Integrin Family,IF）、選擇素家族（Selectin family,SF）、鈣粘附素家族（Cadherin Family,CF）和CD44分子。

細(xì)胞粘附分子是跨膜糖蛋白，分子結(jié)構(gòu)由三部分組成：一是胞外區(qū)，肽鏈的N端部分，帶有糖鏈，負(fù)責(zé)與配體的識別；二是跨膜區(qū)，多為一次跨膜；三是胞質(zhì)區(qū)，肽鏈的C端部分，一般較小，或與質(zhì)膜下的骨架成分直接相連，或與胞內(nèi)的化學(xué)信號分子相連，以活化信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。

2 細(xì)胞粘附分子的研究及發(fā)展[2-4]

2.1 發(fā)現(xiàn)細(xì)胞粘附分子在神經(jīng)元的樹突發(fā)育過程中起重要作用

神經(jīng)電活動可促進(jìn)神經(jīng)元的樹突形態(tài)發(fā)生和神經(jīng)環(huán)路的形成。細(xì)胞粘附分子被報道在神經(jīng)元的樹突發(fā)育過程中起重要作用，但其分子機(jī)制尚不清晰。2010年5月26日，《美國科學(xué)院院刊》發(fā)表了中科院神經(jīng)科學(xué)研究所博士研究生談竹君、彭云和導(dǎo)師于翔研究員的成果。談竹君和彭云等人發(fā)現(xiàn)：神經(jīng)電活動依賴的樹突形態(tài)發(fā)生，需要細(xì)胞粘附分子N-cadherin介導(dǎo)的神經(jīng)元之間的相互作用；因為這一現(xiàn)象不能在低密度培養(yǎng)的神經(jīng)元中觀察到，并且可被 N-cadherin 細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域的重組蛋白所阻斷。更重要的是，神經(jīng)電活動可使細(xì)胞膜上 N-cadherin 分子的蛋白量增加，且 N-cadherin 在膜上的表達(dá)對新生樹突的維持是必須的。這些結(jié)果揭示了神經(jīng)電活動誘導(dǎo)的， N-cadherin 依賴的神經(jīng)元之間的相互接觸在新生樹突維持過程中的特異作用，為進(jìn)一步解析細(xì)胞粘附分子介導(dǎo)樹突形態(tài)發(fā)生的機(jī)制提供了新的思路。

2.2發(fā)現(xiàn)小分子化合物通過E-cadherin蛋白加速重編程過程

來自中科院上海生命科學(xué)研究院生化與細(xì)胞所、同濟(jì)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、美國梅奧臨床癌癥研究中心的研究人員發(fā)現(xiàn)，小分子化合物通過細(xì)胞粘附相關(guān)分子E-cadherin蛋白能加速重編程過程，這為提高iPS細(xì)胞誘導(dǎo)效率提供了一種新策略。

細(xì)胞重編程是指已經(jīng)分化的細(xì)胞重新獲得分化多能性的過程。誘導(dǎo)多能干細(xì)胞即iPS細(xì)胞是通過向體細(xì)胞中以病毒方式導(dǎo)入外源的四個轉(zhuǎn)錄因子Oct3/4，Sox2，c-Myc及Klf4而獲得，具有與胚胎干細(xì)胞相似的形態(tài)和表觀遺傳特征，更重要的是，二者具有相似的分化能力，即分化的全能性。iPS細(xì)胞的出現(xiàn)使得無倫理爭議的病人特異性的干細(xì)胞獲得成為可能，而由病人特異性的iPS細(xì)胞分化得到的特異性前體細(xì)胞和成熟細(xì)胞即可應(yīng)用在組織器官移植治療、基因治療、藥物篩選模型的建立、以及特異疾病分子機(jī)制的研究等多方面。了解重編程過程復(fù)雜的分子機(jī)制有利于開發(fā)更加安全和有效的iPS誘導(dǎo)方法。

該項目研究者發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞粘附相關(guān)分子E-cadherin蛋白在iPS形成過程中起著重要作用。E-cadherin蛋白的表達(dá)水平在細(xì)胞重編程過程的早期即開始上調(diào)；在完全重編程的iPS細(xì)胞中存在著與ES細(xì)胞中相同的由E-cadherin蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞-細(xì)胞連接，下調(diào)E-cadherin的表達(dá)會降低iPS形成效率，反之，過表達(dá)E-cadherin能夠促進(jìn)iPS形成效率。在重編程過程中過表達(dá)E-cadherin而得到的iPS細(xì)胞具有和ES細(xì)胞一樣的分化全能性。進(jìn)一步，研究人員篩選得到了兩種能夠通過促進(jìn)E-cadherin蛋白表達(dá)而提高iPS細(xì)胞誘導(dǎo)效率的小分子化合物，從而提供了優(yōu)化iPS細(xì)胞誘導(dǎo)效率的新策略。

2.3 發(fā)現(xiàn)細(xì)胞粘附分子在神經(jīng)系統(tǒng)可塑性中的作用及其機(jī)制

各種不同的細(xì)胞粘附分子大量存在于海馬的前后突觸的膜上。采用多種技術(shù)手段，現(xiàn)在已積累了有關(guān)細(xì)胞粘附分子參與神經(jīng)系統(tǒng)可塑性的大量資料。第一，在經(jīng)常發(fā)生神經(jīng)發(fā)生和可塑性的腦區(qū)有發(fā)育階段特性的突起生長和細(xì)胞的遷移，并有細(xì)胞粘附分子的表達(dá)；第二，在突觸可塑性和中，有細(xì)胞粘附分子表達(dá)的變化和各種轉(zhuǎn)錄后修飾；第三，抗體和抑制NCAM表達(dá)可損害突觸傳遞長時程增強(qiáng)(LTP)和學(xué)習(xí)。

神經(jīng)細(xì)胞粘附分子參與可塑性有兩個機(jī)制：其一為細(xì)胞粘附分子介導(dǎo)的細(xì)胞骨架動力的改變，涉及活動依賴的突觸重建。N-粘著蛋白的胞漿區(qū)直接與細(xì)胞骨架作用，而NCAM、L1的胞漿區(qū)直接與ankyrins（位于特異胞膜區(qū)的胞漿表面的spectrin結(jié)合蛋白家族的一員）相連。其二為胞內(nèi)信號系統(tǒng)。這種胞內(nèi)信號有如下的特點(diǎn)：就是胞內(nèi)信號的改變可反饋到突觸后膜，通過細(xì)胞粘附分子調(diào)控細(xì)胞與細(xì)胞的粘附，以迅速地改變突觸的結(jié)構(gòu)和效率。胞內(nèi)蛋白水解酶calpain水解NCAM的胞內(nèi)區(qū)能較快地解除和重新組織突觸的結(jié)構(gòu)聯(lián)系。

在多種動物的長時突觸可塑性中，發(fā)現(xiàn)都有依賴cAMP、PKA介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄和CREB介導(dǎo)的基因表達(dá)現(xiàn)象。CREB已被鑒定存在CREB1（激活子）和 cREB2(抑制子)兩種類型。近年，又確定了3個基本的記憶突變型，即dnc, rutabaga和amnesiac,它們都涉及cAMP途徑。CREB所致的基因表達(dá)是執(zhí)行突觸結(jié)構(gòu)功能成分生長的一個因素。dnc突變中，CREB2抑制功能性而不是結(jié)構(gòu)性可塑性，在FasⅡ減效基因中，CREB1可致突觸結(jié)構(gòu)和功能的增強(qiáng)。在野生型，CREB1的表達(dá)并不能增強(qiáng)突觸功能。提示，CREB和FasⅡ的作用是平行的。cAMP的升高，降低細(xì)胞粘附分子，促進(jìn)結(jié)構(gòu)生長，與此同時，CREB1則刺激突觸功能的增強(qiáng)。

2.4 深入揭示生命形態(tài)發(fā)生過程中通用機(jī)制

所謂形態(tài)發(fā)生過程，就是由各種系統(tǒng)化發(fā)育而來的組分組織在一起，形成一個穩(wěn)定的、有一定形態(tài)和功能的復(fù)雜有機(jī)系統(tǒng)的過程。拓樸生物學(xué)理論認(rèn)為，細(xì)胞、組織的形態(tài)發(fā)生過程是由各種不同細(xì)胞相互之間發(fā)生的種類繁多的粘附作用所決定的。不過后來該觀點(diǎn)又有了進(jìn)一步的修訂，認(rèn)為不僅是粘附機(jī)制在起作用，其它諸如需要借助外力的分子開關(guān)、細(xì)胞與組織間的張力以及細(xì)胞與周圍微環(huán)境間的相互作用等都在形態(tài)發(fā)生過程中發(fā)揮了相應(yīng)的作用。實際上，不斷由細(xì)胞分泌并改變的細(xì)胞外基質(zhì)的組成成分，以及細(xì)胞外基質(zhì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在整個形態(tài)發(fā)生過程中都是在不斷變化的。同時，這些細(xì)胞外基質(zhì)也能通過某些特定的基質(zhì)粘附受體，改變細(xì)胞的骨架結(jié)構(gòu)和形態(tài)，誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)部的信號發(fā)生改變，直接調(diào)控細(xì)胞和組織的命運(yùn)?，F(xiàn)在看來，形態(tài)發(fā)生過程可能是一個主要依賴細(xì)胞粘附機(jī)制，同時在多種機(jī)制高度有序配合的情況下完成的一個復(fù)雜過程。最開始由可溶性因子激活與細(xì)胞粘附有關(guān)的信號通路，隨后分子層面、細(xì)胞層面以及組織層面的多種機(jī)制共同發(fā)揮作用，完成形態(tài)發(fā)生過程。

細(xì)胞間以及細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)間動態(tài)的相互粘附作用，對于多細(xì)胞組織的形態(tài)發(fā)生過程和內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定至關(guān)重要。在各個層面交叉發(fā)揮作用的各種機(jī)制，就是在這個大前提下不斷發(fā)展、進(jìn)化的。這些機(jī)制都是在粘附部位通過保守信號復(fù)合體及其調(diào)控機(jī)制，與細(xì)胞骨架重構(gòu)和細(xì)胞及組織張力改變的機(jī)制互相競爭協(xié)調(diào)從而發(fā)揮局部作用。比如囊胚形成過程就包括囊胚腔形成過程和纖維狀纖維連接蛋白基質(zhì)形成過程。這兩個過程都受到了整合素連接激酶復(fù)合體的調(diào)控。

現(xiàn)代異二聚體整合素已經(jīng)發(fā)展到能夠與盤基網(wǎng)柄菌等多細(xì)胞動物中剛剛形成的具有穩(wěn)定形態(tài)的多細(xì)胞結(jié)構(gòu)相結(jié)合。結(jié)合之后，這些整合素能夠起到特異感受器的作用，來調(diào)控組織的粘附、存活以及吞噬。這些原始的整合素樣蛋白被稱作“sib受體”，它們含有與β整合素一樣的保守基序，另外在蛋白的胞質(zhì)端還含有串聯(lián)的NPXY重復(fù)基序。這說明它是一個陽離子依賴的低親和力受體，主要與胞外蛋白的酸性位點(diǎn)相結(jié)合。Sib還能起到機(jī)械連接因子的作用，通過招募踝蛋白等含有FERM結(jié)構(gòu)域的蛋白與肌動蛋白細(xì)胞骨架相連接。

2.5 開發(fā)新型細(xì)胞粘附分析試劑盒

腫瘤轉(zhuǎn)移病灶一旦形成便成為腫瘤細(xì)胞播散的基地，向更多的部位發(fā)生轉(zhuǎn)移，其路徑很多，包括組織間隙、淋巴管、血管、體腔轉(zhuǎn)移、腦脊髓腔和上皮細(xì)胞間隙等。其中組織間隙轉(zhuǎn)移是最常見和最基本的方式，需要穿透基底膜，因此需要基底膜的粘附和浸潤步驟；另一條轉(zhuǎn)移通路是淋巴通路，需要腫瘤細(xì)胞與淋巴細(xì)胞之間的粘附完成轉(zhuǎn)移過程。在腫瘤細(xì)胞的組織間隙轉(zhuǎn)移過程中，細(xì)胞外基質(zhì)是其必經(jīng)的一環(huán)。細(xì)胞外基質(zhì)是由大分子構(gòu)成的錯綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，腫瘤細(xì)胞在發(fā)生轉(zhuǎn)移前以及轉(zhuǎn)移過程中需要通過和細(xì)胞外基質(zhì)的相互作用，與細(xì)胞移動性有關(guān)的細(xì)胞骨架形成復(fù)合物，而最終執(zhí)行轉(zhuǎn)移。

細(xì)胞外基質(zhì)主要由膠原（Collagen）、非膠原糖蛋白[包括：纖粘連蛋白（Fibronectin,FN）、層粘連蛋白（Laminin,LN）]、氨基聚糖（Glycosaminoglycan,GAG）與蛋白聚糖（Proteoglycan）、以及彈性蛋白（Elastin）等組成。細(xì)胞外基質(zhì)不僅和腫瘤的轉(zhuǎn)移相關(guān)，在細(xì)胞的形狀形成、胚胎形成、細(xì)胞類型的分化組織重排等生理過程中也發(fā)揮著重要的作用。

新開發(fā)的細(xì)胞外基質(zhì)細(xì)胞粘附分析系統(tǒng)，可以定量檢測出細(xì)胞的粘附性能、方便快捷。根據(jù)不同的檢測需求，可以選擇所有細(xì)胞外基質(zhì)組合分析；也可單獨(dú)檢測細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)單個組分，如膠原蛋白Collagen I、Collagen IV、纖維連接蛋白Fibronectin、纖維蛋白原Fibrinogen、層粘連蛋白Laminin之間的粘附性能，以檢測細(xì)胞與不同基質(zhì)分子之間的的粘附活性。另外，每種分析試劑又可根據(jù)實驗要求選擇不同的檢測類型，分別為常規(guī)染色的分光光度計分析和熒光染色的熒光計分析。針對于細(xì)胞粘附，除了細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)大分子粘附分析方案外，還有針對白細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞之間（還有白細(xì)胞與上皮細(xì)胞之間、腫瘤細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞之間）的粘附分析試劑盒提供。另外，近年還開發(fā)出其他多方位的基于細(xì)胞功能特征，特別是腫瘤細(xì)胞的特性的克隆形成、細(xì)胞轉(zhuǎn)移與浸潤、細(xì)胞吞噬快速分析、細(xì)胞活力/死亡/毒性分析、細(xì)胞衰老及收縮檢測，以及血管生成分析等多種分析試劑盒。

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