李 洋，洪 莉

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院婦產(chǎn)科，武漢 430060)

整合素是一類細(xì)胞表面受體，能夠?qū)⒓?xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)與細(xì)胞骨架聯(lián)系起來，并通過黏附復(fù)合物向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)化學(xué)和物理信號。ECM-整合素-細(xì)胞骨架信號軸也參與了多種疾病和組織的病理變化過程。外界的力學(xué)刺激作用于整合素可改變細(xì)胞骨架的結(jié)構(gòu)，激活信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)過程[1]。多細(xì)胞生物體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)高度依賴于ECM復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)與胞內(nèi)細(xì)胞骨架的動態(tài)聯(lián)系，這些聯(lián)系是在某些細(xì)胞黏附受體基礎(chǔ)上建立的，這其中就有與整合素結(jié)合的ECM和細(xì)胞骨架連接蛋白。激活態(tài)的整合素聚集并招募大量的細(xì)胞骨架相關(guān)信號蛋白，通過不斷變化細(xì)胞形態(tài)、蛋白構(gòu)成以及亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)定位形成各種黏附結(jié)構(gòu)[2]。這種動態(tài)的黏附結(jié)構(gòu)的生命周期是通過肌動球蛋白和微管細(xì)胞骨架調(diào)控的[3-4]。整合素又是一種跨膜糖蛋白分子，可以連接ECM與細(xì)胞骨架成分-肌動蛋白微絲，形成具有信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功能的局部黏附裝置——局部黏附斑，而整合素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)便是ECM-整合素-細(xì)胞骨架蛋白所構(gòu)成的黏著斑。現(xiàn)就整合素與細(xì)胞骨架生物關(guān)系的最新研究進展進行綜述。

1 整合素的結(jié)構(gòu)及生物學(xué)功能

整合素是一類異二聚體，屬跨膜細(xì)胞表面受體，由18個α亞基和8個β亞基組成[5]。α亞基的分子量為120 000～180 000，β亞基的分子量為90 000～110 000，兩個亞基(α和β)以非共價鍵結(jié)合。整合素β亞基上存在一個金屬離子依賴的黏附位點，二價金屬離子占據(jù)后被激活[6]。根據(jù)天然配體的不同整合素可分為4類：精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸、膠原受體、白細(xì)胞特異性受體以及層粘連蛋白受體。整合素通過識別ECM蛋白的結(jié)合基序，在生物環(huán)境中發(fā)揮促細(xì)胞黏附、遷移以及增殖的作用[7]。此外，整合素作為一種雙向信號轉(zhuǎn)導(dǎo)元件，在細(xì)胞的生存和基因表達上也發(fā)揮著重要作用。

非激活狀態(tài)時，整合素頭部彎曲指向胞膜，因此對其他配體表現(xiàn)出非常低的親和力[8]。當(dāng)胞內(nèi)的β亞基與蛋白結(jié)合誘導(dǎo)胞外結(jié)構(gòu)的構(gòu)象發(fā)生改變，并伴有對其他配體親和力的提高，這就是“內(nèi)-外信號”，調(diào)控細(xì)胞的黏附和遷移[9-10]。這種親和力由低向高轉(zhuǎn)換的過程就是整合素的激活過程，此過程需要踝蛋白結(jié)合到細(xì)胞質(zhì)整合素β亞基的尾端，從而招募肌動球蛋白并提供給整合素配體的結(jié)合端。反過來，“外-內(nèi)信號”的發(fā)生導(dǎo)致跨膜單位分解，整合素聚集，產(chǎn)生1.5 pN的拉伸力(結(jié)合配體的能力)[11-12]，如果這種拉伸力提高到10～30 pN，整合素配體結(jié)合端的結(jié)合力通過形成“抓取結(jié)合端”得到極大加強，這有助于提高結(jié)合端的存在時限，減弱整合素配體端的關(guān)閉率[13]，形成黏著斑，促使胞內(nèi)信號-級聯(lián)放大的發(fā)生，此現(xiàn)象調(diào)節(jié)多種生物學(xué)過程，包括細(xì)胞的極性、骨架蛋白結(jié)構(gòu)以及細(xì)胞生存[14]。在細(xì)胞黏附過程中，整合素聚集形成黏著斑，促使細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域通過踝蛋白和黏著斑蛋白與肌動蛋白細(xì)胞骨架結(jié)合[15-16]。整合素幾乎存在于所有類型的細(xì)胞中，表現(xiàn)出不同的分布模式，并極大程度上參與了腫瘤、骨質(zhì)疏松癥及免疫性疾病的過程。

2 細(xì)胞骨架的構(gòu)成和生物學(xué)功能

細(xì)胞骨架是位于細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的蛋白纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由微管、微絲以及中間絲構(gòu)成。微管由微管蛋白和微管結(jié)合蛋白組成，為圓柱狀中空結(jié)構(gòu)，具有較強的極性。微絲呈螺旋狀，由肌動蛋白組成。肌動蛋白分為兩種，即有活性的聚合態(tài)纖維肌動蛋白和無活性的可溶性球狀肌動蛋白，兩者的含量在細(xì)胞中是動態(tài)平衡的。中間絲是一種纖維狀蛋白，其直徑介于微絲與微管之間，圍繞著細(xì)胞核分布，成束成網(wǎng)，并擴展到細(xì)胞質(zhì)膜，與質(zhì)膜相聯(lián)結(jié)。這3種細(xì)胞骨架成分雖結(jié)構(gòu)不同，形態(tài)各異，但三者在功能行使上相互協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)上彼此聯(lián)系，構(gòu)成了復(fù)雜的骨架結(jié)構(gòu)，參與了細(xì)胞的生長分化、轉(zhuǎn)移、增殖、凋亡、信息傳遞、遺傳表達等多種生命過程，并維持了細(xì)胞的形態(tài)和剛性。

3 整合素與細(xì)胞骨架的生物學(xué)關(guān)系

3.1整合素穩(wěn)定細(xì)胞骨架 微管的結(jié)構(gòu)是動態(tài)變化的，能協(xié)調(diào)肌動蛋白的聚合作用、物質(zhì)轉(zhuǎn)運、細(xì)胞膜重構(gòu)，因此與細(xì)胞黏附及遷移關(guān)系密切[17]。Byron等[18]證實，微管定位于細(xì)胞周圍依賴于整合素的激活水平，穩(wěn)定性也受激活的整合素的影響。杜華等[19]應(yīng)用功能性抑制劑抑制腫瘤細(xì)胞合成、分泌整合素β1，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞內(nèi)微絲的排列極向發(fā)生改變，顯微鏡下胞內(nèi)微絲束密集而粗壯，在整個細(xì)胞和細(xì)胞突起中沿細(xì)胞極性平行排列或縱橫交錯成網(wǎng)狀，細(xì)胞偽足減少，顯著減弱細(xì)胞的運動遷移及體外侵襲能力。Qiu等[20]認(rèn)為使用牙齦素提取物處理成骨細(xì)胞會破壞聚合態(tài)纖維肌動蛋白的完整性，但過表達的整合素β1可逆轉(zhuǎn)牙齦素的這種作用。在一項研究中，為了更確切地了解整合素β3調(diào)節(jié)整合素黏附復(fù)合體在內(nèi)皮細(xì)胞中的作用，敲減內(nèi)皮細(xì)胞整合素β3后發(fā)現(xiàn)，微管的生物學(xué)行為發(fā)生了改變，同時也影響了細(xì)胞的遷移[21]。

3.2整合素促進細(xì)胞骨架重排 整合素可通過與ECM相關(guān)的蛋白成分結(jié)合活化特定的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，導(dǎo)致細(xì)胞骨架重排，從而誘導(dǎo)細(xì)胞形變、伸展、遷移、增殖及分化。微管的存在是一個動態(tài)的過程，表現(xiàn)為生成、破壞、再生成的過程。當(dāng)細(xì)胞膜表面的整合素受到應(yīng)力作用并產(chǎn)生變形后，將這種應(yīng)力信號傳遞給細(xì)胞膜下黏著斑蛋白的肌動蛋白，然后傳遞給整個細(xì)胞骨架并使后者按應(yīng)力方向進行重新排列。整合素β亞單位活化后，激活黏著斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)，緊接著酪氨酸激酶進一步活化Rho家族(Ras超家族中小分子量G蛋白成員)的GTP酶(Rho、Rac、Cdc42)，后者控制著細(xì)胞骨架蛋白肌動蛋白的解聚合成，類似細(xì)胞內(nèi)的分子“開關(guān)”[22]。

血管生成素樣蛋白3可引起腎臟足細(xì)胞骨架重排，整合素β3在其中起著重要作用，并且整合素β3活化FAK的自主磷酸化位點Y397，進一步誘導(dǎo)足細(xì)胞骨架重排[23]。研究表明，微管解聚后的再生受整合素受體激活水平的影響，且整合素β1激活/非激活的狀態(tài)的調(diào)節(jié)需微管定位于細(xì)胞邊緣，也可認(rèn)為整合素在細(xì)胞膜的激活指導(dǎo)微管的生長[18]。Scheiblin等[24]的研究表明，整合素β1敲減的內(nèi)皮層纖維細(xì)胞的纖維狀肌動蛋白顯著減少，以至于無法保持肌動蛋白的細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)。整合素與ECM中相關(guān)的配體蛋白結(jié)合后可發(fā)生一系列生理變化，如整合素分子的聚集以及胞質(zhì)中與之相關(guān)的信號分子的聚集，進而引起細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)的改變，并且這種細(xì)胞骨架的改變將相關(guān)信號傳遞給下游的效應(yīng)分子，引起細(xì)胞黏附和遷移能力的改變[25-26]，進而影響腫瘤細(xì)胞的相關(guān)特性。

3.3整合素、細(xì)胞骨架與黏著斑 黏著斑是一種細(xì)胞膜上的成分，由多種蛋白相互作用生成的ECM與細(xì)胞骨架之間的物理聯(lián)系，包含整合素、ECM蛋白、支架蛋白等，細(xì)胞膜上整合素的活化啟動黏著斑的裝配，通過整合素和肌動蛋白結(jié)合蛋白連接細(xì)胞骨架與ECM，并傳導(dǎo)化學(xué)信號，介導(dǎo)黏附依賴性的細(xì)胞遷移、生存及增殖。Ingber[27]應(yīng)用磁扭轉(zhuǎn)細(xì)胞計將機械力直接加載于細(xì)胞表面受體證實，整合素β1可將機械力學(xué)信號傳遞至細(xì)胞骨架，誘導(dǎo)黏著斑形成。整合素介導(dǎo)黏附結(jié)構(gòu)的裝配是在片狀偽足上通過核化3～6個與ECM穩(wěn)定結(jié)合的整合素分子而形成初級黏附[28]。大部分初級黏附形成后很快分解，只有小部分基序聚集整合素，通過招募額外的效應(yīng)蛋白加強整合素-肌動球蛋白的聯(lián)系，促使大的黏著斑形成。細(xì)胞與ECM黏附在很多生理學(xué)功能上有重要作用，如細(xì)胞遷移、侵入以及上皮基膜的附著。在眾多黏附結(jié)構(gòu)中，黏著斑發(fā)揮著最為重要的作用[29]，這些蛋白復(fù)合體通過跨膜異二聚體整合素使不同的ECM成分結(jié)合到肌動蛋白結(jié)合蛋白上[30]。在黏著斑起始下游的信號通路中，細(xì)胞骨架產(chǎn)生的細(xì)胞收縮力和外載機械應(yīng)力對ECM的力刺激非常重要[31]。微管在皮層微管穩(wěn)定復(fù)合體(cortical microtubule stabilization complexes,CMSCs)的介導(dǎo)下作用于成熟的黏著斑。CMSCs以點狀出現(xiàn)在片狀偽足之后臨近成熟的黏著斑[32]，并通過直接底物蛋白，即同源樣蛋白B作用于屬于微管正端蛋白的胞質(zhì)鏈接聯(lián)合蛋白[33]。隨后，微管-CMSC復(fù)合體與黏著斑的結(jié)合依靠微管-肌動蛋白交聯(lián)因子1(microtubule-actin crosslinking factor 1,MACF1)和腎錨蛋白重復(fù)蛋白(kidney ankyrin repeat-containing protein, Kank)。具體機制是MACF1通過黏著斑相關(guān)的肌動球蛋白交聯(lián)微管[34]，Kank通過踝蛋白相關(guān)整合素連接CMSC[35-36]，從而促進微管-CMSC復(fù)合體與黏著斑的結(jié)合。Kank家族蛋白可通過與突觸形成相關(guān)蛋白(liprin-β1)結(jié)合實現(xiàn)與CMSAs的相互作用[37]，并通過與踝蛋白相作用，Kank蛋白招募liprin-β1到成熟的黏著斑上，從而聚集額外的CMSC產(chǎn)物，最終讓微管與整合素聯(lián)系起來[35-36]。需要注意的是在缺乏Kank蛋白時，CMSCs是分散出現(xiàn)的，但仍然相對接近黏著斑。

微管靶向及圍繞黏著斑發(fā)揮著至少兩種作用，一是調(diào)控黏著斑分解。微管頻繁與CMSC結(jié)合能夠隔絕和抑制微管釋放RhoA和鳥苷酸釋放因子[38]，導(dǎo)致局部RhoA活性降低，減弱肌動球蛋白的收縮力，從而達到促進黏著斑分解的目的[3]。另外，微管靶向作用于黏著斑的絲裂原激活蛋白激酶激酶4，使絲裂原激活蛋白激酶激酶4通過磷酸化膜突蛋白，促進踝蛋白從整合素上分離[39]，隨后通過激活A(yù)DP核糖基化因子6 GTP酶，誘導(dǎo)網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的整合素內(nèi)化[40]。另一種作用是微管錨定在黏著斑周圍，聯(lián)系微管蛋白與黏著斑，并平行于細(xì)胞遷移方向。肌動蛋白-微管與MACF1交聯(lián)對指導(dǎo)微管和聚合態(tài)纖維肌動蛋白朝向黏著斑生長[41]。缺乏MACF1或kank1會導(dǎo)致微管在細(xì)胞邊緣過度生長，并使細(xì)胞極化[42]。

3.4整合素與細(xì)胞骨架共同介導(dǎo)信號轉(zhuǎn)導(dǎo) 近年來，ECM-整合素-細(xì)胞骨架通路在機械應(yīng)力刺激細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的作用引起了廣泛關(guān)注。生物體內(nèi)的細(xì)胞受多種力的作用，如外界機械力、流體靜壓力、液相剪切力等，這些不同的力可在不同程度上導(dǎo)致細(xì)胞變性，從而引起各種細(xì)胞反應(yīng)，包括細(xì)胞分化、增殖、形變等。這種細(xì)胞水平的力學(xué)反應(yīng)是如何從力學(xué)信號轉(zhuǎn)化成下游化學(xué)信號的，張競等[43]的研究認(rèn)為，機械應(yīng)力刺激可引起肌動蛋白相關(guān)錨定蛋白表達的上調(diào)，從而引起成骨細(xì)胞肌動蛋白聚合動態(tài)學(xué)變化。此外，微管結(jié)構(gòu)也參與調(diào)節(jié)肌絲的動態(tài)變化，并通過抑制微管的聚合，增加成骨細(xì)胞人骨成型蛋白2的表達。整合素通過與ECM中不同配體蛋白結(jié)合，激活下游相關(guān)的信號通路，從而產(chǎn)生不同的生物學(xué)效應(yīng)，此過程是多種蛋白分子交互作用形成網(wǎng)絡(luò)調(diào)控，從而發(fā)揮綜合效應(yīng)的結(jié)果。Cui等[44]的研究證實了剪切力能通過ECM-整合素αⅤβ3-纖維肌動蛋白信號通路完成對內(nèi)皮祖細(xì)胞CD59表達的調(diào)節(jié)。

除了轉(zhuǎn)導(dǎo)力學(xué)信號外，整合素-細(xì)胞骨架還可介導(dǎo)細(xì)胞的黏附和轉(zhuǎn)移。有報道證實，大蒜素能下調(diào)總的及磷酸化的FAK，并使纖維肌動蛋白排列紊亂，從而抑制黑色素瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移[45]。在Cavalheiro等[46]的研究中，使用小干擾RNA敲減蛋白多糖4的表達能夠破壞細(xì)胞骨架蛋白網(wǎng)，這其中就有整合素的參與。在移行細(xì)胞中，由聚合作用或細(xì)胞收縮力產(chǎn)生的纖維肌動蛋白，在細(xì)胞邊緣的“退化流”中形成細(xì)胞骨架力能夠介導(dǎo)整合素與配體的結(jié)合，從而激活整合素[47]。同時，由肌球蛋白磷酸化酶介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)伸縮力和微管乙?；饔玫钠胶饪梢哉{(diào)節(jié)細(xì)胞表面整合素α5β1的密度，從而調(diào)節(jié)纖連蛋白基質(zhì)的裝配，控制細(xì)胞遷移及形態(tài)的發(fā)生[48]。微管網(wǎng)絡(luò)還可通過調(diào)節(jié)整合素參與的黏附復(fù)合體，調(diào)控細(xì)胞遷移，具體機制為微管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分布形式通過提高受RhoA刺激的肌動球蛋白的收縮性增加黏附復(fù)合體的大小，并抑制其周轉(zhuǎn)[49]。踝蛋白是細(xì)胞質(zhì)的接頭蛋白，對于介導(dǎo)整合素與ECM結(jié)合形成細(xì)胞黏附非常重要，通過控制整合素的激活狀態(tài)，將整合素與細(xì)胞骨架聯(lián)系起來，從而招募大量的信號分子介導(dǎo)整合素信號通路，并通過與Kank蛋白相互作用協(xié)調(diào)微管蛋白流向黏附點[50]。

4 結(jié) 語

整合素和細(xì)胞骨架在細(xì)胞的生命活動中扮演著重要角色，兩者互相調(diào)節(jié)、協(xié)調(diào)作用，共同完成生命體重要的生物過程，尤其是在一些病理過程中，如腫瘤的轉(zhuǎn)移、侵襲，過度機械力刺激誘導(dǎo)的組織功能障礙，神經(jīng)退行性疾病等中。整合素-細(xì)胞骨架的相互作用在不同生物學(xué)功能的實現(xiàn)中發(fā)揮著重要的作用，涉及不同性質(zhì)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、傳遞，弄清這些關(guān)系有助于更好地了解相關(guān)的生命活動，發(fā)現(xiàn)更多疾病的發(fā)病緣由，更好地預(yù)防、治療疾病，但目前許多具體的作用機制仍尚不明了，有待于進一步研究。