细胞粘附分子研究的新进展

奇云

摘要：细胞粘附分子是一类介导细胞间粘附的膜表面糖蛋白，在炎症反应、免疫应答、信息传递、肿瘤的发生与发展等多种生理、病理过程中，都发挥着重要的作用。因此，细胞粘附分子研究成为生命科学领域的热点，本文着重介绍近年有关细胞粘附分子研究的新成果。

关键词：细胞；细胞外基质；细胞粘附分子

1 细胞粘附分子概述

细胞与细胞之间及细胞与细胞外基质（ExtraCellular Matrix，ECM）之间的相互粘附是最基本的生物学现象之一，介导这种相互作用的分子则称为细胞粘附分子（Cell adhesion Molecules,CAMs）。细胞粘附分子是存在于细胞膜表面或ECM中的跨膜糖蛋白，它们通常以配体和受体相结合的方式而发挥作用[1]。目前已发现的细胞粘附分子有50种以上，分为五大类：免疫球蛋白超家族（Immunoglobulin superfamily,ISF）、整合素家族（Integrin Family,IF）、选择素家族（Selectin family,SF）、钙粘附素家族（Cadherin Family,CF）和CD44分子。

细胞粘附分子是跨膜糖蛋白，分子结构由三部分组成：一是胞外区，肽链的N端部分，带有糖链，负责与配体的识别；二是跨膜区，多为一次跨膜；三是胞质区，肽链的C端部分，一般较小，或与质膜下的骨架成分直接相连，或与胞内的化学信号分子相连，以活化信号转导途径。

2 细胞粘附分子的研究及发展[2-4]

2.1 发现细胞粘附分子在神经元的树突发育过程中起重要作用

神经电活动可促进神经元的树突形态发生和神经环路的形成。细胞粘附分子被报道在神经元的树突发育过程中起重要作用，但其分子机制尚不清晰。2010年5月26日，《美国科学院院刊》发表了中科院神经科学研究所博士研究生谈竹君、彭云和导师于翔研究员的成果。谈竹君和彭云等人发现：神经电活动依赖的树突形态发生，需要细胞粘附分子N-cadherin介导的神经元之间的相互作用；因为这一现象不能在低密度培养的神经元中观察到，并且可被 N-cadherin 细胞外结构域的重组蛋白所阻断。更重要的是，神经电活动可使细胞膜上 N-cadherin 分子的蛋白量增加，且 N-cadherin 在膜上的表达对新生树突的维持是必须的。这些结果揭示了神经电活动诱导的， N-cadherin 依赖的神经元之间的相互接触在新生树突维持过程中的特异作用，为进一步解析细胞粘附分子介导树突形态发生的机制提供了新的思路。

2.2发现小分子化合物通过E-cadherin蛋白加速重编程过程

来自中科院上海生命科学研究院生化与细胞所、同济大学生命科学与技术学院、美国梅奥临床癌症研究中心的研究人员发现，小分子化合物通过细胞粘附相关分子E-cadherin蛋白能加速重编程过程，这为提高iPS细胞诱导效率提供了一种新策略。

细胞重编程是指已经分化的细胞重新获得分化多能性的过程。诱导多能干细胞即iPS细胞是通过向体细胞中以病毒方式导入外源的四个转录因子Oct3/4，Sox2，c-Myc及Klf4而获得，具有与胚胎干细胞相似的形态和表观遗传特征，更重要的是，二者具有相似的分化能力，即分化的全能性。iPS细胞的出现使得无伦理争议的病人特异性的干细胞获得成为可能，而由病人特异性的iPS细胞分化得到的特异性前体细胞和成熟细胞即可应用在组织器官移植治疗、基因治疗、药物筛选模型的建立、以及特异疾病分子机制的研究等多方面。了解重编程过程复杂的分子机制有利于开发更加安全和有效的iPS诱导方法。

该项目研究者发现，细胞粘附相关分子E-cadherin蛋白在iPS形成过程中起着重要作用。E-cadherin蛋白的表达水平在细胞重编程过程的早期即开始上调；在完全重编程的iPS细胞中存在着与ES细胞中相同的由E-cadherin蛋白介导的细胞-细胞连接，下调E-cadherin的表达会降低iPS形成效率，反之，过表达E-cadherin能够促进iPS形成效率。在重编程过程中过表达E-cadherin而得到的iPS细胞具有和ES细胞一样的分化全能性。进一步，研究人员筛选得到了两种能够通过促进E-cadherin蛋白表达而提高iPS细胞诱导效率的小分子化合物，从而提供了优化iPS细胞诱导效率的新策略。

2.3 发现细胞粘附分子在神经系统可塑性中的作用及其机制

各种不同的细胞粘附分子大量存在于海马的前后突触的膜上。采用多种技术手段，现在已积累了有关细胞粘附分子参与神经系统可塑性的大量资料。第一，在经常发生神经发生和可塑性的脑区有发育阶段特性的突起生长和细胞的迁移，并有细胞粘附分子的表达；第二，在突触可塑性和中，有细胞粘附分子表达的变化和各种转录后修饰；第三，抗体和抑制NCAM表达可损害突触传递长时程增强(LTP)和学习。

神经细胞粘附分子参与可塑性有两个机制：其一为细胞粘附分子介导的细胞骨架动力的改变，涉及活动依赖的突触重建。N-粘着蛋白的胞浆区直接与细胞骨架作用，而NCAM、L1的胞浆区直接与ankyrins（位于特异胞膜区的胞浆表面的spectrin结合蛋白家族的一员）相连。其二为胞内信号系统。这种胞内信号有如下的特点：就是胞内信号的改变可反馈到突触后膜，通过细胞粘附分子调控细胞与细胞的粘附，以迅速地改变突触的结构和效率。胞内蛋白水解酶calpain水解NCAM的胞内区能较快地解除和重新组织突触的结构联系。

在多种动物的长时突触可塑性中，发现都有依赖cAMP、PKA介导的转录和CREB介导的基因表达现象。CREB已被鉴定存在CREB1（激活子）和 cREB2(抑制子)两种类型。近年，又确定了3个基本的记忆突变型，即dnc, rutabaga和amnesiac,它们都涉及cAMP途径。CREB所致的基因表达是执行突触结构功能成分生长的一个因素。dnc突变中，CREB2抑制功能性而不是结构性可塑性，在FasⅡ减效基因中，CREB1可致突触结构和功能的增强。在野生型，CREB1的表达并不能增强突触功能。提示，CREB和FasⅡ的作用是平行的。cAMP的升高，降低细胞粘附分子，促进结构生长，与此同时，CREB1则刺激突触功能的增强。

2.4 深入揭示生命形态发生过程中通用机制

所谓形态发生过程，就是由各种系统化发育而来的组分组织在一起，形成一个稳定的、有一定形态和功能的复杂有机系统的过程。拓朴生物学理论认为，细胞、组织的形态发生过程是由各种不同细胞相互之间发生的种类繁多的粘附作用所决定的。不过后来该观点又有了进一步的修订，认为不仅是粘附机制在起作用，其它诸如需要借助外力的分子开关、细胞与组织间的张力以及细胞与周围微环境间的相互作用等都在形态发生过程中发挥了相应的作用。实际上，不断由细胞分泌并改变的细胞外基质的组成成分，以及细胞外基质的拓扑结构，在整个形态发生过程中都是在不断变化的。同时，这些细胞外基质也能通过某些特定的基质粘附受体，改变细胞的骨架结构和形态，诱导细胞内部的信号发生改变，直接调控细胞和组织的命运。现在看来，形态发生过程可能是一个主要依赖细胞粘附机制，同时在多种机制高度有序配合的情况下完成的一个复杂过程。最开始由可溶性因子激活与细胞粘附有关的信号通路，随后分子层面、细胞层面以及组织层面的多种机制共同发挥作用，完成形态发生过程。

细胞间以及细胞与细胞外基质间动态的相互粘附作用，对于多细胞组织的形态发生过程和内环境的稳定至关重要。在各个层面交叉发挥作用的各种机制，就是在这个大前提下不断发展、进化的。这些机制都是在粘附部位通过保守信号复合体及其调控机制，与细胞骨架重构和细胞及组织张力改变的机制互相竞争协调从而发挥局部作用。比如囊胚形成过程就包括囊胚腔形成过程和纤维状纤维连接蛋白基质形成过程。这两个过程都受到了整合素连接激酶复合体的调控。

现代异二聚体整合素已经发展到能够与盘基网柄菌等多细胞动物中刚刚形成的具有稳定形态的多细胞结构相结合。结合之后，这些整合素能够起到特异感受器的作用，来调控组织的粘附、存活以及吞噬。这些原始的整合素样蛋白被称作“sib受体”，它们含有与β整合素一样的保守基序，另外在蛋白的胞质端还含有串联的NPXY重复基序。这说明它是一个阳离子依赖的低亲和力受体，主要与胞外蛋白的酸性位点相结合。Sib还能起到机械连接因子的作用，通过招募踝蛋白等含有FERM结构域的蛋白与肌动蛋白细胞骨架相连接。

2.5 开发新型细胞粘附分析试剂盒

肿瘤转移病灶一旦形成便成为肿瘤细胞播散的基地，向更多的部位发生转移，其路径很多，包括组织间隙、淋巴管、血管、体腔转移、脑脊髓腔和上皮细胞间隙等。其中组织间隙转移是最常见和最基本的方式，需要穿透基底膜，因此需要基底膜的粘附和浸润步骤；另一条转移通路是淋巴通路，需要肿瘤细胞与淋巴细胞之间的粘附完成转移过程。在肿瘤细胞的组织间隙转移过程中，细胞外基质是其必经的一环。细胞外基质是由大分子构成的错综复杂的网络，肿瘤细胞在发生转移前以及转移过程中需要通过和细胞外基质的相互作用，与细胞移动性有关的细胞骨架形成复合物，而最终执行转移。

细胞外基质主要由胶原（Collagen）、非胶原糖蛋白[包括：纤粘连蛋白（Fibronectin,FN）、层粘连蛋白（Laminin,LN）]、氨基聚糖（Glycosaminoglycan,GAG）与蛋白聚糖（Proteoglycan）、以及弹性蛋白（Elastin）等组成。细胞外基质不仅和肿瘤的转移相关，在细胞的形状形成、胚胎形成、细胞类型的分化组织重排等生理过程中也发挥着重要的作用。

新开发的细胞外基质细胞粘附分析系统，可以定量检测出细胞的粘附性能、方便快捷。根据不同的检测需求，可以选择所有细胞外基质组合分析；也可单独检测细胞与细胞外基质单个组分，如胶原蛋白Collagen I、Collagen IV、纤维连接蛋白Fibronectin、纤维蛋白原Fibrinogen、层粘连蛋白Laminin之间的粘附性能，以检测细胞与不同基质分子之间的的粘附活性。另外，每种分析试剂又可根据实验要求选择不同的检测类型，分别为常规染色的分光光度计分析和荧光染色的荧光计分析。针对于细胞粘附，除了细胞与细胞外基质大分子粘附分析方案外，还有针对白细胞与内皮细胞之间（还有白细胞与上皮细胞之间、肿瘤细胞与内皮细胞之间）的粘附分析试剂盒提供。另外，近年还开发出其他多方位的基于细胞功能特征，特别是肿瘤细胞的特性的克隆形成、细胞转移与浸润、细胞吞噬快速分析、细胞活力/死亡/毒性分析、细胞衰老及收缩检测，以及血管生成分析等多种分析试剂盒。

参考文献

[1]左伋,黎立瑾.医学细胞生物学[M].上海，复旦大学出版社，2002年7月第2版，第45-86页

[2]Kornhauser J M， Greenberg M E. A kinase to remember: dual roles for mAP kinase in long-term memory. Neuron,1997,18(4):839

[3]Zhu-Jun Tana, Yun Peng, He-Ling Song, Jing-Jing Zheng, and Xiang Yua.N-cadherin-dependent neuron–neuron interaction is required for the maintenance of activity-induced dendrite growth. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010，107（21）：9873-9878

[4]Adam J. Engler, Patrick O. Humbert, Bernhard Wehrle-Haller, Valerie M. Weaver. Multiscale Modeling of Form and Function. Science,2009，324:208-212