Arp2/3复合体在细胞运动以及肿瘤转移中机制的研究进展*

苏小娟 王思洋 霍永旭 李小雪 邵鑫 杨春蕾

(四川大学生命科学学院医学细胞生物学教研室，四川 成都 610041)

Arp2/3复合体在细胞运动以及肿瘤转移中机制的研究进展*

苏小娟 王思洋 霍永旭 李小雪 邵鑫 杨春蕾△

(四川大学生命科学学院医学细胞生物学教研室，四川 成都 610041)

Arp2/3复合体是一个主要的肌动蛋白组装成核剂，能够促进微丝的核化，从而促进细胞内肌动蛋白单体装配形成微丝，这在细胞运动等多种与肌动蛋白细胞骨架相关生理活动中具有重要作用，最近研究发现，Arp亚基基因在肿瘤内异常表达，研究其与肿瘤之间的关系在肿瘤早期诊断和基因治疗方面有重要的理论指导意义。本文综述了近年来有关Arp2/3复合体的分子结构，功能特点以及在肿瘤中作用等相关的研究，为Arp2/3复合体的进一步研究提供一定的参考。

Arp2/3复合体；细胞骨架；微丝成核；迁移；肿瘤

肌动蛋白单体多聚化形成微丝是一个复杂的过程，首先是成核反应，即形成至少有2～3个肌动蛋白单体组成的寡聚体，然后开始多聚体的组装。Arp2/3复合体在微丝成核过程中起着重要作用，它能够促进新微丝核化，其亚基之间相互作用形成微丝组装的起始复合物，肌动蛋白单体与起始复合物结合，形成一段可供肌动蛋白继续组装的寡聚体。微丝形成后在构成细胞骨架，维持细胞形态及参与细胞运动等多种细胞生理过程中发挥重要作用[1]。细胞迁移对于许多正常的细胞生理过程是必要的，例如免疫系统的活性，组织修复及再生等等。然而异常的细胞迁移活性与多种疾病相关，些与细胞迁移相关过程的实现都与细胞骨架系统的重塑有关[2]。细胞骨架系统重组产生的力量使细胞前导边缘形成板状伪足推动细胞迁移，板状伪足是一种暂时性的结构，它的形成主要依靠Arp2/3复合体介导的肌动蛋白多聚化作用，其在细胞正常和病理状态下驱动细胞迁移，近来的研究发现，通过调控板状伪足的活性及方向感的持续性可以控制细胞迁移[3]。

Arp2/3复合体最初是在阿米巴原虫中发现并分离出来的，并且对细胞内前纤维蛋白有亲和作用，后来在酵母细胞以及人类等脊椎动物细胞中均分离到了这种复合体[4]。其主要功能是在母丝侧面核化新微丝而生成自由生长的正端分支，此外，研究发现Arp2/3复合体在肌动蛋白微丝负端加冒的过程中发挥着作用，因此，Arp2/3复合体可以通过两种截然不同的途径激活，一种是在分支形成时，一种是在微丝负端加冒的情况下[2]。随着Arp2/3复合体的鉴定及其在肌动蛋白核化中作用的逐步阐明，人们对微丝形成及细胞运动等多种重要的细胞生理过程的认识有了很大的进步。

1 Arp2/3复合体的结构特点

肌动蛋白相关蛋白2/3复合体(Actinrelated protein 2/3(Arp2/3) complex)是一个稳定的椭球体状复合体，分子量为220 KDa，长约15 nm，宽约14 nm，厚7～10 nm，由进化上保守的7个亚基组成，包括两个肌动蛋白相关蛋白Arp2和Arp3亚基，以及ARPC1、ARPC2、ARPC3、ARPC4、ARPC5五个附属亚基[5]。

Arp2与肌动蛋白具有40%～50%的同源性，比肌动蛋白多19个氨基酸残基，这些残基形成了插入序列Tyr325～Glu335。Arp3与肌动蛋白的同源性为30%～40%，氨基酸残基比肌动蛋白多42个，这些残基形成的插入序列分别为Gln46～Cys54、Thr154～Arg161、Asn260～Phe267及Val347～Leu358，它们散布于整个结构之中。人类有两种表达形式的Arp3，即Arp3和Arp3β，其表达具有组织特异性，Arp3β在脑、肝、肌肉及胰腺中表达较高，而Arp3的表达则较为普遍[5,6]。

附属亚基中ARPC1分子大小为40 KDa，人类的ARPC1有两个亚型，ARPC1A和ARPC1B，是一个螺旋桨状蛋白，其“螺旋桨”有7叶，每一叶有42～96个残基，这些残基折叠形成4个β片层[5]。ARPC2分子大小34 KDa，由多个α螺旋和β片层构成，形成α/β结构。ARPC3分子大小为21 KDa，由4个α螺旋构成，螺旋中间有一些长环位于该亚基的表面，形成与Arp3广泛作用的疏水面。ARPC4分子大小为20 KDa，由多个α螺旋和β片层构成，形成α/β结构。ARPC5分子大小为16 KDa，其氨基末端是一段较长的延伸结构，此结构可能具有与Arp2、ARPC1、ARPC4相互作用并传递这三个亚基之间结构变化的功能，其延伸结构之后是7个α螺旋[5,6]。

此外，ARPC2-ARPC4异质二聚体可以形成一个“C”形的钳状结构，构成整个复合体的核心，环绕Arp2和Arp3亚基，这两个亚基在ARPC4和ARPC2形成的“钳”中呈现一种“尾”对“尾”的局面，ARPC4表面的21nm2的面积被ARPC2所覆盖，与Arp2、Arp3、ARPC1和ARPC5的结合又使其33nm2的面积被覆盖。Arp3位于ARPC2氨基末端α/β区和羧基末端螺旋区之间，ARPC3和ARPC5 位于整个复合体边缘位置，对维持Arp2/3复合体的结构有着重要作用[5-7]。通过7个亚基之间的相互联系和作用使得复合体处于相对稳定状态。

2 Arp2/3复合体介导的肌动蛋白核化模型

真核细胞通过它们的前导边缘组装有序的肌动蛋白微丝网络系统来改变其形态及移动性，而这个以肌动蛋白为基础的运动引擎的核心是Arp2/3复合体，此复合体通过在母体微丝侧面诱导肌动蛋白单体发生多聚化作用而建立起交叉连接的肌动蛋白微丝网络系统。Arp2/3复合体核化微丝时首先与母丝侧面结合，使肌动蛋白单体发生多聚化，然后，Arp2和Arp3亚基形成一个类似肌动蛋白微丝快速生长的正端的原核，这时肌动蛋白单体在这个正端聚合，并快速地向质膜延伸，而Arp2/3复合体仍然结合在缓慢生长的负端以将新微丝交叉连接到母微丝上[8]。

目前，对于Arp2/3复合体介导的肌动蛋白核化以及微丝分支机制提出了两种模型。一种是由R Dyche Mullins 和Thomas pollard提出的“树突状核化”(Dendritic nucleation)模型，其主要的论点是当Arp2/3复合体结合在“母丝”(Mother filament)的侧面，并且在受到核化促进因子(Nucleation promoting factor，NPF)刺激，可核化形成新的微丝“子丝”(Daughter filament)[4,9,10]。另一种模型是由Pantaloni等提出的“正端分支”(Barbed end branching) 假说，由于他们没有观察到Arp2/3复合体与微丝的侧面或负端结合的现象，而是发现母丝可以刺激依赖于Arp2/3复合体的核化，而且当这些微丝的正端被一种叫做“戴帽”蛋白的蛋白分子“戴帽”后其活化功能即被阻断，这一假说认为Arp2/3复合体、核化促进因子以及肌动蛋白在微丝的正端多聚化并诱导分支微丝的形成[10]。尽管这两种假说存在差异，但都证实了Arp2/3复合体介导微丝的产生，并且将微丝连接成为高度有序的网状结构。

近来的研究结果更倾向于支持“树突状核化”模型。由Balanchoin、Amamn以及Pollard等的研究都证实了Arp2/3复合体核化形成的微丝是从已有的微丝上延伸产生的[7，9]。Volkman等应用电子显微镜和图像分析技术发现Arp2/3复合体可结合在母体微丝的侧面,而Amamn以及Pollard 等则已观察到了由母丝侧面延伸出子丝的现象[7]。尽管上述证据都有利于支持“树突状核化”模型，但同时也观察到Arp2/3复合体结合在与正端十分接近的微丝侧面的位置，这说明Arp2/3复合体在与微丝的侧面结合时，对其所结合的位置是有选择性的[4]。这可能是由于在靠近正端的位置，具有“ATP帽”结构，而Arp2/3复合体在核化肌动蛋白成为微丝的时候，优先选择结合在母丝上有ATP结合的部位。细胞的胞质溶胶部分富含新聚合成的微丝，其正端含有较多ATP，该区也常有Arp2/3复合体的富集[9，11]。

3 Arp2/3复合体与细胞迁移

Arp2/3复合体主要与细胞肌动蛋白骨架的相关功能有关，而肿瘤细胞的增殖，迁移，侵袭等生物学行为又都与细胞肌动蛋白骨架有着密切的关系[8]。

在大多数迁移性细胞中，Arp2/3复合体是主要的肌动蛋白成核剂，它的激活因子，包括WASp/Scar蛋白家族、李斯特单核菌(Listeria monocytogenes)中的Act A蛋白、芽殖或裂殖酵母菌中的真菌肌球蛋白I以及位于板状伪足中的皮动蛋白(Cortactin)等[5,12,13]。近来的研究发现Arp2/3复合体的活性受到两个NPFs的双重调控以满足细胞生理的需要[14]。在ATP、NPFs和母丝存在的条件下，该复合体在母丝上78位置启动新微丝的生长[15]。NPF与Arp2-Arp3二聚体的负端结合，质谱检测表明Arp2的Thr237和Thr238残基是发生了磷酸化，而Arp2/3复合体只有在其Arp2亚基的苏氨酸或酪氨酸残基被磷酸化后，复合体发生构象重排才能被NPFs激活。Arp2的磷酸化作用对于与NPFs或肌动蛋白微丝侧面的结合并非必须的，但是对于结合肌动蛋白相关蛋白负端以及核化肌动蛋白微丝是至关重要的，Arp2/3复合体的核化功能随着与磷酸化激酶共孵育时间的延长而降低，磷酸化作用可以通过调控复合体的一些特性来控制其核化功能，这些特性包括亚基间的连接，复合体与NPFs和母丝侧面的亲和性等[8]。

研究表明，Arp2/3复合体与多种肌动蛋白细胞骨架相关过程密切，例如，在对李斯特菌运动的研究中发现Arp2/3复合体与细胞的运动有关，在该菌中Act A蛋白可与Arp2/3复合体直接作用，从而促进肌动蛋白的核化，此外，体外实验研究发现，Arp2/3复合体在调节细胞迁移的速度及方向的稳定性上起着重要作用，例如，丝切蛋白(Arpin)是Arp2/3复合体活性的一种抑制性蛋白，在哺乳动物和变形虫细胞中沉默Arpin后，细胞迁移的轨迹变直了，细胞板状伪足的突出伸出来的速度更快，细胞迁移的速度更快，而将Arpin微注射到鱼的角膜基质细胞后，细胞的迁移轨迹发生了转向，这些是通过Rac-Arpin-Arp2/3抑制通路与Rac-WAVE-Arp2/3激活通路共同调控实现的[16]。同时，大量的遗传学证据表明，Arp2/3复合体及其激活因子如真菌肌球蛋白2I是真菌中肌动蛋白形成微丝不可缺少的因素[12]。

在哺乳动物细胞中，Arp2/3复合体主要定位于运动细胞的前导边缘，尤其是在短的肌动蛋白微丝的分支处，而细胞的运动与细胞的前导边缘密切相关，这也间接地证明了Arp2/3复合体是肌动蛋白多聚化中必不可少的因素[17]。在某些情况下Arp2/3复合体的缺失将导致细胞死亡，例如，在酿酒酵母和裂殖酵母中将Arp2/3复合体的基因敲除后将会导致严重的生长缺陷甚至死亡[18]。

Hudson以及Zallen等发现Arp2/3复合体基因发生突变后，将破坏细胞皮质区细胞骨架的组织形成，而且一些肌动蛋白依赖性的生物学过程如细胞的内吞作用也会受到抑制，Arp3和ARPC1亚基发生突变的果蝇在成虫之前就会死亡，而且在胚胎期会发生肌动蛋白结构缺陷以及神经系统发育障碍。此外，他们还发现Arp2/3复合体在卵细胞的形成以及眼的发生中都具有重要的作用。在体外培养细胞中显微注射Arp2/3复合体的抗体后可抑制板状伪足的运动[12,19]。内皮细胞的粘着连接对于细胞分化、组织完整性的维持以及重塑等生理和病理过程都是极其重要的，其关键取决于VE-钙粘蛋白/连环蛋白复合体以及它们与肌动蛋白微丝细胞骨架的相互作用，新的研究报告表明，Arp2/3复合体和它的核化促进因子对于维持内皮的屏障功能和对已有的细胞连接的重塑具有重要作用[20]。Arp2/3复合体的肌动蛋白核化和交叉连接作用对于许多细胞结构的构建以及通过细胞质去移动核内体和细胞内的病原体是必须的，这些结构包括板状伪足和吞噬泡等[8]。

4 Arp2/3复合体与肿瘤

肿瘤细胞的侵润性受肿瘤—基质相互作用的调控，在结直肠癌中，Arp2/3复合体在基质细胞附近表达，它的形成提高了基质细胞与成瘤细胞之间的运动性，进而为这两种细胞的侵润性提供更适合的环境，这很大程度上与肿瘤细胞中P53在核内的积累以及CD10在基质中的表达有关，研究结果表明Arp2/3复合体受到肿瘤—基质相互作用的调控并且与结直肠癌的侵润性有关[21]。

在胰腺癌中检测Arp2/3复合体亚基的表达情况发现，ARPC3和ARPC4是复合体中最高表达的亚基，而ARPC1B和ARPC2表达水平最低，siRNA沉默Arp2/3复合体亚基后发现这些亚基表现出细胞特异性特征，但是大多数细胞的迁移能力降低了，尤其是ARPC4亚基敲降后，所研究的胰腺癌细胞的迁移性都降低了，Hs700T和HPAFII细胞迁移性降低的程度最显著，与LUC(Luciferase transfected)对照组相比，其降低程度分别为50%和68%，这是首次发现ARPC4影响细胞迁移性，在以上肿瘤中，Arp2/3复合体在肿瘤细胞的迁移及侵润中起着重要作用[21]。这些研究结果表明，Arp2/3复合体对细胞正常功能的维持是不可缺少的。

5 展望

Arp2/3复合体介导的肌动蛋白核化在细胞的多种生理活动中都发挥着重要作用，例如，细胞的内吞和迁移以及侵润等生理过程。尽管其介导肌动蛋白核化的方式已基本阐明，但具体机制尚需在细胞、分子等水平上做更进一步的研究。ARPC4作为该复合体的组成成员之一，与ARPC2构成该复合体的中心，在该复合体的生物学功能上扮演重要角色，目前对于ARPC4的结构，功能有了一定的了解，但对于它的具体作用机制以及在肿瘤中的生物学作用还需进一步研究。

癌症是全球人口的第一位死因，近年来，对肿瘤的监测，预后以及治疗等方面都有了很大的突破，但肿瘤的彻底治疗仍然是一个很大的难题。根据中国卫生部发布的资料显示，全国每年新发肿瘤病例约为312万例，癌症发病率为285.91/10万，全国肿瘤死亡率为180.54/10万，每年因癌症死亡病例达270万例，而且死亡率也在逐年上升，人们对肿瘤的关注度也是逐年上升，并从不同的角度去理解病因和寻求治疗方案[23,24]。Arp2/3复合体是一个新型的肿瘤标志分子，但对Arp2/3复合体没有一个综合性的了解，并且大多数研究者只关注Arp2/3复合体的分子特点以及其与肿瘤发生发展的关系，对其组成亚基蛋白却缺乏相应的了解。本文综述了Arp2/3复合体，希望能够对肿瘤的前期预测和分子治疗有一定的指导作用。

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Research progress of the Arp2/3 complex in tumors*

Su Xiao-Juan, Wang Si-Yang, Huo Yong-Xu, Li Xiao-Xue, Shao Xing, Yang Chun-Lei△

(Department of Medical Cell Biology, Life Science of Sichuan University, Sichuan Chengdu 610041)

四川省中医药管理局科研项目(编号：2012-F-024)

苏小娟，女，硕士研究生，主要从事肿瘤生物学研究，Email：1289677468@qq.com。

△通讯作者：杨春蕾，女，副教授，主要从事肿瘤生物学研究，Email：ycl_108@163.com。

2015-1-29)