E-钙黏蛋白/β-连环蛋白复合体的研究进展

细胞间连接维持着细胞和组织极性及完整性, 脊椎动物拥有三大细胞间连接系统:间隙连接、紧密连接和锚定连接。间隙连接作为细胞间通道允许无机离子、第二信使及水溶性小分子量的代谢物质从中通过;紧密连接的主要作用是封闭相邻细胞间的接缝,防止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内,从而保证了机体内环境的相对稳定,是上皮屏障功能的主要细胞决定因素;锚定连接,它包括细胞桥粒及黏合带,它们和皮层细胞骨架联系在一起来调节细胞和组织形态。钙黏蛋白/连环蛋白复合体是形成黏附连接的结构基础,通过与细胞内微丝的紧密联结保持细胞间黏附性和完整的细胞内及细胞间信号通讯。该复合体结构、数量及功能的变化,与肿瘤的发生和脏器纤维化形成密切相关。

 1 E-钙黏蛋白/β-连环蛋白复合体

钙黏蛋白是钙黏附素族中的一个重要成员,钙黏附素是参与细胞间黏附的主要黏附分子之一,包括E-钙黏蛋白(上皮细胞),N-钙黏蛋白(神经系统),VE钙黏蛋白(血管),P-钙黏蛋白(胎盘),R-钙黏蛋白(视网膜)和K-钙黏蛋白(肾脏)[1]。其中最具代表性的是9钙黏蛋白,L钙黏蛋白普遍存在于各类上皮组织中,是上皮细胞的标志,属于细胞跨膜蛋白,通过钙离子依赖的细胞黏附形成上皮细胞问紧密连接,对细胞与细胞及细胞与基质之间的黏附及维持组织结构起重要作用。L钙黏蛋白分子的胞浆区高度保守,和细胞内配体-连环蛋白结合,连环蛋白进一步同肌动蛋白相连接保持细胞极性、细胞间连接及信号转导。连环蛋白是一组与E一钙黏蛋白联结在细胞间起作用的细胞骨架蛋白,包括α、β、 γ三种。β-连环蛋白在细胞中发挥双重作用,作为细胞骨架蛋白,β-连环蛋白通过旷连环蛋白将胞膜表面的L钙黏蛋白锚定于细胞骨架,形成细胞黏附连接复合体(E-cadherin/β-catellin复合体),介导同型细胞间的黏附,维持正常上皮的极性和完整性,与肿瘤的侵袭、转移密切相关。作为信号转导蛋白,β-连环蛋白参与结肠腺瘤息肉蛋白(APC)/β -连环蛋白/T细胞因子/淋巴细胞增殖因子1(Tcf/Lef-1)复合体构成的Wg/Wnt信号转导通路,该复合体与 c-myc、cyclin D1、Tcf-1、基质金属蛋白酶7 (MMR-7)、Axin-2等靶基因结合,调控下游靶基因转录,与上皮细胞向间质细胞转化及肿瘤细胞过度增殖、侵袭有关。E-钙黏蛋白下调或缺失与肿瘤失分化、浸润性生长、转移及不良预后明显相关。

2 E-钙黏蛋白/β-连环蛋白信号途径

β-连环蛋白是经典Wnt信号途径即Wnt/β-连环蛋白途径的核心分子,当细胞内没有Wnt信号时,胞浆内轴蛋白(a妯n)/APC/糖原合成酶激酶-3β (GSK3β )形成复合物,胞浆内游离的β-连环蛋白与之结合并磷酸化,经β-TrcP泛素化,被蛋白酶体降解为无活性的肽段,胞质内β-连环蛋白维持在较低的水平,不能进人细胞核调控相应的基因表达。当细胞接受Wnt信号时,Wnt蛋白与细胞膜上的跨膜受体Fz/I'RP结合,激活胞质内的Dishevellcd蛋白,使胞浆内β-连环蛋白稳定性增强而降解减少,细胞浆内游离的β-连环蛋白增多,与Tcf/Lef结合进入细胞核,促进与细胞黏附,组织形态,肿瘤相关的靶基因转录[2]。细胞紧密连接处E-钙黏蛋白/β-连环蛋白复合体结构的完整是决定E-钙黏蛋白及β-连环蛋白的胞内降解、β-连环蛋白介导的信号转导功能实现的基础环节,而该复合体的完整性决定于其磷酸化状态。丝/苏氨酸激酶CK Ⅱ磷酸化可以稳固该复合体[3]。β-连环蛋白6m位点的酪氨酸磷酸化后可促进复合体解离,489及142位点的酪氨酸磷酸化可加强这种作用[4]。细胞连接断裂, β-连环蛋白从L钙黏蛋白/β -连环蛋白复合体脱落,细胞黏附性下降,细胞迁移力和侵袭性增强。

3 E-钙黏蛋白/β -连环蛋白与上皮细胞向间质细胞转化上皮细胞向间质细胞转化是指在胚胎发育、肿瘤转移或组织纤维化过程中发生的上皮细胞脱黏附而转变成具迁移能力的间质细胞的现象[6]。E-钙黏蛋白/β-连环蛋白复合体参与上皮细胞向间质细胞的转化和从间质细胞到上皮细胞转化的过程,在胚胎发育、组织纤维化和肿瘤发展过程中发挥极其重要的作用。上皮细胞向间质细胞转化过程的特征是上皮细胞发生表型转化,引起纤维细胞基质产生和肌成纤维细胞化。细胞接触的缺失是上皮细胞向间质细胞转化的关键决定因素。TGF-βl诱导上皮细胞向间质细胞的转化的早期出现E-钙黏蛋白表达受到抑制,细胞间紧密连接被破坏,上皮细胞丧失黏附特性,然后胞质内细胞骨架进行重排,表达新的表型蛋白如Fn、a-SMA,胞质内肌丝也从上皮型角蛋白转变为间叶细胞波形蛋白[6]。这些变化为细胞迁徙、收缩能力增强提供了形态学基础。缺失E-钙黏蛋白可促进游离的β-连环蛋白进人胞浆及胞核,发生上皮细胞向间质细胞转化,增加L钙黏蛋白的表达能够逆转这种表型的转化[7]。正常状态下,细胞接触解离后E一钙黏蛋白和β-连环蛋白在细胞内被迅速降解,TGR-β1的刺激可诱导β-连环蛋白从上皮细胞接触中解离,β-连环蛋白的降解减少,在胞质及胞核中聚集,调控下游靶基因转录,影响细胞分化、增殖、凋亡、迁移等功能[3]。细胞接触的缺失是上皮细胞向间质细胞转化的触发因素,从而与上皮细胞向间质细胞转化所致疾病密切相关。

4 E-钙黏蛋白邝-连环蛋白与纤维化疾病

纤维化可发生于多种器官,主要病理改变为器官组织内纤维结缔组织增多,实质细胞减少,持续进展可致器官结构破坏和功能减退,乃至衰竭。B钙黏蛋白/β-连环蛋白复合体功能失调所介导的上皮细胞向间质细胞转化在肾、肺、肝、眼和浆膜等器官的纤维化病理过程中发挥了重要作用[9]。特发性肺间质纤维化的病理变化源于肺泡上皮的损伤,认为肺泡上皮细胞损伤后发生表型转化成为间质细胞, 发生上皮细胞向间质细胞转化,启动肺纤维化的发生和发展[10]。纤维化过程中两个重要的改变是E-钙黏蛋白低调控及β-连环蛋白在上皮细胞向间质细胞转化程序中高调控。Iwano 等[ll]发现在36% 的肾纤维化中,导致上皮细胞向间质细胞转化的主要的效应细胞是肾小管上皮细胞。Wnt/β-连环蛋白途径还可通过MMP7的表达而使肾小管上皮细胞基底膜破坏,细胞迁移能力增强,促使肾小管间质纤维化进展[12]。Shackel等[13]首次证实了在各种形式的肝硬化中存在wnt通路的激活,在肝细胞癌的组织中亦发现了β-连环蛋白的高表达,说明在肝组织发生病变时,Wnt信号通路的相关蛋白表达增加,提示其在肝脏病变过程中发挥重要作用。在肾小球肾炎、糖尿病、慢性同种异体肾脏病患者的肾脏标本中已检测到L钙黏蛋白表达的下降和上皮细胞向间质细胞转化的早期表现如β-连环蛋白向细胞质转移[14]。在特发性肺纤维化和普通型间质性肺炎患者的肺上皮细胞及原发性胆汁性肝硬化、原发性硬化性胆管炎和酒精性肝硬化患者的胆管上皮细胞也发生同样改变[15]。在增生性玻璃体视网膜病患者中观察到视网膜色素上皮细胞转化为肌成纤维细胞,来源于透析患者废液体中的腹膜间皮细胞由于E-钙黏蛋白表达减少显示了间叶细胞表型[16]。

5 E-钙黏蛋白/β-连环蛋白与肿瘤

侵袭和转移是恶性肿瘤细胞的重要生物学特性之一,恶性肿瘤的侵袭转移是一个复杂的过程,癌细胞从原发灶脱落,须突破细胞外基质和基底膜组成的结构屏障,才能向周围侵袭或进人血液循环及淋巴系统而进一步向远处转移。其中细胞黏附是一个重要环节。近来大量临床病理学研究[17]证实,E-钙黏蛋白表达下调或缺失是众多恶性肿瘤的普遍现象,如肺癌、消化道肿瘤、乳腺癌、肝癌、前列腺癌等。体外细胞培养也证明缺乏E-钙黏蛋白的侵袭性肿瘤细胞在转染E-钙黏蛋白基因后,其侵袭性丧失[13],亦说明E-钙黏蛋白可抑制肿瘤细胞侵袭、转移的能力。Liu等[19]研究发现,非小细胞肺癌伴淋巴结转移的E-钙黏蛋白表达水平低于无淋巴结转移者,且与肿瘤的分化程度、生存率呈反向关系。E-钙黏蛋白功能异常的机制不同,如9钙黏蛋白基因缺失或突变失活,家族性E-钙黏蛋白基因突变与胃癌的发生有关。另外染色质重排、基因的甲基化和L钙黏蛋白启动子失活等可导致癌细胞的侵袭。有时高度甲基化是其中的主要机制,如有人报道 83%甲状腺癌出现E-钙黏蛋白启动子高度甲基化[20]。β-连环蛋白导致肿瘤发生的主要原因是 Wnt途径的主要成份如APC、Axin及β-连环蛋白基因自身发生突变,其对肿瘤预后的影响关键在于激活其下游靶基因(如c-myc,cychn D1等)调控细胞的凋亡与增殖以及激活MMP,如MMP-7或通过影响与E-钙黏蛋白复合物的形成,促进肿瘤细胞的侵袭和转移。激活突变的β-连环蛋白或APC和 Axin突变的失活与人类多种恶性肿瘤相关,比如大肠癌、子宫内膜癌、硬纤维瘤和胰腺肿瘤[21]。在 25%乳腺化生性癌中已经发现β-连环蛋白N未端序列的突变[22]。在40%乳腺癌初期观察到细胞质和细胞核β-连环蛋白水平的增高,且与其预后差及存活率低有关[23]。

 6 结论

总之,E-钙黏蛋白/β-连环蛋白复合物在上皮细胞-细胞接触完整性和保持Wnt/β一连环蛋白信号途径中起重要作用。E-钙黏蛋白/β-连环蛋白复合体的黏附功能,有赖于其完整性,其组成任何成员的结构和功能的改变都可能引起复合体功能异常,导致细胞的脱离、侵袭和转移。失去L钙黏蛋白调节的细胞黏附能够促进β-连环蛋白信号释放,促进与细胞黏附,组织形态,肿瘤相关的靶基因转录。未来研究中可通过抑制剂下调β-连环蛋白以阻断下游基因表达或直接阻断下游基因表达,从而阻止纤维化及肿瘤的发生,同时加强L钙黏蛋白/β-连环蛋白复合体的作用,阻止肿瘤细胞的脱落,抑制其浸润和转移。也表明E-钙黏蛋白/β一连环蛋白复合体的异常是治疗纤维化和肿瘤的一个新的靶点。

参 考 文 献

[1] Hu1piau P,van Roy F Molecularevolutlon of the cadberin suporfarnily Int J Biochern Ce11Biol,20O9,41:349-369.

[2] MacDonald BT, Tamai K, He XWnt/beta-catenin signaling:components, mechanisms, and diseases Dev Cell,2O09,17:9-26.

[3] Bek S, Kemler R Protein kinaseCKII regulates the interaction of beta-catenin with alpha-catenin and itsprotein stabiIity J Cell Sci,2002,115(Pt24):4743一4753.

[4] Rhee J, Buchan T, Zukerberg L,eta1.Cables Iinks Robo-bound Abl kinase to N-cadberin_bound beta_catenin tomediate Slit-induced modulation of adhesion and transcription Nat Cell Biol,2007,9:883-892.

[5] Micalizzi DS, Farabaugh SM, FordHL. Epithelial-mesenchymal transition in cancer:parallels between normaldevelopment and tumor progression J Mammary Gland Biol Neoplasia,201O,15:117-134.

[6] Willis BC, duBois RM, Borok ZEpitheha1 origin of myofibroblasts during fibrosis in the lung. Proc Am Thorac Soc,2O06,3:377-382.

[7] Cano A, Perz-Moreno MA, RodrigoI, et al, The transcription fact。r snail contro1s epithehal-mesenchymal transitions by repressing E—cadherin expression Nat Cell Biol,2000,2:76-83.

[8] Masszi A,Di Ciano C, SirokmanyG,et a1 Centra1role for Rho in TGF-beta1-induced alpha smooth muscle actinexpression during epithehal-mesenchymal transition Am J Physiol Renal Physiol.2003,284:F911-F924.

[9] Guarino M, Tosoni A, Nebuloni M,Direct contribution of epithchum to organ fibrosis: epithe1ial-mesenchymaltransition Hum Patho1,2009,40:1365— 1376.

[10] 朱剑萍,姚宏伟·陈季强肺泡上皮细胞在肺纤维化中的作用及机制研究进展国际呼吸杂志,2006,26:506-509.

[11] Iwano M, Plieth D, DanoffTM,et al Evidence that fibroblasts derivc from epithehum during tissue fibrosisJ Clin Invest,2002,110:341-350.

[12] Surendran K,Simon TC,LiapisH,et a1 Matri1ysin(MMP- 7) expression in renal tubular damage: association withWnt4 Kidney Int,2004,65:2212-2222.

[13] Shackel NA , McGuinness PH,Abbott CA, et al.Identification of novel molecules and pathogenic pathways inprimary bi1iary cirrhosis:cDNA array analysis of in1rahepatic differentia1geneexpression Gut,2001,49:565-576.

[14] Zheng G,Lyons JG,Tan TK,et al.Disruption of E-cadheltn by matrix meta11oproteinase directly mediatcsepithelial-mesenchymaI transition downstream of transforming growh factor-beta1in rona1 tubular epithe1ial cells Am J Pathol: 2O09,175:580-591.

[15] Ryglel KA, Robertson H,Marshdl HL,et a1,Epithe1ial-mesenchymal transition contributes to portal tractfibrogenesis during human chronic liver disease,Lab Invest, 2008,88:112-123.

[16] Gamulescu MA,Chen Y, He S,et alTransforming growth factor beta2— induced myofibroblastic differel,tiation ofhuman retinal pigmcnt epithehal cells; regulation by extrace11ular matrixproteins and hepatocyte growth factor,Exp Eye Res, 2006,83:212-222.

[17] Pecina-Slaus N.Tumorsuppressor gene E-cadherln and its role in normal and malignant cells.CancerCell Int,2003,3: 17.

[18] Moersig W, Horn S, Hilker M,etal. Transfection of E-cadherin cDNA in human lung tumor cells reduces invasivepotential of tumors,Thorac Cardiovasc Surg,2002,50:45一48.

[19] Liu D,Huang C,Kameyama K,et al.E-cadherin expression associated with differentiation and prognosis in patientswith non-sma11 cell lung cancer.Ann Thorac Surg,2001,71:949- 954.discussion 954-955.

[20] Hazan RB,Qiao R,Keren R,et al.Cadherin switch in tumor progression Ann N Y Acad Sci,2004,1014:155-163.

[21] Peifer M, Polakis P. Wntsignahng in oncogenesis and embryogenesisˉ ˉa 1ook outside the nucleus.Science,2000,287:1606-1609.

[22] Hayes MJ,Thomas D,Emmons A,eta1.Genetic changes of Wnt pathway genes are common events in metaplastic carcinomasof the breast, C1in Cancer Res,20o8,14:4038- 4044.

[23] Prasad CP,Mirza S, Sharma G,etal,Epigenetic alterations of CDH1and APC genes:relationship with activation ofWnt/ beta-catenin pathway in invasive ductal carcinoma of breast, Life Sci,2008,83:318-325,

(收稿日期:2012-06-07)