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钙粘附分子和上皮细胞组织的形成

1　概述

　　细胞粘附是组成非常多样化和有高度的独特个性组织的分子基础。多种多样的细胞粘附机制参与了细胞的装配，它们和细胞内的骨架结构一起决定了组织的所有结构。无论是胚胎发育过程中还是生命的整个过程，细胞的粘附对于组织形态结构的形成和发挥其功能特性起非常重要的作用。上皮细胞间的粘附连接在上皮细胞的生长调控和组织结构的稳定更有其特殊的作用。钙粘附分子家族是主要的组成细胞间同源性粘附的粘附分子，是一类大的转膜糖蛋白，介导和调控细胞间相互反应，参与上皮细胞连接的主要有E、P-钙粘附分子。我们这篇综述主要是阐述上皮细胞表达的钙粘附分子的分子结构特性以及在上皮组织结构形成中的作用［1］。

　　探讨上皮组织形态结构的形成，必须知道组织结构形成的整个过程，所以我们首先认识在形成整个组织过程中的细胞粘附分子基础，既能维持组织结构的稳定状态，同时也能够参与组织发育的分子基础。第二部分，组织发育过程中上皮细胞是如何排列，这种现象既发生在胚胎组织中，也发生在发育成熟的组织中；第三部分我们将探讨粘附分子的功能状态和细胞粘附动态变化的调控及细胞间粘附机制和细胞内信号传导的关系。

　　2　细胞间稳定连接和组织结构的维持

　　在所有组织的组成和组织器官的特有的生理功能中，粘附成分对于稳定细胞的连接起重要作用。尽管这些粘附连接基本是稳定的，但并不认为是一种状态，在许多情况下，稳定粘附的维持需要活动的细胞过程。有许多粘附分子被发现和研究，我们这里只讨论和细胞间、细胞和基质的连接。

　　2.1　钙粘附分子粘附连接的结构和功能特性

　　细胞粘附的功能单位由有代表性的三类复杂蛋白网络构成，即细胞粘附分子/粘附受体网络，细胞外基质（ECM）蛋白，胞浆内连接蛋白/细胞膜周围蛋白网络。细胞粘附受体通常是转膜糖蛋白，参与介导细胞表面蛋白的相互作用和决定细胞间特性及细胞和基质的识别过程，它们包括整合素家族，钙粘附分子家族，免疫球蛋白家族和选择素家族。细胞外基质蛋白是典型的大的糖蛋白，包括胶原，纤维素，层粘素等。胞浆内连接蛋白是粘附系统和细胞骨架相互连接的蛋白，参与粘附分子的功能调控，传导由细胞表面粘附受体引起的信号。这些粘附蛋白网络我们称为粘附功能单位。我们这里主要探讨钙粘附分子和它们相关的胞浆内连接蛋白及细胞外基质粘附的结构和功能特性。

　　钙粘附分子是一类转膜糖蛋白，分子量是120～140kd之间，主要是参与细胞间同源性粘附，分为三部分，即大的细胞外区域，特殊的疏水转膜区域和胞浆内区域。分为16种不同的亚类，在上皮细胞中主要有E、P-钙粘附分子参与同源性粘附，调控和介导细胞间相互反应。它们不仅在组织的形成过程中有粘附功能，而且参与和另处不同细胞或基质的粘附，以及信号传导的调控。

　　在表皮组织中的角化细胞有E、P-钙粘附分子的高度表达，但两种分子的作用是不同的，E-钙粘附分子被发现在所有表皮的层次排列中，但P-钙粘附分子仅限制在基底层，这可能和这两种分子在上皮组织结构形成中的作用不同。E-钙粘附分子主要参与表皮细胞组织的稳定性粘附。在表皮细胞中，E-钙粘附分子的持续表达和功能活性对于细胞保持紧密的关系是非常重要的，在维持表皮细胞间粘附的作用中，E-钙粘附分子被认为是一个重要的抵制表皮细胞受损的转向器。在培养的表皮细胞中，如果E-钙粘附分子表达和功能的丧失，将导致细胞受损的增加，E-钙粘附分子的缺乏或结构的改变与人类特定的肿瘤的侵入和转归有密切的关系。用培养的人角化细胞进行研究发现，细胞间粘附的形成系细胞外钙离子的浓度参与调控，当培养液的钙离子浓度在低水平（30μM）时，细胞呈单层生长而且没有粘附功能，当钙离子浓度增加（1.0mM）时，快速引起粘附连接和桥粒的形成，所以是一种钙离子依赖的粘附蛋白。分别用E、P-钙粘附分子单抗阻断其效应，E-钙粘附分子单抗可以延迟形成粘附连接数小时，而P-钙粘附分子单抗则无影响。说明在上皮细胞粘附连接形成过程中，E-钙粘附分子首先起作用。Jensen等在对上皮细胞分层生长过程中钙粘附分子影响的研究中，E、P-钙粘附分子对其有相同的调控功能，但生长到5～7层细胞时，E-钙粘附分子是需要的，但P-钙粘附分子是不需要的。所以可以这样说，对于上皮细胞基底层的形成，两种钙粘附分子是需要的，但对于表层细胞的形成仅仅需要E-钙粘附分子［2］。

　　为完成特定的粘附功能，钙粘附分子必须和胞浆内称为钙紧张素（catenin）和肌动蛋白丝的细胞骨架连接蛋白形成网络。钙紧张素是Armadillo的蛋白家族，分为α、β、γ钙紧张素三个亚型。目前认为Armadillo的蛋白家族在粘附连接的形成过程中是信号分子，参与组织形态结构形成的信号传导。α-钙紧张素对钙粘附分子介导的细胞粘附是必须的，它可能的功能是钙粘附分子和肌动蛋白丝细胞骨架蛋白的连接桥梁。β-钙紧张素有α-钙紧张素和钙粘附分子胞浆内区域的连接桥梁作用，也有人认为β-钙紧张素并不是直接参与细胞粘附的基本粘附蛋白，β-钙紧张素的酪氨酸磷酸化是对生长因子的反应和参与细胞的变形，γ-钙紧张素是一种直接的调控蛋白，主要参与信号的传导和发育状态的调控［3，4］。

　　钙粘附分子是表皮细胞中小带粘附连接的主要粘附受体，它们和肌动蛋白丝束互相定位。连接的定位对于钙粘附分子的功能并不是必须的，但由于钙粘附分子在细胞表面呈弥散性分布，连接定位就显得非常重要。小带粘附连接和相关肌动蛋白丝束对于紧密连接来说并非必须，但对于表皮细胞强大的收缩和其尖端机械力的产生非常重要，所以钙粘附分子对于连接状态的动态调控在表皮细胞的生理功能和形态结构的形成非常重要。

　　细胞外钙粘附分子的结合区域内部结构特性有助于钙粘附分子参与的细胞连接。典型的钙粘附分子细胞外区域被分为五个亚区域，即EC1～EC5。N-钙粘附分子EC1区域的X射线晶体分析显示，EC1形成一个二聚体称为串二聚体，这些串二聚体再进行平行的互相粘附，是细胞外钙粘附分子功能性定位进行调控细胞粘附主要蛋白成分。

　　2.2　桥粒连接的功能特性

　　桥粒连接在表皮细胞是主要的连接，它们是连接中间丝细胞骨架蛋白网的桥梁，桥粒和中间丝的连接形成一个贯穿于整个组织的相互连接的网络，使组织产生高度可伸展的力。桥粒的粘附受体是钙粘附分子超家族，称为desmocollins和desmogleins，它们在不同的组织表达不同的形态，但有很大的同源性。desmocollins、desmogleins和中间丝的连接通过多种胞浆内连接蛋白来完成，包括desmoplakins和plakoglobin（γ-钙紧张素）。Desmoplakins有与中间丝相同的序列，被认为是直接与中间丝相连蛋白。Plakoglobin（γ-钙紧张素）有另外很重要的功能，它和β-钙紧张素有高度相似的序列，能够参与组织发育过程中的信号传导，有时发现在与钙粘附分子有关的粘附连接中替代β-钙紧张素［5，6，7］。

　　Desmosomal-中间丝系统在表皮中维持组织的完整功能已经明确证实。表皮是一个多层的上皮细胞组织，在它的整个细胞代谢过程经历了恒定的变化。上皮细胞到达表皮的表层要经过未分化的角质层和基底膜的连接，同时和定型的细胞分化过程有关。表皮包含有最高的桥粒表面密度，其角化过程是中间丝产生和装配的终末状态。多种自动免疫性疱疹就是由于桥粒的断裂而引起的，寻常天疱疮就是由于在表皮中细胞间连接缺少造成的，仅仅位于基底层的上面。所以桥粒和细胞角化的发生，一起为表皮的完整提供机械的力量。Desmosome和中间丝系统在其它组织中可能起相同的作用，而且在抵抗大的机械应力方面更有其特殊意义［8］。

　　2.3　上皮细胞和细胞外基质的连接及基底膜特性

　　上皮细胞和细胞外基质的连接对于组织结构的完整也是非常重要的。细胞既和富含胶原的细胞间隙的基质成分相连，又与基膜相连，一个由多种组织结构环绕而成的细胞外基质鞘。基膜环绕在所有上皮细胞、肌纤维和神经髓鞘的表面。基膜由两层特殊的结构组成：（1）基层直接和细胞相邻，由多种细胞外基质粘附糖蛋白构成，包括胶原Ⅳ、板层素、纤维素和其他成分。网状层是由成纤维细胞和组织相连产生的支架结构和原纤维构成。细胞用许多不同的粘附受体和细胞外基质相连。当然，最重要的细胞外基质粘附受体是整合素，其亚单位有α、β整合素。

　　上皮细胞和基膜的连接紊乱，同样发生在皮肤的自动免疫性疱疹疾病中，大的天疱疮就是由于半桥粒（桥粒的一半和基膜相连，称为半桥粒）的断裂造成的。象桥粒一样，半桥粒和中间丝网状结构相连，但是它的成分是完全不同的，它们主要的粘附分子受体是整合素α6β4，在基膜它们和板层素相连。半桥粒在胞浆内和中间丝相连的连接蛋白是特有的，目前仍不清楚。所以中间丝和 基膜相连续网状结构对于皮肤的机械完整是非常必要的。一个重要的例子是上皮细胞极性发育中就有基膜的参与[9]。

　　3　细胞粘附分子的形态结构形成和动态变化

　　粘附机制最早参与上皮细胞排列形成多种组织结构。通常粘附过程和粘附分子支撑了组织中的动态变化，维持了组织结构的形成。所以这些动态过程强调了细胞粘附系统功能的重要性，特别是在生物生长发育过程中。

　　　3.1　上皮细胞的连接及间质和上皮的转换

　　通过细胞粘附介导的形态结构的转化就是细胞聚集或连接的过程。在转化过程中，细胞周围的细胞外基质的聚集形成沿细胞表面广泛和最初的松散的间质结构，细胞的聚集或连接发生在许多组织的发育和退化中，但认识最清楚的是在间质和上皮细胞的转化中，通过细胞形成紧密的粘附极化上皮细胞成为一个完全完整的上皮细胞连接。上皮细胞的粘附是在细胞外基质的基底部通过整合素介导的成纤维细胞的扩展过程，并有一种同源性粘附分子（钙粘附分子）的参与。

　　E-钙粘附分子网络的动态调控构成了上皮细胞的连接，一个最好的例子是在小鼠胚胎发育的早期8～16细胞阶段，就是通过松散的粘附分裂球形成上皮细胞囊胚。尽管在小鼠胚胎中E-钙粘附分子活性的调控机制仍不清楚，但胞浆内钙紧张素（catenin）的连接蛋白和肌动蛋白丝的细胞骨架蛋白肯定参与了其调控过程［7］。

　　　3.2　上皮细胞的重新排列

　　除了上皮细胞连接的基础过程外，另外一个非常复杂的问题又提出来，不同的组织结构是怎样形成的？为什么一些上皮细胞形成几乎是球形的囊，另外一些上皮细胞形成细长的管状结构，有些状态是网状结构？用一个完整的机制来解释形态结构形成这个基本的问题是不可能的。所以我们必须懂得一些关于特定的粘附系统在特定的网络形成过程中的特异性分布［10，11］。

　　组织形态的改变常常有广泛的细胞迁移。细胞既能够单个的迁移，也能够粘附连接成组织状进行迁移。长排列的细胞迁移通常发生在沿基底膜和细胞外基质的区域，而且有整合素参与粘附的一个自动过程。组织中形态结构的变化也有局部的细胞重新排列参与。这个例子在果蝇胚胎的原肠胚的胚层延长时就是由于细胞的会聚和广泛的运动构成。细胞的重新排列同样在果蝇的腿部板层的外翻过程被观察到，在这些形态结构的变化过程中，尽管邻近细胞总是处于不断的重新排列中，但是细胞间粘附连接始终贯穿于整个过程，局部的细胞重新排列也参与了细胞间的运动［12］。

　　就上皮组织而言，细胞的重新排列提出一个富有挑战性的问题，重新排列的细胞可能出现两种情况，即维持非常紧密的咬合连接屏障从而保持它们桥粒连接的存在，这意味着紧密连接和桥粒的存在是动态变化的，尽管它们看起来象静止不变的结构。桥粒看起来象焊接成的点，不能溶解在高浓度的盐酸胍血中，而半桥粒自由地存在于上皮细胞的表面，能够代表在桥粒形成过程中动态变化的中间结构，这就意味着咬合连接和桥粒连接的动态变化是靠半桥粒这一中间结构来完成的[13］。

　　　3.3　细胞外基质和不同组织形态结构的形成

　　上皮细胞和细胞外基质间的相互作用在组织形态结构的形成中起非常重要的作用，最重要的作用是为上皮细胞的连接及极性生长提供基底膜作用。另外，上皮细胞和细胞外基质的相互作用同样有助于组织的生长和分化状态。例如培养的肾上皮细胞经分化因子或肝细胞生长因子作用可以形成管状结构，但它们必须被包埋入胶原基质中。

　　上皮细胞不同形态结构的形成说明，是由多种粘附系统和细胞增殖的共同作用来完成，不同组织状态的形成依赖于上皮细胞和周围间质的相互作用。基质局部合成的调控、基质的沉积和细胞外基质成分的转化控制了细胞的增殖状态。当胶原纤维聚集在过度生长细胞的裂口区域时，位于顶端区域的细胞表现出最大的增殖特性。同样细胞外基质蛋白出现高度的转化状态，干扰基质成分的转化，无论是体外试验还是载体试验都可以抑制组织形态结构的形成。尽管这些上皮和间质的相互反应是相当复杂和在其分子水平的情况仍不清楚，但对于组织形态结构形成过程中细胞和细胞外基质的粘附反应及控制细胞增殖反应的协调性非常重要［14，15］。

4　上皮细胞粘附和信号的转导 
　　有大量的证据证实，在调控细胞粘附、细胞的运动、细胞的生长和特定的基因调节中，粘附分子参与的多种信号传导作用是非常重要的。这里我们主要探讨粘附蛋白调节信号传导的生理作用，特别是与组织中的物理粘附反应和信号传导的关系。

　　重要的问题要提出来。为什么必须有粘附分子参与信号传导？那一类是我们要特别研究的和它们什么时候存在？我们可以这样说，粘附分子参与的信号传导中有以下两种情况是非常重要的，即调控局部胞浆过程和影响细胞的生长和分化，特别是在基因的转录和细胞周期变化的调控中有其特殊作用。另外一个重要的原因，粘附分子被用来作为信号传导是用于确定细胞表面或细胞外基质的特定区域。