整合素與細胞骨架生物學關系研究進展

李 洋，洪 莉

(武漢大學人民醫院婦產科，武漢 430060)

整合素是一類細胞表面受體，能夠將細胞外基質(extracellular matrix，ECM)與細胞骨架聯系起來，并通過黏附復合物向細胞內轉導化學和物理信號。ECM-整合素-細胞骨架信號軸也參與了多種疾病和組織的病理變化過程。外界的力學刺激作用于整合素可改變細胞骨架的結構，激活信號的轉導過程[1]。多細胞生物體內環境的穩態高度依賴于ECM復雜的網絡與胞內細胞骨架的動態聯系，這些聯系是在某些細胞黏附受體基礎上建立的，這其中就有與整合素結合的ECM和細胞骨架連接蛋白。激活態的整合素聚集并招募大量的細胞骨架相關信號蛋白，通過不斷變化細胞形態、蛋白構成以及亞細胞結構定位形成各種黏附結構[2]。這種動態的黏附結構的生命周期是通過肌動球蛋白和微管細胞骨架調控的[3-4]。整合素又是一種跨膜糖蛋白分子，可以連接ECM與細胞骨架成分-肌動蛋白微絲，形成具有信號轉導功能的局部黏附裝置——局部黏附斑，而整合素信號轉導的結構基礎便是ECM-整合素-細胞骨架蛋白所構成的黏著斑。現就整合素與細胞骨架生物關系的最新研究進展進行綜述。

1 整合素的結構及生物學功能

整合素是一類異二聚體，屬跨膜細胞表面受體，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，二價金屬離子占據后被激活[6]。根據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蛋白的結合基序，在生物環境中發揮促細胞黏附、遷移以及增殖的作用[7]。此外，整合素作為一種雙向信號轉導元件，在細胞的生存和基因表達上也發揮著重要作用。

非激活狀態時，整合素頭部彎曲指向胞膜，因此對其他配體表現出非常低的親和力[8]。當胞內的β亞基與蛋白結合誘導胞外結構的構象發生改變，并伴有對其他配體親和力的提高，這就是“內-外信號”，調控細胞的黏附和遷移[9-10]。這種親和力由低向高轉換的過程就是整合素的激活過程，此過程需要踝蛋白結合到細胞質整合素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合端。反過來，“外-內信號”的發生導致跨膜單位分解，整合素聚集，產生1.5 pN的拉伸力(結合配體的能力)[11-12]，如果這種拉伸力提高到10～30 pN，整合素配體結合端的結合力通過形成“抓取結合端”得到極大加強，這有助于提高結合端的存在時限，減弱整合素配體端的關閉率[13]，形成黏著斑，促使胞內信號-級聯放大的發生，此現象調節多種生物學過程，包括細胞的極性、骨架蛋白結構以及細胞生存[14]。在細胞黏附過程中，整合素聚集形成黏著斑，促使細胞內結構域通過踝蛋白和黏著斑蛋白與肌動蛋白細胞骨架結合[15-16]。整合素幾乎存在于所有類型的細胞中，表現出不同的分布模式，并極大程度上參與了腫瘤、骨質疏松癥及免疫性疾病的過程。

2 細胞骨架的構成和生物學功能

細胞骨架是位于細胞膜內側的蛋白纖維網狀結構，由微管、微絲以及中間絲構成。微管由微管蛋白和微管結合蛋白組成，為圓柱狀中空結構，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，兩者的含量在細胞中是動態平衡的。中間絲是一種纖維狀蛋白，其直徑介于微絲與微管之間，圍繞著細胞核分布，成束成網，并擴展到細胞質膜，與質膜相聯結。這3種細胞骨架成分雖結構不同，形態各異，但三者在功能行使上相互協調，結構上彼此聯系，構成了復雜的骨架結構，參與了細胞的生長分化、轉移、增殖、凋亡、信息傳遞、遺傳表達等多種生命過程，并維持了細胞的形態和剛性。

3 整合素與細胞骨架的生物學關系

3.1整合素穩定細胞骨架 微管的結構是動態變化的，能協調肌動蛋白的聚合作用、物質轉運、細胞膜重構，因此與細胞黏附及遷移關系密切[17]。Byron等[18]證實，微管定位于細胞周圍依賴于整合素的激活水平，穩定性也受激活的整合素的影響。杜華等[19]應用功能性抑制劑抑制腫瘤細胞合成、分泌整合素β1，導致腫瘤細胞內微絲的排列極向發生改變，顯微鏡下胞內微絲束密集而粗壯，在整個細胞和細胞突起中沿細胞極性平行排列或縱橫交錯成網狀，細胞偽足減少，顯著減弱細胞的運動遷移及體外侵襲能力。Qiu等[20]認為使用牙齦素提取物處理成骨細胞會破壞聚合態纖維肌動蛋白的完整性，但過表達的整合素β1可逆轉牙齦素的這種作用。在一項研究中，為了更確切地了解整合素β3調節整合素黏附復合體在內皮細胞中的作用，敲減內皮細胞整合素β3后發現，微管的生物學行為發生了改變，同時也影響了細胞的遷移[21]。

3.2整合素促進細胞骨架重排 整合素可通過與ECM相關的蛋白成分結合活化特定的信號轉導途徑，導致細胞骨架重排，從而誘導細胞形變、伸展、遷移、增殖及分化。微管的存在是一個動態的過程，表現為生成、破壞、再生成的過程。當細胞膜表面的整合素受到應力作用并產生變形后，將這種應力信號傳遞給細胞膜下黏著斑蛋白的肌動蛋白，然后傳遞給整個細胞骨架并使后者按應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)，后者控制著細胞骨架蛋白肌動蛋白的解聚合成，類似細胞內的分子“開關”[22]。

血管生成素樣蛋白3可引起腎臟足細胞骨架重排，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，進一步誘導足細胞骨架重排[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/非激活的狀態的調節需微管定位于細胞邊緣，也可認為整合素在細胞膜的激活指導微管的生長[18]。Scheiblin等[24]的研究表明，整合素β1敲減的內皮層纖維細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胞骨架結構。整合素與ECM中相關的配體蛋白結合后可發生一系列生理變化，如整合素分子的聚集以及胞質中與之相關的信號分子的聚集，進而引起細胞骨架結構的改變，并且這種細胞骨架的改變將相關信號傳遞給下游的效應分子，引起細胞黏附和遷移能力的改變[25-26]，進而影響腫瘤細胞的相關特性。

3.3整合素、細胞骨架與黏著斑 黏著斑是一種細胞膜上的成分，由多種蛋白相互作用生成的ECM與細胞骨架之間的物理聯系，包含整合素、ECM蛋白、支架蛋白等，細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合蛋白連接細胞骨架與ECM，并傳導化學信號，介導黏附依賴性的細胞遷移、生存及增殖。Ingber[27]應用磁扭轉細胞計將機械力直接加載于細胞表面受體證實，整合素β1可將機械力學信號傳遞至細胞骨架，誘導黏著斑形成。整合素介導黏附結構的裝配是在片狀偽足上通過核化3～6個與ECM穩定結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蛋白加強整合素-肌動球蛋白的聯系，促使大的黏著斑形成。細胞與ECM黏附在很多生理學功能上有重要作用，如細胞遷移、侵入以及上皮基膜的附著。在眾多黏附結構中，黏著斑發揮著最為重要的作用[29]，這些蛋白復合體通過跨膜異二聚體整合素使不同的ECM成分結合到肌動蛋白結合蛋白上[30]。在黏著斑起始下游的信號通路中，細胞骨架產生的細胞收縮力和外載機械應力對ECM的力刺激非常重要[31]。微管在皮層微管穩定復合體(cortical microtubule stabilization complexes,CMSCs)的介導下作用于成熟的黏著斑。CMSCs以點狀出現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鏈接聯合蛋白[33]。隨后，微管-CMSC復合體與黏著斑的結合依靠微管-肌動蛋白交聯因子1(microtubule-actin crosslinking factor 1,MACF1)和腎錨蛋白重復蛋白(kidney ankyrin repeat-containing protein, Kank)。具體機制是MACF1通過黏著斑相關的肌動球蛋白交聯微管[34]，Kank通過踝蛋白相關整合素連接CMSC[35-36]，從而促進微管-CMSC復合體與黏著斑的結合。Kank家族蛋白可通過與突觸形成相關蛋白(liprin-β1)結合實現與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產物，最終讓微管與整合素聯系起來[35-36]。需要注意的是在缺乏Kank蛋白時，CMSCs是分散出現的，但仍然相對接近黏著斑。

微管靶向及圍繞黏著斑發揮著至少兩種作用，一是調控黏著斑分解。微管頻繁與CMSC結合能夠隔絕和抑制微管釋放RhoA和鳥苷酸釋放因子[38]，導致局部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ADP核糖基化因子6 GTP酶，誘導網格蛋白介導的整合素內化[40]。另一種作用是微管錨定在黏著斑周圍，聯系微管蛋白與黏著斑，并平行于細胞遷移方向。肌動蛋白-微管與MACF1交聯對指導微管和聚合態纖維肌動蛋白朝向黏著斑生長[41]。缺乏MACF1或kank1會導致微管在細胞邊緣過度生長，并使細胞極化[42]。

3.4整合素與細胞骨架共同介導信號轉導 近年來，ECM-整合素-細胞骨架通路在機械應力刺激細胞內信號轉導過程中的作用引起了廣泛關注。生物體內的細胞受多種力的作用，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致細胞變性，從而引起各種細胞反應，包括細胞分化、增殖、形變等。這種細胞水平的力學反應是如何從力學信號轉化成下游化學信號的，張競等[43]的研究認為，機械應力刺激可引起肌動蛋白相關錨定蛋白表達的上調，從而引起成骨細胞肌動蛋白聚合動態學變化。此外，微管結構也參與調節肌絲的動態變化，并通過抑制微管的聚合，增加成骨細胞人骨成型蛋白2的表達。整合素通過與ECM中不同配體蛋白結合，激活下游相關的信號通路，從而產生不同的生物學效應，此過程是多種蛋白分子交互作用形成網絡調控，從而發揮綜合效應的結果。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皮祖細胞CD59表達的調節。

除了轉導力學信號外，整合素-細胞骨架還可介導細胞的黏附和轉移。有報道證實，大蒜素能下調總的及磷酸化的FAK，并使纖維肌動蛋白排列紊亂，從而抑制黑色素瘤細胞的轉移[45]。在Cavalheiro等[46]的研究中，使用小干擾RNA敲減蛋白多糖4的表達能夠破壞細胞骨架蛋白網，這其中就有整合素的參與。在移行細胞中，由聚合作用或細胞收縮力產生的纖維肌動蛋白，在細胞邊緣的“退化流”中形成細胞骨架力能夠介導整合素與配體的結合，從而激活整合素[47]。同時，由肌球蛋白磷酸化酶介導的細胞內伸縮力和微管乙酰化作用的平衡可以調節細胞表面整合素α5β1的密度，從而調節纖連蛋白基質的裝配，控制細胞遷移及形態的發生[48]。微管網絡還可通過調節整合素參與的黏附復合體，調控細胞遷移，具體機制為微管網絡結構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合體的大小，并抑制其周轉[49]。踝蛋白是細胞質的接頭蛋白，對于介導整合素與ECM結合形成細胞黏附非常重要，通過控制整合素的激活狀態，將整合素與細胞骨架聯系起來，從而招募大量的信號分子介導整合素信號通路，并通過與Kank蛋白相互作用協調微管蛋白流向黏附點[50]。

4 結 語

整合素和細胞骨架在細胞的生命活動中扮演著重要角色，兩者互相調節、協調作用，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，如腫瘤的轉移、侵襲，過度機械力刺激誘導的組織功能障礙，神經退行性疾病等中。整合素-細胞骨架的相互作用在不同生物學功能的實現中發揮著重要的作用，涉及不同性質的信號轉導、傳遞，弄清這些關系有助于更好地了解相關的生命活動，發現更多疾病的發病緣由，更好地預防、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。