桥粒芯蛋白2功能及相关疾病的研究进展

杨婷婷，唐 奇综述，冯振卿审校

0 引 言

桥粒芯蛋白（desmoglein，DSG）作为细胞表面跨膜蛋白，是组成细胞紧密连接——桥粒结构的重要蛋白，在细胞间的黏附、信息传递等过程中发挥重要作用，如心肌闰盘结构的维持。同时近来研究发现，DSG的亚型DSG2在多种肿瘤中表达异常，在恶性肿瘤的上皮间质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）过程中，桥粒作为上皮细胞的标志性结构，其相关蛋白在EMT现象中发挥着重要作用［1］。但DSG2作为细胞膜表面受体是如何接受信息，并降解入胞或表达增加，从而对下游的信号通路进行调节，以及如何影响恶性肿瘤的不良预后等问题尚缺乏系统的阐述。本文就DSG2的蛋白结构、生物学功能及与相关疾病的关系和信号通路作一综述。

1 DSG2的结构

桥粒芯蛋白家族共有4个亚型，分别为DSG1、DSG2、DSG3和DSG4［2］，与有3个亚型的桥粒胶蛋白（desmocollin，DSC）组成桥粒钙黏素家族，并与桥粒斑蛋白（desmoplakin，DP）等共同构成细胞黏附结构——桥粒或半桥粒。其中DSG2亚型在组织分布最为广泛［3］，表达于单层上皮、复层上皮的基底细胞层以及非上皮组织如心肌、淋巴滤泡树突网等［4］。而DSG1分布于表皮上层分化成熟区，DSG3主要分布在表皮基底层，DSG4分布于毛囊和上皮颗粒层。

DSG2蛋白又名 ARVC10、ARVD10、CDHF5、CMD1BB。其编码基因定位于人类染色体18q12.1，人DSG2基因线性DNA序列由50788bp组成，含有15个外显子，线性mRNA由5677 bp组成，编码由1118个氨基酸组成的蛋白［5］。DSG2蛋白由胞外5个钙黏蛋白重复区（EC1-4）、跨膜区、胞内钙黏蛋白片段、富于脯氨酸连接序列、重复单元区（repeated unit domain，RUD）和终末富甘氨酸区组成［6-7］。其胞外每个钙黏蛋白重复区都在每一对连续重复序列之间形成钙结合位点的球状域，从而接受胞外液中钙离子浓度的信号调控。DSG的4个亚型基本结构一致，仅在胞内重复单元区不同：DSG1，5个RUD；DSG2，6个RUD；DSG3，2个RUD；DSG4，3个RUD。

2 DSG2的装配和功能

DSG2作为桥粒芯家族成员，参与桥粒结构组成。桥粒是细胞间粘着连接的主要结构，对于心肌、膀胱、胃黏膜、皮肤等承受机械压力的组织细胞尤为重要，DSG和DSC均是其中的最主要跨膜糖蛋白，胞外区部分主要调节细胞黏附力，胞内区和DP或桥粒斑珠蛋白（Plakoglobin，PG）结合，DP和PG另一端与细胞中间丝结合，构成半桥粒。半桥粒和邻近细胞的半桥粒通过DSG和DSC黏附作用，组成桥粒的完整结构［8］。桥粒的黏附力，受到结构中的钙粘蛋白重复区钙离子结合位点的调控，表现出钙离子依赖性。在细胞桥粒间的连接，主要是表现为嗜异源性和亲同源性，即DSG和DSC结合，DSG和DSG结合；以及在纤维细胞中观察到DSG2和DSC1的交互作用，即在细胞间桥粒连接处可有DSG和DSG的相互连接，也有DSG和DSC的相互连接作用［9-11］。

DSG2作为桥粒中细胞间的连接蛋白，对桥粒结构装配和稳定起到重要作用。桥粒作为细胞紧密连接的一种，在上皮的完整性、抵抗机械压力等方面具有重要作用。DSG的表达异常，使得桥粒间连接断开，导致上皮棘层松解，水泡形成，最终致天疱疮的发生，其发生与DSG1、DSG3的抗原有直接关系，与DSG2的关系还在进一步研究中。有研究提出，在胚胎干细胞基因敲除的小鼠，发现DSG2-/-和DSG2+/-的小鼠胚胎干细胞在着床后短时间死亡，并且最早在装配桥粒结构的滋养外胚层的桥粒结构中发现DP因DSG2缺失而表达和装配异常［12-14］。同时发现在DP阴性的胚胎干细胞中，DSG2可独立定位在非桥粒结构中，并对胚胎内胚层细胞和由内胚层发育来的细胞团的增殖有不可或缺的作用。上述研究说明DSG2除了组成细胞桥粒结构，参与细胞黏附能力之外，也可独立于桥粒结构之外，在胚胎干细胞的早期发育和存活中也发挥非常重要的作用［15］。

3 DSG2的调控和有关信号通路

在卵巢透明细胞癌的研究中，发现肿瘤干细胞标志CD133和桥粒结构中的PG有直接作用，并且CD133的敲除可导致桥粒结构中DSG2蛋白的表达下调，从而降低细胞黏附促进肿瘤侵袭等恶性生物学行为［16］，而PG在桥粒结构中与DSG2直接结合，CD133可能通过PG影响DSG2蛋白的表达，桥粒相关蛋白Pinin也可上调DSG2蛋白。提示DSG2的表达可以受桥粒结构中其他直接或间接结合的相关蛋白的影响［17］。

在上皮鳞状细胞癌中，表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）和解整合素金属蛋白酶 17（a disintegrin and metalloprotease，ADAM17）协同作用，促进DSG2蛋白的降解和胞内清除，从而降低细胞间黏附，促进肿瘤细胞侵袭。DSG2的降解和清除过程主要是：DSG2在胞外域近锚定区断裂，胞外片段入细胞外基质，膜上残余片段被膜上邻近的小凹蛋白（caveolin，cav-1）/脂筏复合体所结合，并于胞内降解。研究还发现cav-1的缺失，可导致膜上残余DSG2片段积累，会影响桥粒结构的装配，这对完整桥粒的稳定性有一定影响［18］。反之，DSG2蛋白可激活EGFR、ERK1/2磷酸化，最终促进细胞增殖。ERK1/2的抑制剂可抑制上述所致生物学行为改变。DSG2的敲减可导致EGFR的磷酸化水平降低，下游的ERK1/2磷酸化也被抑制［19］。

同时DSG2的表达下调可促使DSC2表达增高。有研究表明DSC2的下调，可激活EGFR信号通路，通过下游的PI3K/Akt信号通路，再促进β-catenin 552位丝氨酸磷酸化，从而β-catenin可发挥促细胞增殖的调控作用。此通路和DSG2的表达增高效应基本一致，并且DSG2也具有一定激活Akt信号通路的作用。总之，DSG2和DSC2在此发挥着近乎相反的调控作用，DSG2的减低可导致DSC2表达增加，通过灭活EGFR和Src等促进细胞增殖的调控因子从而抑制肿瘤生长［20］。

4 DSG2相关疾病

4.1心肌疾病DSG2的突变可影响心肌闰盘结构中桥粒钙黏素的结合能力，与心律失常右室心肌病（arrhythmogenic rightventricularcardiomyopathy，ARVC）及扩张性心肌病的发生密切相关［21-22］。ARVC是常染色体隐性遗传病，对此病患者进行基因突变检测，发现DSG2错义突变c.1003A＞G，p.（Thr335Ala）与ARVC直接相关。在小鼠模型中，DSG2突变杂交鼠出现类似ARVC患者的临床表现：心室扩大、室壁变薄、心功能下降、炎性反应和心室纤维化等［23］。ARVC的早期临床诊断一直是个难题，主要依靠超声心电图，然而超声心电图的诊断不具有特异性。发现并确定DSG2和ARVC的直接关系，使DSG2基因突变有可能作为临床ARVC患者的检测指标。

4.2肠道疾病作为首先在肠道发现的结构蛋白，DSG2对肠道功能有一定作用。Krüppel样因子5（Krüppel-like factor 5，KLF5）是锌指家族一员，研究发现KLF5和DSG2有协同作用，KLF5的敲减可干扰DSG2的表达，使得细胞桥粒结构被破坏，严重损害小鼠肠道的屏障功能，从而导致炎症性肠病的发生［24］。在克罗恩病和溃疡性结肠炎的患者中发现，DSG2和紧密连接蛋白Claudin1表达明显下调，此过程可能受到TNF的调控，通过体内外实验发现：能特异结合DSG2结构域的串联多肽（tandem peptide，TP）的加入，可稳定DSG2的结构并干扰TNF诱导的肠上皮渗透性增高的现象［25］。目前肠道炎症疾病，尤其是克罗恩病和溃疡性结肠炎，主要通过糖皮质激素治疗，相对不良反应较大。DSG2在肠道炎症疾病中的作用和机制研究，为此类疾病治疗提供了新途径，如上述TP的应用。

4.3恶性肿瘤DSG2和肿瘤的关系正逐步被发现，DSG2作为桥粒结构中具有细胞粘着力作用的主要蛋白，其功能缺失，可导致细胞黏附能力减弱，与肿瘤细胞的侵袭迁移、上皮间质转化密切相关［26-27］，同时作为细胞表面跨膜糖蛋白，DSG2可接受胞内外信号并通过不同的信号通路对肿瘤细胞产生不同效应［28］。

4.3.1DSG2在肿瘤细胞中表达减低细胞间黏附以及细胞与基质间黏附在肿瘤细胞的早期侵袭过程中是重要的限制因素，肿瘤细胞通过对桥粒相关分子DSG2的影响降低肿瘤的侵袭迁移能力，导致肿瘤的不良预后［29］。在胰腺癌中DSG2表达明显下降，细胞内聚力丧失，肿瘤细胞增殖侵袭迁移能力增强［30］，同时胰腺癌细胞株BxPC-3中激肽释放酶（Kallikrein7，KLK7）明显高表达，通过降解实验表明DSG2的表达降低与KLK7有关，KLK7可促进DSG2降解成多个片段，而KLK7抑制剂可阻断此过程。在75例胃癌临床标本中DSG2表达明显降低，且与胃癌患者不良预后明显相关［31］。在鳞癌中EGFR和ADAM均可通过促进DSG2的降解脱落入胞，减少癌细胞黏附，促进细胞迁移［32］。DSG2是脱落酶家族ADAM17蛋白水解靶标，ADAM17在参与受体激活的同时，把跨膜蛋白DSG2在胞外区近锚定区断开。DSG2蛋白被降解为：胞外区约95KD大小的蛋白和一个65KD膜上残余片段，如果膜上残余DSG2片段未被邻近的cav-1/脂筏复合体结构及时降解清除，其在膜上的过多累积会破坏膜上桥粒结构，降低细胞黏附能力［18］。总之，DSG2在胰腺癌，鳞癌等肿瘤细胞中表达减低，研究中主要的机制在于DSG2是细胞黏附结构桥粒相关蛋白，其表达减低对细胞黏附力影响导致细胞的侵袭、迁移能力增强，从而导致肿瘤的不良预后。

4.3.2DSG2在肿瘤细胞中表达增加DSG2蛋白在部分上皮性肿瘤，包括鳞癌、基底细胞癌、黑色素瘤、结肠癌、小细胞肺癌等均表达异常增高［33-36］。在恶性黑色素瘤中DSG2的表达和不良预后密切相关，且可调控血管生成拟态（vasculogenic mimicry，VM），即肿瘤不仅可促进血管生成，且可通过肿瘤细胞形成血管样结构来重塑血液供应的方式，为肿瘤提供丰富血供，促进肿瘤生长。研究表明DSG2阳性的恶性黑色素瘤可以自行形成管状样结构，激活VM活性。DSG2是人类黑色素瘤中VM活性的重要调节因子，并提示该分子可能作为治疗靶点，有可能抑制肿瘤的血液供应和转移扩散［37］。

DSG2可通过对鳞癌肿瘤微环境的调节，对鳞癌的发生发展产生一定影响［38］。外泌体（extracellular vesicles，EVs）是存在于细胞间纳米级大小的膜衍生囊泡，是携带脂类、蛋白质、遗传物质的胞间信使，多是由肿瘤细胞分泌到血液和其他体液中，在调节肿瘤微环境和影响肿瘤的发病机制方面起着关键作用。Andrew等［37］在头颈部鳞状细胞癌中首次发现其外泌体富含有DSG2蛋白的C端片段，同时鳞癌细胞的DSG2异常高表达促进EVs释放促有丝分裂的相关因子如表皮生长因子受体c-Src等，DSG2蛋白对EVs的调节是通过基质金属蛋白酶和Cav1的胞外域脱落，与脂筏蛋白、微囊蛋白的聚集有关。并且头颈部鳞癌患者癌细胞在DSG2过表达同时，其循环血液中被释放的EVs中DSG2也更加丰富，这为癌症筛查提供了新的途径。上述研究说明DSG2不仅可作为黏附分子调节细胞间黏附，还可调节外泌体的分泌和旁分泌信号，并改变外泌体，使之分泌更多促有丝分裂相关因子，影响肿瘤微环境，促进肿瘤细胞生长。

在基底细胞癌中，相对于正常上皮基底组织，DSG2表达明显增高，而DSG3表达无明显改变［39］。在结肠腺癌中DSG2表达异常增高，DSG2的敲除使得癌细胞在体内外生长抑制无法成瘤，而DSC2表达增高，且DSC2的表达增高对癌细胞的增殖等活动有一定抑制作用。DSG2和DSC2在此处有着相反的调控作用，说明桥粒蛋白功能之间的相互牵制。在非小细胞肺癌中，DSG2表达异常增高，并且DSG2的敲除同样抑制癌细胞的增殖，细胞周期在G1期被阻断，此过程可能通过对周期蛋白依赖性激酶2的下调，转录因子P27的上调而实现的［35］。

上述研究表明，在不同的肿瘤细胞中，DSG2发挥着不同甚至相反的调节作用。DSG2在一些肿瘤细胞中表达下调，使得细胞间DSG2介导的黏附能力降低，促使细胞间黏附以及细胞和基质间黏附性减低，促进侵袭迁移，导致肿瘤患者的不良预后。但是在其他一些肿瘤细胞中，DSG2表达增高，DSG2作为细胞膜表面受体，可调控血管生成拟态，促进肿瘤血液供应，调节外泌体的旁分泌和外泌体释放促有丝分裂的相关因子等，从而促进肿瘤细胞增殖。对于DSG2在肿瘤细胞调控中发挥不同甚至相反作用的现象，尚无明确的研究和解释，有研究认为可能是因为在不同的肿瘤细胞，有关蛋白不同的表达水平和组织特异性，以及特定蛋白对之不同的调控机制，从而会出现DSG2发挥不同作用［40］。

4.4腺病毒感染在腺病毒亚型中，3，7，11，14亚型以及新亚型14p1，通过特异结合上皮细胞DSG2受体，导致感染的发生［41］。腺病毒和DSG2结合的部位，是由于组成腺病毒纤维纽结的氨基酸残基的突变，其纤维纽结形成潜在的结合口袋，致使与DSG2特异性结合的亲和力提高［42］。在小鼠的人乳腺，肺癌，前列腺癌移植瘤模型中，以及小鼠的人DSG2转基因模型中，带有重组二聚体腺病毒3型纤维纽结JO-1的腺病毒可通过识别DSG2受体，促进DSG2的胞外域降解，转移入胞，从而降低细胞间连接。之后Yumul等［43］研究出亲和力增强的JO-1衍生物JO-2，JO-4具有同样作用。

腺病毒打开细胞间连接主要通过：磷酸激酶通路的激活和连接细胞骨架蛋白基因表达下调，即腺病毒突变的纤维纽结结合DSG2，激活MERK通路，激活去整合素金属蛋白酶17，导致DSG2胞外域解裂；DSG2的胞外域被降解后，其和邻近细胞形成的二聚体结构被打乱，细胞连接被打开［44］。研究表明在荷瘤小鼠的化疗药物中加入腺病毒衍生蛋白，相对于只加入化疗药物的小鼠，可明显抑制肿瘤的生长；在小鼠模型中，虽未见腺病毒衍生蛋白的不良反应发生，但如果要进一步作为临床用药尚需更多的研究。在肿瘤细胞中，多数为上皮来源的肿瘤，即使部分恶性程度较高的肿瘤是未分化或低分化，仍然基本都存在细胞间相互连接，此结构作为肿瘤的防御机制，阻断了宿主免疫系统的攻击，并且阻隔了抗癌药物和单克隆抗体的瘤内渗透和播散。腺病毒通过与DSG2的结合，打开细胞间连接，改善化疗用药的效果，降低用药剂量，减少不良反应，对上皮细胞肿瘤的化学治疗具有重要意义。同时，细胞外脱落的DSG2胞外域残端还可作为临床检测的靶点［45］。

DSG2所导致相关疾病中，ARVC是和DSG2的基因突变有直接关系的常染色体隐性遗传病；炎症性肠病的易发和DSG2的表达缺失有相关性；腺病毒特异性识别DSG2的胞外段，可导致DSG2的内化和降解，细胞间连接断开，促进药物渗透，为化疗辅助用药提供途径。DSG2在不同肿瘤细胞中的不同表达，也间接说明个体的特异性及细胞中分子通路的复杂性，DSG2在癌症中的作用仍需要进一步研究［46-47］。

5 结语与展望

DSG2蛋白是桥粒芯蛋白家族4个亚型中分布最为广泛的亚型，作为桥粒结构中主要介导细胞黏附力的跨膜糖蛋白，其突变与心肌疾病、肠道炎症等疾病有直接关系。在多种肿瘤细胞中证实，DSG2异常缺失所导致的细胞黏附力下降，与癌细胞侵袭迁移能力增强以及癌症的不良预后密切相关。但同时在鳞癌等细胞中DSG2也被证明异常高表达，通过对肿瘤微环境的作用：调节血管生成拟态，调节外泌体的释放等方式，以及通过MARK/ERK信号通路的激活促进肿瘤细胞增殖。DSG2的在肿瘤中不同的作用，是不同信号通路还是其他调节因素导致，尚需进一步研究。DSG2在不同肿瘤及信号通路里发挥不同甚至相反作用的现象揭示了生物体的复杂性。DSG2在细胞间连接中的作用至关重要，阻断此蛋白的JO-1等可作为化疗用药的协同用药，改善化疗药效。阻断DSG2在细胞中表达可以抑制肿瘤的血液供应，外泌体释放和转移扩散等作用，为肿瘤的靶向治疗和预后评估等提供新的靶点分子。