整合素与细胞骨架生物学关系研究进展

李 洋，洪 莉

(武汉大学人民医院妇产科，武汉 430060)

整合素是一类细胞表面受体，能够将细胞外基质(extracellular matrix，ECM)与细胞骨架联系起来，并通过黏附复合物向细胞内转导化学和物理信号。ECM-整合素-细胞骨架信号轴也参与了多种疾病和组织的病理变化过程。外界的力学刺激作用于整合素可改变细胞骨架的结构，激活信号的转导过程[1]。多细胞生物体内环境的稳态高度依赖于ECM复杂的网络与胞内细胞骨架的动态联系，这些联系是在某些细胞黏附受体基础上建立的，这其中就有与整合素结合的ECM和细胞骨架连接蛋白。激活态的整合素聚集并招募大量的细胞骨架相关信号蛋白，通过不断变化细胞形态、蛋白构成以及亚细胞结构定位形成各种黏附结构[2]。这种动态的黏附结构的生命周期是通过肌动球蛋白和微管细胞骨架调控的[3-4]。整合素又是一种跨膜糖蛋白分子，可以连接ECM与细胞骨架成分-肌动蛋白微丝，形成具有信号转导功能的局部黏附装置——局部黏附斑，而整合素信号转导的结构基础便是ECM-整合素-细胞骨架蛋白所构成的黏着斑。现就整合素与细胞骨架生物关系的最新研究进展进行综述。

1 整合素的结构及生物学功能

整合素是一类异二聚体，属跨膜细胞表面受体，由18个α亚基和8个β亚基组成[5]。α亚基的分子量为120 000～180 000，β亚基的分子量为90 000～110 000，两个亚基(α和β)以非共价键结合。整合素β亚基上存在一个金属离子依赖的黏附位点，二价金属离子占据后被激活[6]。根据天然配体的不同整合素可分为4类：精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸、胶原受体、白细胞特异性受体以及层粘连蛋白受体。整合素通过识别ECM蛋白的结合基序，在生物环境中发挥促细胞黏附、迁移以及增殖的作用[7]。此外，整合素作为一种双向信号转导元件，在细胞的生存和基因表达上也发挥着重要作用。

非激活状态时，整合素头部弯曲指向胞膜，因此对其他配体表现出非常低的亲和力[8]。当胞内的β亚基与蛋白结合诱导胞外结构的构象发生改变，并伴有对其他配体亲和力的提高，这就是“内-外信号”，调控细胞的黏附和迁移[9-10]。这种亲和力由低向高转换的过程就是整合素的激活过程，此过程需要踝蛋白结合到细胞质整合素β亚基的尾端，从而招募肌动球蛋白并提供给整合素配体的结合端。反过来，“外-内信号”的发生导致跨膜单位分解，整合素聚集，产生1.5 pN的拉伸力(结合配体的能力)[11-12]，如果这种拉伸力提高到10～30 pN，整合素配体结合端的结合力通过形成“抓取结合端”得到极大加强，这有助于提高结合端的存在时限，减弱整合素配体端的关闭率[13]，形成黏着斑，促使胞内信号-级联放大的发生，此现象调节多种生物学过程，包括细胞的极性、骨架蛋白结构以及细胞生存[14]。在细胞黏附过程中，整合素聚集形成黏着斑，促使细胞内结构域通过踝蛋白和黏着斑蛋白与肌动蛋白细胞骨架结合[15-16]。整合素几乎存在于所有类型的细胞中，表现出不同的分布模式，并极大程度上参与了肿瘤、骨质疏松症及免疫性疾病的过程。

2 细胞骨架的构成和生物学功能

细胞骨架是位于细胞膜内侧的蛋白纤维网状结构，由微管、微丝以及中间丝构成。微管由微管蛋白和微管结合蛋白组成，为圆柱状中空结构，具有较强的极性。微丝呈螺旋状，由肌动蛋白组成。肌动蛋白分为两种，即有活性的聚合态纤维肌动蛋白和无活性的可溶性球状肌动蛋白，两者的含量在细胞中是动态平衡的。中间丝是一种纤维状蛋白，其直径介于微丝与微管之间，围绕着细胞核分布，成束成网，并扩展到细胞质膜，与质膜相联结。这3种细胞骨架成分虽结构不同，形态各异，但三者在功能行使上相互协调，结构上彼此联系，构成了复杂的骨架结构，参与了细胞的生长分化、转移、增殖、凋亡、信息传递、遗传表达等多种生命过程，并维持了细胞的形态和刚性。

3 整合素与细胞骨架的生物学关系

3.1整合素稳定细胞骨架 微管的结构是动态变化的，能协调肌动蛋白的聚合作用、物质转运、细胞膜重构，因此与细胞黏附及迁移关系密切[17]。Byron等[18]证实，微管定位于细胞周围依赖于整合素的激活水平，稳定性也受激活的整合素的影响。杜华等[19]应用功能性抑制剂抑制肿瘤细胞合成、分泌整合素β1，导致肿瘤细胞内微丝的排列极向发生改变，显微镜下胞内微丝束密集而粗壮，在整个细胞和细胞突起中沿细胞极性平行排列或纵横交错成网状，细胞伪足减少，显著减弱细胞的运动迁移及体外侵袭能力。Qiu等[20]认为使用牙龈素提取物处理成骨细胞会破坏聚合态纤维肌动蛋白的完整性，但过表达的整合素β1可逆转牙龈素的这种作用。在一项研究中，为了更确切地了解整合素β3调节整合素黏附复合体在内皮细胞中的作用，敲减内皮细胞整合素β3后发现，微管的生物学行为发生了改变，同时也影响了细胞的迁移[21]。

3.2整合素促进细胞骨架重排 整合素可通过与ECM相关的蛋白成分结合活化特定的信号转导途径，导致细胞骨架重排，从而诱导细胞形变、伸展、迁移、增殖及分化。微管的存在是一个动态的过程，表现为生成、破坏、再生成的过程。当细胞膜表面的整合素受到应力作用并产生变形后，将这种应力信号传递给细胞膜下黏着斑蛋白的肌动蛋白，然后传递给整个细胞骨架并使后者按应力方向进行重新排列。整合素β亚单位活化后，激活黏着斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)，紧接着酪氨酸激酶进一步活化Rho家族(Ras超家族中小分子量G蛋白成员)的GTP酶(Rho、Rac、Cdc42)，后者控制着细胞骨架蛋白肌动蛋白的解聚合成，类似细胞内的分子“开关”[22]。

血管生成素样蛋白3可引起肾脏足细胞骨架重排，整合素β3在其中起着重要作用，并且整合素β3活化FAK的自主磷酸化位点Y397，进一步诱导足细胞骨架重排[23]。研究表明，微管解聚后的再生受整合素受体激活水平的影响，且整合素β1激活/非激活的状态的调节需微管定位于细胞边缘，也可认为整合素在细胞膜的激活指导微管的生长[18]。Scheiblin等[24]的研究表明，整合素β1敲减的内皮层纤维细胞的纤维状肌动蛋白显著减少，以至于无法保持肌动蛋白的细胞骨架结构。整合素与ECM中相关的配体蛋白结合后可发生一系列生理变化，如整合素分子的聚集以及胞质中与之相关的信号分子的聚集，进而引起细胞骨架结构的改变，并且这种细胞骨架的改变将相关信号传递给下游的效应分子，引起细胞黏附和迁移能力的改变[25-26]，进而影响肿瘤细胞的相关特性。

3.3整合素、细胞骨架与黏着斑 黏着斑是一种细胞膜上的成分，由多种蛋白相互作用生成的ECM与细胞骨架之间的物理联系，包含整合素、ECM蛋白、支架蛋白等，细胞膜上整合素的活化启动黏着斑的装配，通过整合素和肌动蛋白结合蛋白连接细胞骨架与ECM，并传导化学信号，介导黏附依赖性的细胞迁移、生存及增殖。Ingber[27]应用磁扭转细胞计将机械力直接加载于细胞表面受体证实，整合素β1可将机械力学信号传递至细胞骨架，诱导黏着斑形成。整合素介导黏附结构的装配是在片状伪足上通过核化3～6个与ECM稳定结合的整合素分子而形成初级黏附[28]。大部分初级黏附形成后很快分解，只有小部分基序聚集整合素，通过招募额外的效应蛋白加强整合素-肌动球蛋白的联系，促使大的黏着斑形成。细胞与ECM黏附在很多生理学功能上有重要作用，如细胞迁移、侵入以及上皮基膜的附着。在众多黏附结构中，黏着斑发挥着最为重要的作用[29]，这些蛋白复合体通过跨膜异二聚体整合素使不同的ECM成分结合到肌动蛋白结合蛋白上[30]。在黏着斑起始下游的信号通路中，细胞骨架产生的细胞收缩力和外载机械应力对ECM的力刺激非常重要[31]。微管在皮层微管稳定复合体(cortical microtubule stabilization complexes,CMSCs)的介导下作用于成熟的黏着斑。CMSCs以点状出现在片状伪足之后临近成熟的黏着斑[32]，并通过直接底物蛋白，即同源样蛋白B作用于属于微管正端蛋白的胞质链接联合蛋白[33]。随后，微管-CMSC复合体与黏着斑的结合依靠微管-肌动蛋白交联因子1(microtubule-actin crosslinking factor 1,MACF1)和肾锚蛋白重复蛋白(kidney ankyrin repeat-containing protein, Kank)。具体机制是MACF1通过黏着斑相关的肌动球蛋白交联微管[34]，Kank通过踝蛋白相关整合素连接CMSC[35-36]，从而促进微管-CMSC复合体与黏着斑的结合。Kank家族蛋白可通过与突触形成相关蛋白(liprin-β1)结合实现与CMSAs的相互作用[37]，并通过与踝蛋白相作用，Kank蛋白招募liprin-β1到成熟的黏着斑上，从而聚集额外的CMSC产物，最终让微管与整合素联系起来[35-36]。需要注意的是在缺乏Kank蛋白时，CMSCs是分散出现的，但仍然相对接近黏着斑。

微管靶向及围绕黏着斑发挥着至少两种作用，一是调控黏着斑分解。微管频繁与CMSC结合能够隔绝和抑制微管释放RhoA和鸟苷酸释放因子[38]，导致局部RhoA活性降低，减弱肌动球蛋白的收缩力，从而达到促进黏着斑分解的目的[3]。另外，微管靶向作用于黏着斑的丝裂原激活蛋白激酶激酶4，使丝裂原激活蛋白激酶激酶4通过磷酸化膜突蛋白，促进踝蛋白从整合素上分离[39]，随后通过激活ADP核糖基化因子6 GTP酶，诱导网格蛋白介导的整合素内化[40]。另一种作用是微管锚定在黏着斑周围，联系微管蛋白与黏着斑，并平行于细胞迁移方向。肌动蛋白-微管与MACF1交联对指导微管和聚合态纤维肌动蛋白朝向黏着斑生长[41]。缺乏MACF1或kank1会导致微管在细胞边缘过度生长，并使细胞极化[42]。

3.4整合素与细胞骨架共同介导信号转导 近年来，ECM-整合素-细胞骨架通路在机械应力刺激细胞内信号转导过程中的作用引起了广泛关注。生物体内的细胞受多种力的作用，如外界机械力、流体静压力、液相剪切力等，这些不同的力可在不同程度上导致细胞变性，从而引起各种细胞反应，包括细胞分化、增殖、形变等。这种细胞水平的力学反应是如何从力学信号转化成下游化学信号的，张竞等[43]的研究认为，机械应力刺激可引起肌动蛋白相关锚定蛋白表达的上调，从而引起成骨细胞肌动蛋白聚合动态学变化。此外，微管结构也参与调节肌丝的动态变化，并通过抑制微管的聚合，增加成骨细胞人骨成型蛋白2的表达。整合素通过与ECM中不同配体蛋白结合，激活下游相关的信号通路，从而产生不同的生物学效应，此过程是多种蛋白分子交互作用形成网络调控，从而发挥综合效应的结果。Cui等[44]的研究证实了剪切力能通过ECM-整合素αⅤβ3-纤维肌动蛋白信号通路完成对内皮祖细胞CD59表达的调节。

除了转导力学信号外，整合素-细胞骨架还可介导细胞的黏附和转移。有报道证实，大蒜素能下调总的及磷酸化的FAK，并使纤维肌动蛋白排列紊乱，从而抑制黑色素瘤细胞的转移[45]。在Cavalheiro等[46]的研究中，使用小干扰RNA敲减蛋白多糖4的表达能够破坏细胞骨架蛋白网，这其中就有整合素的参与。在移行细胞中，由聚合作用或细胞收缩力产生的纤维肌动蛋白，在细胞边缘的“退化流”中形成细胞骨架力能够介导整合素与配体的结合，从而激活整合素[47]。同时，由肌球蛋白磷酸化酶介导的细胞内伸缩力和微管乙酰化作用的平衡可以调节细胞表面整合素α5β1的密度，从而调节纤连蛋白基质的装配，控制细胞迁移及形态的发生[48]。微管网络还可通过调节整合素参与的黏附复合体，调控细胞迁移，具体机制为微管网络结构的分布形式通过提高受RhoA刺激的肌动球蛋白的收缩性增加黏附复合体的大小，并抑制其周转[49]。踝蛋白是细胞质的接头蛋白，对于介导整合素与ECM结合形成细胞黏附非常重要，通过控制整合素的激活状态，将整合素与细胞骨架联系起来，从而招募大量的信号分子介导整合素信号通路，并通过与Kank蛋白相互作用协调微管蛋白流向黏附点[50]。

4 结 语

整合素和细胞骨架在细胞的生命活动中扮演着重要角色，两者互相调节、协调作用，共同完成生命体重要的生物过程，尤其是在一些病理过程中，如肿瘤的转移、侵袭，过度机械力刺激诱导的组织功能障碍，神经退行性疾病等中。整合素-细胞骨架的相互作用在不同生物学功能的实现中发挥着重要的作用，涉及不同性质的信号转导、传递，弄清这些关系有助于更好地了解相关的生命活动，发现更多疾病的发病缘由，更好地预防、治疗疾病，但目前许多具体的作用机制仍尚不明了，有待于进一步研究。