张力蛋白的结构与功能及疾病相关性研究进展

宋丽琴 张宇 吴小恋 赵魁 周海红

广东医科大学附属医院神经内科，广东湛江 524000

张力蛋白最早于20 世纪80 年代被发现，当时研究人员在寻找可将肌动蛋白丝锚定到黏着斑并维持肌动蛋白细胞骨架和质膜之间张力的“蛋白质X”，发现与鸡砂囊平滑肌中黏着斑蛋白（vinculin）共纯化的物质在体外具有肌动蛋白结合活性，因其能维持肌动蛋白丝的张力，故被命名为“张力蛋白”。迄今为止，在哺乳动物中，已发现张力蛋白家族有4个成员，最初被发现的张力蛋白被命名为tensin–1（TNS1），另外3 个成员为tensin–2（TNS2）、tensin–3（TNS3）和tensin–4（TNS4），是在寻找与TNS1 具有广泛序列同源性的新张力蛋白家族成员时被发现的。这4 个成员在结构上有一个共同特征，即在蛋白的C 末端均包含SH2 功能域（Src homology 2，SH2）及磷酸酪氨酸结合域（phosphotyrosine–binding，PTB）。张力蛋白作为连接细胞内肌动蛋白细胞骨架与细胞外基质的桥梁，介导细胞内外信号的传导，并调节细胞的黏附、迁移、增殖、分化等生物学过程。越来越多的证据表明，张力蛋白与人类许多疾病密切相关，但其发病机制尚不明确。因此，本文总结张力蛋白的结构、周围相关结构、生物学功能、疾病相关性的研究进展，以期更好地研究张力蛋白在疾病发生发展中所起的作用。

1 张力蛋白的结构特征

张力蛋白为一类含有多结构域的大分子蛋白质，能结合多种信号分子。其中，TNS4 分子量最小，为80kDa，其余3 个成员的分子量在170kDa～220kDa之间。张力蛋白家族在C 端及N 端的进化上高度保守，但各成员的中央区域没有序列同源性。所有成员在C 端均具有同源的SH2–PTB 串联结构及黏着斑结合位点（FAB–C）；除了TNS4 因缺乏N 端区域而不具备肌动蛋白结合域（actin–binding domain，ABD），其他3 个成员的N 端均具有ABD Ⅰ和另一个黏着斑结合位点（FAB–N），从而拥有肌动蛋白结合活性，而位于TNS1中央区域的ABD Ⅱ则为TNS1所特有的结构；另外，C1 结构域仅存在于TNS2 的N端。

C 端的SH2 能识别并结合酪氨酸磷酸化蛋白，从而介导相关信号级联反应。紧随SH2 的PTB结构域则与整合素β1、β3、β5 和β7 细胞质尾部的NPXY 基序相结合。N 端的ABD 与肌动蛋白丝结合并调节肌动蛋白的聚合速率。N 端的黏着斑结合位点FAB–N 与ABD Ⅰ重叠，而C 端的黏着斑结合位点FAB–C 则与SH2–PTB 结构域重叠。C1 结构域的功能目前尚不清楚。这些结构域使张力蛋白能将肌动蛋白细胞骨架锚定到整合素受体，并转导各种信号，维持细胞的正常结构与功能。

2 张力蛋白的周围相关结构

张力蛋白定位于黏着斑，黏着斑是连接细胞内肌动蛋白细胞骨架与细胞外基质的跨膜复合体，由多种蛋白质组成，其中涉及α–肌动蛋白、整合素、踝蛋白、Kindlin 蛋白、黏着斑蛋白、张力蛋白等蛋白质，黏着斑通过与胞外基质的机械耦合传导各种细胞内外信号，并调节细胞的迁移、增殖、分化等生物学过程。黏着斑不会主动产生力，而是充当肌动蛋白产生的应力的传递媒介。

肌动蛋白在各种细胞中广泛表达，是细胞内最丰富和最重要的蛋白质之一。肌动蛋白是细胞产生力的来源，肌动蛋白丝聚合可产生前伸力，而肌动蛋白丝沿着肌球蛋白Ⅱ的双极丝滑动产生收缩力，这两种力对改变细胞形态、连接胞外基质使细胞彼此之间形成黏附并迁移、增殖及分化非常重要。受多种机制的严格调控，通过聚合/解聚循环，肌动蛋白单体和多聚体之间处于动态平衡，以实现不同的肌动蛋白分布和高度多样化的全身功能。

整合素几乎在脊椎动物所有细胞类型中表达，它是由非共价结合的α 亚基和β 亚基组成的异二聚体，每个亚基都是Ⅰ型跨膜蛋白（主要介导细胞–基质黏附），具有较大的多结构域胞外部分、一个跨膜区域和较短的胞质尾部，胞质尾部为整合素与胞内蛋白质相互作用的核心区域。人类表达18 个α 亚基和8 个β 亚基，它们组合形成24 种不同的整合素异二聚体，具有不同的配体结合特异性和信号传导特异性，因此，整合素能与多种细胞外配体结合。通过胞外结构域与细胞外配体的结合及细胞质尾部与细胞内信号蛋白、细胞骨架蛋白的结合，整合素在质膜上双向转换生物化学信号和机械力。

踝蛋白是整合素最重要的细胞质结合伙伴，通过其FERM 结构域中F3 模块的磷酸酪氨酸结合基序与整合素胞质尾部的NPXY 基序结合以启动整合素的激活，是整合素的关键激活剂。踝蛋白还可直接与肌动蛋白、黏着斑蛋白结合。

Kindlin 蛋白对整合素的激活和信号传导也是必不可少的。Kindlin 蛋白是包含FERM 结构域的蛋白质，与踝蛋白不同的是，Kindlin 与整合素胞质尾部的NXXY 基序结合，踝蛋白和Kindlin 蛋白共同触发整合素胞外结构域的构象变化，将其转换为高亲和力配体结合状态。

黏着斑蛋白具有结合肌动蛋白、踝蛋白、桩蛋白等蛋白的多个位点，也是调节黏着斑力传递的重要环节。

α–肌动蛋白可与肌动蛋白结合，还与许多信号分子、跨膜受体的胞质结构域、离子通道结合，使其在细胞骨架和肌肉收缩中发挥重要的调节作用。

研究表明，张力蛋白也可激活整合素，并通过代谢传感器腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate–activated protein kinase，AMPK）负调控张力蛋白的表达来抑制整合素的活性。

3 张力蛋白的生物学功能

张力蛋白作为黏着斑的一部分，与α–肌动蛋白、踝蛋白、Kindlin 蛋白、黏着斑蛋白、整合素等多种蛋白质一起将细胞内肌动蛋白细胞骨架与细胞外基质连接起来，从而介导细胞内外信号的传导，与细胞的黏附、迁移、侵袭、增殖、分化、机械传导密切相关。

3.1 调节细胞黏附

细胞通过黏附整合到组织中，并进行双向信号转导，调节细胞的迁移、增殖等生物学过程。根据不同的成熟阶段，细胞黏附的亚型可分为新生粘连、局灶性复合体、局灶性粘连（即黏着斑）、纤维状粘连，TNS2 主要位于黏着斑，而TNS3 主要存在于纤维状粘连，TNS1 存在于两者中。张力蛋白调节细胞黏附的形成。据报道，Hic–5（一种黏着斑支架蛋白）通过与TNS1 相互作用可促进纤维状粘连的形成与成熟。另有研究发现，代谢传感器AMPK 可负调控TNS1 和TNS3 的表达，当AMPK 缺失时，TNS1和TNS3 的表达上调，且整合素活性增强，同时促进纤维状粘连的形成。

3.2 调节细胞迁移与侵袭

张力蛋白可调节细胞的迁移。有研究者通过Boyden 室细胞迁移分析实验发现，过表达TNS1 或TNS2 后，细胞迁移速度明显加快。进一步研究发现，SH2 对TNS1 介导的细胞迁移至关重要，TNS1的SH2 的酪氨酸磷酸化蛋白结合活性可促进细胞迁移。然而，TNS3 却是细胞迁移的负调节剂。据报道，TNS3 在HEK293 细胞中过表达可显著抑制细胞迁移和侵袭，相反，人类癌细胞中内源性TNS3的siRNA 敲低可显著促进它们的迁移。由于TNS4缺乏N 端肌动蛋白结合域，且竞争性地干扰能结合整合素的肌动蛋白结合蛋白，这种相互作用显著抑制整合素与肌动蛋白的耦联，从而削弱细胞黏附并增强细胞迁移活性。在肿瘤侵袭过程中，上皮细胞失去细胞与细胞的黏附并转变为间充质表型，称为上皮–间充质转化，被认为在促进细胞迁移和侵袭方面起着重要作用。有报道称，TNS4 可通过正向调节Src（一种非受体型细胞质酪氨酸蛋白激酶）的表达以促进结直肠癌的上皮–间充质转化和可能的结直肠癌转移。

3.3 调节细胞增殖与分化

张力蛋白参与调节细胞的增殖与分化。有研究表明，哌唑嗪可下调急性髓性白血病细胞系U937 细胞中TNS1 的表达，同时抑制U937 细胞活力，并诱导细胞周期停滞和细胞凋亡，但上调TNS1 可逆转哌唑嗪对U937 细胞活力的抑制及促凋亡作用。TNS3可通过促进活性整合素的表达以促进扁桃体间充质干细胞的增殖与分化。TNS4 是目前已知的唯一能易位到细胞核的成员。据报道，以HeLa 细胞（宫颈癌细胞）为实验对象，尽管过表达TNS4 没有促细胞增殖作用，但沉默TNS4 将显著抑制细胞增殖。

3.4 张力蛋白的机械传导作用

黏着斑的实质是一条蛋白质–蛋白质相互作用链，在动态改变蛋白质的构象过程中产生力的传递。张力蛋白（TNS1、TNS2、TNS3）通过其肌动蛋白结合域将肌动蛋白细胞骨架与胞外基质相连接，实现机械信号的传导，并将机械刺激转化为生物化学反应，从而调节细胞的黏附、迁移、增殖等生物学过程。

4 张力蛋白的疾病相关性

研究发现，TNS1 为非综合征性二尖瓣脱垂的高度易感基因之一，并在斑马鱼和小鼠TNS1 基因敲除模型中得以验证。另一项英国的全基因组关联研究则表明TNS1 编码区的非同义单核苷酸多态性与慢性阻塞性肺疾病的发病风险相关，并发现慢性阻塞性肺疾病患者气道中TNS1 的表达增加。还有研究发现，小鼠TNS1 基因敲除会导致囊性肾脏疾病的发生，最终小鼠因肾衰竭而死亡。此外，在不同的肿瘤病变中，TNS1 表现出差异性表达，如TNS1在结直肠癌、非小细胞肺癌中表达上调，在膀胱癌中表达下调。

据报道，FVB/N 品系的TNS2 缺陷小鼠会出现严重的肾病综合征，超微结构分析提示肾小球基底膜增厚、系膜区域扩大、足细胞足突在出生后不久即消失等情况。另有报道称，沉默TNS2 可上调蛋白激酶B、丝裂原活化蛋白和胰岛素受体底物1等蛋白质的活性，并增加A549 细胞和HeLa 细胞的致瘤性。此外，研究者通过分析公共数据库中TNS2与癌症相关性的数据发现，TNS2 表达水平在头颈部恶性肿瘤、食管癌、乳腺癌、肺癌、肝癌和结肠癌中均下调。

还有研究表明，食管鳞状细胞癌中高度过表达TNS3，且TNS3 与患者肿瘤恶性程度及预后不良呈正相关，而沉默TNS3 可显著抑制体外和体内食管鳞状细胞癌细胞的增殖，表明TNS3 在食管鳞癌中有促癌作用，为潜在治疗靶点。另外，胃癌、食管癌组织中TNS4 基因表达水平明显高于邻近正常组织，并与患者的不良预后相关。

以上数据表明，张力蛋白与人类许多疾病的发生、发展密切相关，尤其与肺部疾病、肾脏疾病及癌症的相关性较高。

5 结语

经过30 余年的研究，人们对张力蛋白家族的结构、功能及疾病相关性都有了更深入的认识。张力蛋白是一类多结构域的大分子蛋白，能与多种蛋白质相互作用，在肌动蛋白–肌动蛋白结合蛋白–整合素–细胞外基质通路中，不仅有机械传导作用，还能将机械刺激转化为生物化学信号，从而调节细胞的黏附、迁移、侵袭、增殖、分化等生物学过程，并与人类多种疾病的发生、发展密切相关。但张力蛋白在疾病中所扮演的角色同其结构特征一样充满着复杂性，张力蛋白与其他信号分子的相互作用及致病机制仍待进一步探索。此外，张力蛋白能否作为相关癌症的诊断、预后生物标志物及治疗靶点，也需要更多的研究加以验证。