整合素α3β1在相关皮肤病发病机制的研究进展

刘依和 陈志明 杨 勇

中国医学科学院 皮肤病医院(皮肤病研究所)遗传病中心，南京,210042

整合素是细胞黏附分子家族的重要成员之一，是由α、β亚基组成的异源二聚体跨膜受体，广泛表达于不同物种的细胞表面，是稳定细胞间、细胞与细胞外基质(extracellular matrix，ECM)黏附的重要结构之一，同时可以参与细胞内外的双向信号传导[1]，调节细胞增殖、分化、迁移，在创伤修复、肿瘤侵袭和先天免疫过程中发挥着重要作用[2]。哺乳动物中至少存在18种α亚基和8种β亚基，这些亚基是分别由不同的基因所编码的蛋白，α、β亚基之间以非共价键连接，选择性地组成24种不同的异构体[3]。α、β两种亚基都具有单独的疏水跨膜结构域和胞内结构域，其中除整合素β4亚基外，其余整合素的胞内结构域仅由50个或更少的氨基酸组成，整合素α6β4因其特殊的胞内结构域，在表皮基底膜带的半桥粒组装中发挥重要作用[4]。此外，整合素α3β1也是辅助基底层角质形成细胞黏附的重要分子。

整合素α3β1是整合素家族中的重要成员之一，在维持真皮-表皮连接(dermal-epidermal junction，DEJ)中起到关键性作用，还参与了皮肤基底膜形成、创伤修复和肿瘤转移等过程[5-7]。既往针对整合素α3β1的研究主要侧重于其对肿瘤发生、转移和预后评估的作用，近年关于整合素α3β1在皮肤组织中的表达及其对皮肤结构稳定、伤口愈合、肿瘤微环境等多方面作用受到了重视，本文主要综述整合素α3β1的功能及其在相关皮肤病发病机制中的作用。

1 整合素α3β1的结构及生物学功能

整合素α3β1是由α3和β1亚基特异性组成的异构体，两个亚基都具有较大的胞外结构域、单次跨膜结构域和短小的胞内结构域，它们共同参与配体的识别和结合过程，从而保证配体的相对特异性。整合素与配体的识别模式分为四大类，其中三类整合素分子能够通过识别特定的肽段从而结合不同的配体，这些特异性识别位点主要包括精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)、亮氨酸-缬氨酸-天冬氨酸(LVD)和甘氨酸-苯丙氨酸-吡咯赖氨酸-甘氨酸-谷氨酸-精氨酸(GFOGER)。第四类整合素分子，包括整合素α3β1、α6β1、α7β1和α6β4，能够高选择性的识别和结合层粘连蛋白(Laminin，LN)家族，这些整合素的α和β亚基分别结合配体的不同区域，且都不局限于特定序列。当募集到细胞外基质配体后，整合素α3β1的胞内结构域借助机械敏感分子Talin和Kindlin与细胞骨架相连，调节细胞骨架肌动蛋白丝的重组并加强细胞与ECM的黏附。

在表皮中，整合素α3β1主要表达在基底层角质形成细胞中，通过与ECM中的特定配体结合，稳定角质形成细胞与基底膜的黏附结构[8]。表皮基底膜带中包含大量丰富的ECM成分，如Ⅳ型胶原、Ⅶ型胶原、纤维连接蛋白、LN-332、LN-311、LN-321、LN-511和LN-521等，其中LN-332与整合素α6β4相互作用进而参与半桥粒的组装。整合素α3β1的配体主要为LN家族的特定成员，包括LN-332及LN-511等，与配体结合后协同稳定细胞黏附、调节细胞迁移、诱导细胞骨架重组并参与基底膜发育[9，10]。既往认为，整合素α3β1和α6β4在增殖活跃的表皮基底层高表达，而在缺乏相应配体的上层分化细胞中表达量较低，这提示了其可能参与细胞增殖，并在细胞增殖向细胞分化转变的过程中具有一定的调节作用。其内在机制可能是通过下调整合素α3β1和α6β4的表达实现基底层角质形成细胞对基底膜的去黏附，进而抑制细胞骨架相关蛋白合成，激活C-myc诱导细胞分化[11]。但近年来，有研究进一步表明在基底浅层角质形成细胞中，整合素α3β1通过与膜蛋白CD151相互作用，介导不依赖于LN-332的细胞活动。在人体发育的不同阶段，整合素的表达模式也存在差异，整合素α3亚基在婴幼儿皮肤中低表达[12]，而婴幼儿的伤口愈合一般不伴瘢痕形成，这提示整合素α3亚基可能在瘢痕愈合中起一定作用。

整合素α3β1为多种细胞活动提供了关键信号分子，并参与人体多个器官譬如乳腺、肾脏及神经纤维的发育，Itga3基因全身敲除的小鼠会胚胎致死也进一步证实了其在发育阶段的重要作用[13]。在组织创伤后，整合素α3β1通过胞内转运集中分布至细胞基底面，激活下游局部粘着斑激酶(focal adhesion kinase, FAK)、Src等信号通路，为基底膜修复提供关键信号分子[1，14]。与此同时，整合素α3β1通过胞外信号调节激酶(ERK)/丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)、整合素连接激酶(ILK)等通路[15]影响多种细胞因子的表达，包括血管内皮生长因子(VEGF)、基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)、转化生长因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)等，直接或间接地调节细胞外微环境，参与调控皮肤稳态的复杂网络。

2 整合素α3β1参与相关皮肤病的发病机制

2.1 上皮-间充质连接 上皮-间充质的相互作用维持着组织发育和再生过程中的稳态，这一过程有众多受体及其配体参与，进行一系列复杂而有序的调控[16]。整合素受体在不同细胞表面广泛表达，是细胞和细胞微环境相互作用的核心媒介之一。在皮肤中，DEJ是介导表皮与真皮黏附连接的重要结构，帮助皮肤抵御外界剪切力。位于基底细胞基底面的整合素α3β1参与构成皮肤基底膜带，在维持DEJ中发挥着重要作用。与此同时，整合素α3β1还参与维持肾小球基底膜和毛细血管基底膜的稳定。足细胞借助整合素α3β1锚定在肾小球基底膜的LN上，整合素α3β1的表达改变或功能缺损会导致足细胞粘附性下降、脱落，从而影响肾小球滤过屏障。整合素α3β1同时协助毛细血管内皮细胞的黏附，并在血管重塑阶段作为抗血管生成因子血管能抑素(Canstatin)的配体发挥作用。

ITGA3基因编码人类整合素α3亚基，其纯合功能缺失突变引起ITGA3蛋白无功能或者表达缺失，会破坏人体皮肤、肺脏和肾脏的上皮-间充质连接，导致一种罕见的常染色体隐性遗传病，主要表现为皮肤脆性增加，可伴有肺脏和肾脏的损害，称作间质性肺病、肾病综合征和表皮松解症综合征(interstitial lung disease，nephrotic syndrome and epidermolysis bullosa，ILNEB)[17]。ILNEB因多系统受累，研究报道患儿多在数月内死亡[18]，最近也有研究报道了一些ITGA3错义突变可导致非致死性ILNEB,推测这些突变体保留了ITGA3部分功能[19]。ILNEB皮肤表现符合遗传性大疱表皮松解症(epidermolysis bullosa，EB)，最新的EB分类已将ILNEB归为与ITGA3相关的交界型EB[20]。EB临床表现相似，基因检测能够明确诊断，并有助于疾病分型和预后评估。进一步功能研究发现ITGA3基因功能丧失后，不仅表现为DEJ结构异常，还会进一步影响细胞内、外的蛋白组成。蛋白组学分析显示ILNEB患者的角质形成细胞分泌蛋白中约30%的表达量有所改变，自主产生富含纤维蛋白的微环境[16，21]。同时皮肤组织整合素αv的表达明显上调[21]，这可能会引起TGF-β1的空间限制性激活，进而激活成纤维细胞合成ECM蛋白。但尚未明确这种细胞外环境的改变是代偿性上调，还是由整合素α3β1的下游信号通路所介导的。ILNEB患者皮肤组织中LN-332和LN-511各亚单位的表达均有所上调[21]，但沉积到ECM中的成熟结构并未随之增加[16]，这反映了角质形成细胞中整合素α3在将层粘连蛋白组装到ECM中起关键性作用。由此可见，整合素α3β1功能缺失介导的DEJ受损伴随着基底膜结构破坏、重要粘附蛋白失调、细胞微环境改变等病理过程。

2.2 伤口愈合 伤口愈合是一个多组织共同参与、高度协调的复杂过程，以实现创口闭合、损伤组织修复、皮肤屏障恢复[22]。主要划分为炎症期、增生期和修复期，不同时期并非完全独立，彼此会有交叉重叠[5]。在不同时期中，ECM的组成及其结构会随之连续变化，从而为参与不同时期的损伤修复细胞提供信号传导和结构支撑，保证伤口愈合有序而连贯的进行[23]。ECM的物理和化学性质的改变，会引起病理性愈合，如慢性伤口和瘢痕增生等[23，24]。皮肤完整性破坏时，炎症细胞释放炎症因子，促进角质形成细胞、成纤维细胞、血管内皮细胞分泌合成ECM，不同的整合素与ECM 相互作用，促进伤口收缩、新生毛细血管和肉芽组织的形成，伤口床周围的角质形成细胞在不断变化的ECM上迁移、增殖、分化，实现表皮结构的正常修复。同时，整合素与ECM相互作用可以促进基底膜的成熟，成熟基底膜的形成对于恢复新生表皮的屏障功能和真皮组织的支撑作用至关重要。

在伤口愈合的过程中，整合素α3β1介导细胞初始黏附，改变伤口床微环境，促进细胞增殖、迁移，在创伤后皮肤结构再生和功能恢复中都起到关键性作用[25]。整合素α3β1与ECM相互作用下调TGF-β1抑制剂Smad7的表达，激活下游MMP-9等分子[26]并增加其mRNA稳定性[27]，MMP-9在促进细胞外基质重塑和血管生成的过程中具有重要作用[28]。整合素α3β1下游分子以旁分泌作用于临近细胞，促进角质形成细胞的迁移、新生血管生成，加速再上皮化形成新的表皮结构[29]。当伤口深及真皮层时，整合素α3β1促进角质形成细胞分泌IL-1，诱导成纤维细胞向肌成纤维细胞转变，促进伤口收缩[30]。此外，还有其它整合素分子参与伤口愈合的过程，不同整合素分子时空特异性地协同和/或制约，形成一张复杂的调控网络。整合素α9β1可以阻断整合素α3β1下游FAK的磷酸化，从而抑制下游细胞因子的释放，减弱其旁分泌的生物学功能。在伤口愈合修复期，整合素α9β1表达竞争性上调，防止在整合素α3β1的持续诱导下出现异常血管增生[31]。整合素的相互牵制也体现在基底膜的构建中，LN-332γ2链的水解是基底膜成熟的标志，整合素α3β1激活mTLD/BMP-1信号通路可以促进LN-332γ2链的水解，成熟的基底膜可以进一步诱导基底层角质形成细胞的有序分裂，而整合素α9β1会抑制这一过程[32]。但在不同整合素分子之间起调节作用的关键信号分子及其机制仍不明确，未来进一步阐明这些问题可为靶向整合素来促进伤口愈合的药物开发提供理论支撑。

2.3 皮肤肿瘤 皮肤基底细胞癌和鳞状细胞癌是最常见的皮肤肿瘤，阐明其发生的分子机制是精准预防和治疗的前提。整合素α3β1在皮肤肿瘤组织的角质形成细胞中高表达[27]，在DMBA/TPA诱导的皮肤肿瘤模型研究中明确了其在皮肤肿瘤的发生中起关键性作用。表皮Itga3基因敲除小鼠诱导的皮肤肿瘤数量和体积都明显减少，肿瘤组织周围的纤维蛋白-2和巨噬细胞集落刺激因子1(CSF1)也明显下调[6]。此外，毛囊干细胞通过整合素α3β1调节结缔组织生长因子2(CCN2)的分泌，促进肿瘤细胞的集落形成和3D生长，从而诱导皮肤肿瘤的发生[29]。这表明整合素α3β1可以通过影响皮肤肿瘤微环境，调节肿瘤细胞的增殖和凋亡，有望成为肿瘤治疗的潜在靶点。既往认为整合素α3β1只会影响肿瘤细胞依赖于LN-332的细胞黏附和运动能力，但最近有研究发现当整合素α3β1与CD151形成复合物后，可以在肿瘤组织的中央区域激活角质形成细胞的Akt/STAT3信号通路，促进肿瘤的早期生长，这是皮肤肿瘤发生早期的重要机制[7]，同时也提示了整合素α3β1的功能不仅局限于基底层角质形成细胞。但是另有研究表明表皮Itga3敲除小鼠中鳞状细胞癌进展为未分化浸润性癌的概率有所增加[33]，这似乎存在矛盾的地方。未来研究中需要进一步阐明整合素α3β1在不同时期的具体功能。虽然整合素α3β1在黑素细胞中表达量很少，但既往体外试验证实黑素细胞细胞膜表达α3亚单位，并且其能够增强细胞迁移[34]。近期研究也在黑素瘤的体外3D模型中进一步证实了整合素α3β1对肿瘤细胞的聚集有核心调控作用[35]，这为皮肤黑素瘤的辅助治疗提供了新的思路。上述的研究提示了整合素α3β1在肿瘤形成中扮演重要角色，但仍需进一步研究以阐明在肿瘤进展过程中，整合素α3β1是如何被激活并促进肿瘤侵袭，针对其机制的研究有助于在整合素效应分子水平寻找治疗靶点。

3 总结

整合素α3β1与ECM相互作用，通过激活不同的信号通路调节细胞微环境，介导细胞增殖、分化、黏附和迁移等，参与基底膜的形成、维持真皮-表皮连接、促进伤口愈合和皮肤肿瘤发生。不同整合素分子与不同ECM相互作用，构成一个复杂的时空调控网络，在维持皮肤结构和功能稳态中发挥重要作用。然而，仍有一些问题亟待解决：不同整合素分子的功能差异以及其相互之间的调控机制还需进一步研究；伤口愈合过程中基底浅层角质形成细胞中整合素α3β1的表达情况及其功能有待进一步阐明；整合素α3β1介导的 ECM动态重塑是皮肤损伤修复的核心，这一动态改变如何参与损伤修复过程中的血管重塑？整合素α3β1在皮肤肿瘤的形成中是如何被激活并促进肿瘤侵袭？对这些问题的研究，有助于进一步明确整合素α3β1的功能及其在相关皮肤病发病机制中的作用，进而为伤口愈合、瘢痕控制、皮肤肿瘤的辅助治疗等临床相关问题提供新的思路。