钙黏蛋白在胰岛功能维持和糖尿病视网膜病变发生中的研究进展▲

何腾飞 闫婉玉 张小用 刘凯歌

(西安医学院第一附属医院消化内科，陕西省西安市 710004，电子邮箱：htf927927@163.com)

【提要】 钙黏蛋白作为介导细胞间黏附连接的钙依赖性黏附分子，与肿瘤的分化、细胞黏附、凋亡、血管生成、侵袭和转移等方面密切相关。近年来研究发现，钙黏蛋白与糖尿病患者的胰岛功能维持及糖尿病视网膜病变的发生有密不可分的关系，可能是糖尿病微血管病变的预警因子。本文对钙黏蛋白的分子结构、生物学功能及其与胰岛功能维持、糖尿病视网膜病变之间的关系的研究进展进行综述。

2型糖尿病是一种慢性、非传染性、累及多个系统的疾病，长期高血糖可导致微血管系统功能受损，最终诱发糖尿病肾病、糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy,DR)和糖尿病神经病变等并发症，影响患者的生活质量和总体预期寿命。DR的发病机制目前尚未完全清楚，普遍认为由高血糖、血流动力学障碍、蛋白质的非酶促糖基化、凝血机制异常、氧自由基形成异常及多种血管增殖因子异常表达等多种因素协同作用所致[1]。DR是糖尿病最常见的微血管并发症之一，也是成人致盲的主要眼病，其早期病理特征是视网膜微血管周细胞凋亡、血管渗透性增加、进行性血管闭塞。DR的发病率较高，我国约33%的糖尿病患者并发DR，其中约8%的DR患者最终丧失视力[2]。近年来，越来越多的研究表明，钙黏蛋白与糖尿病患者的胰岛功能维持及DR的发生有密不可分的关系，特别是N-钙黏蛋白、E-钙黏蛋白、VE-钙黏蛋白可能是DR患者微血管病变的预警因子。故本文就钙黏蛋白的特点，以及其在胰岛功能维持和视网膜病变发生中的作用进行综述。

1 钙黏蛋白的概述

1.1 钙黏蛋白的分类 钙黏蛋白是一组介导同型细胞之间黏附连接的钙依赖性Ⅰ型跨膜糖蛋白，是由114个钙依赖性黏附蛋白组成的超家族，是细胞黏附分子之一[3]，参与形成及维持正常细胞间的连接和极性，对细胞分化、发育及肿瘤细胞侵袭、转移具有重要作用。钙黏蛋白根据结构可分为经典型钙黏蛋白、桥粒、原始钙黏蛋白、非经典型钙黏蛋白，在大多数高等生物中，经典型钙黏蛋白是钙黏蛋白家族的一个主要亚类，可进一步细分为Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型经典型钙黏蛋白。Ⅰ型经典型钙黏蛋白有5个主要成员，包括上皮细胞钙黏蛋白1(E-钙黏蛋白)、神经元细胞钙黏蛋白2(N-钙黏蛋白)、胎盘钙黏蛋白3(P-钙黏蛋白)、视网膜钙黏蛋白4(R-钙黏蛋白)和钙黏蛋白15(M-钙黏蛋白)；Ⅱ型经典型钙黏蛋白由血管内皮细胞钙黏蛋白5(VE -钙黏蛋白)和肾钙黏蛋白6(K-钙黏蛋白)等蛋白质组成；Ⅲ型经典型钙黏蛋白的胞外结构域具有一个保守的重复区域，称为原始经典钙黏蛋白结构域，位于钙黏蛋白重复序列和跨膜螺旋之间；Ⅳ型经典型钙黏蛋白有7个胞外结构域[4]。

1.2 钙黏蛋白的结构 钙黏蛋白含有5个钙黏蛋白结构域，自N端开始分别被称为EC1、EC2、EC3、EC4和EC5。钙黏蛋白由胞外区、跨膜区和胞内区组成，其中胞内区由一个折叠区域组成，它直接与p120连环蛋白和β-连环蛋白相互作用，间接与α-连环蛋白相互作用，调节细胞间的黏附，参与各种细胞生理过程的信号通路[4]。p120连环蛋白、β-连环蛋白与钙黏蛋白形成复合物，参与调节胰岛素囊泡转运[4]。

1.3 钙黏蛋白的生物学功能

1.3.1 N-钙黏蛋白及E-钙黏蛋白的生物学功能：20世纪80年代初，几个研究小组于鸡胚神经管中发现了一种相对分子质量为135 000的细胞表面蛋白，即N-钙黏蛋白，是钙黏蛋白家族中最早发现的成员。既往研究显示，N-钙黏蛋白与E-钙黏蛋白在多种人类恶性肿瘤中异常表达，与肿瘤的分化、细胞黏附、凋亡、血管生成、侵袭和转移等方面密切相关[5]，通常在神经元、内皮细胞、心肌细胞、周细胞、上皮细胞(胰腺细胞)等多种细胞中表达。N-钙黏蛋白最初发现于中枢神经系统，可以促进神经元生长、调节轴突和树突生长，诱导轴突的生长锥沿着先驱纤维生长[6]。N-钙黏蛋白和E-钙黏蛋白除了具有黏附功能，还参与多种信号通路的转导，最为经典的是与β-连环蛋白结合后参与经典Wnt信号通路的转导[7]。此外，N-钙黏蛋白和E-钙黏蛋白还可以增加细胞间的黏附性，从而抑制细胞侵袭和转移[8]。在心肌细胞中，N-钙黏蛋白的表达异常与缝隙连接蛋白的表达降低有关，易诱发心律失常[9]。在胰腺细胞中，N-钙黏蛋白和E-钙黏蛋白对于胰岛的形成和胰岛素的分泌均具有重要意义[10]。N-钙黏蛋白还可以在内皮细胞及周细胞中表达，促进内皮细胞与周细胞的相互作用，在微血管的成熟和稳定中起到至关重要的作用[11]。

1.3.2 VE-钙黏蛋白的生物学功能：VE-钙黏蛋白是内皮细胞的特异性钙黏蛋白，由Suzuki等[12]最先在脑组织中发现，其是定位于血管内皮细胞上的一个跨膜蛋白，相对分子质量约为140 000，由784个氨基酸组成，在维持血管内皮细胞的生理功能、完整性及血管形成等方面均发挥重要作用。目前认为，VE-钙黏蛋白/联蛋白复合体酪氨酸磷酸化及去磷酸化是调节VE-钙黏蛋白功能的主要方式。多种物质均可诱导VE-钙黏蛋白发生酪氨酸磷酸化，导致血管通透性增加。VE-钙黏蛋白还与动脉粥样硬化、高血压、糖尿病、肿瘤、自身免疫性疾病等的发生和发展密切相关[13]。

2 钙黏蛋白与胰岛功能维持的关系

胰岛是胰腺内的异质细胞群，主要由分泌胰岛素的β细胞、分泌胰高血糖素的α细胞和分泌生长抑素的δ细胞组成，这些细胞排列成紧密的三维群集，它们同步工作以维持正常的血糖水平。有学者发现，从胰岛中分离出的单个β细胞所分泌的胰岛素比完整胰岛内的β细胞所分泌的胰岛素更少，表明钙黏蛋白在胰岛细胞间的接触和胰岛分泌胰岛素中具有重要作用[14]。

在健康人群中，血糖升高会被胰腺β细胞释放的胰岛素迅速抵消，并促进周围组织对葡萄糖的吸收和储存。2型糖尿病发生机制之一是β细胞功能的缓慢丧失[15]。研究发现，2型糖尿病患者的胰岛β细胞功能指数较正常人明显降低，提示2型糖尿病患者的胰岛功能较差[16]。研究表明，在胰岛β细胞之间存在钙黏蛋白介导的黏附连接，这已被证实与调节胰岛素分泌有关[17]。钙黏蛋白除了可通过黏附作用维持胰岛结构，对促进胰岛细胞的存活、增殖和分泌功能也同样重要。

已有研究报告，经典型钙黏蛋白家族的一些成员，如E-钙黏蛋白和N-钙黏蛋白在人类胰岛中表达，N-钙黏蛋白在β细胞中优先表达，而E-钙黏蛋白在α细胞和β细胞中的表达水平相近[14]。E-钙黏蛋白对于胰岛的正常空间结构和β细胞的聚集形成假性胰岛是必需的[18]。假性胰岛类似于天然胰岛的细胞团，较分散的细胞具有更好的胰岛素分泌功能，并可影响胰岛其他功能，胰岛细胞中E-钙黏蛋白和N-钙黏蛋白的减少会促进β细胞的凋亡[10]。有学者将胰岛β细胞与E-钙黏蛋白、N-钙黏蛋白融合，证实了这两种蛋白参与促进人胰岛β细胞的胰岛素分泌[14]。Falcão等[19]给予小鼠高脂肪饮食构建糖尿病模型，发现小鼠胰岛β细胞数量增加，葡萄糖刺激的胰岛素分泌水平降低，胰岛细胞间连接处的 E-钙黏蛋白、N-钙黏蛋白水平也显著降低，同时观察到糖尿病小鼠胰岛中VE-钙黏蛋白水平显著增加。以上研究结果说明钙黏蛋白在胰岛的细胞结构维持、细胞间黏附和胰岛素分泌方面均具有重要的调控作用。

3 钙黏蛋白与DR的关系

DR是糖尿病微血管病变中严重的并发症之一，其发生与血管相关细胞的凋亡有关，包括Müller细胞、周细胞和内皮细胞。这些细胞的丢失与氧化应激和炎症反应有关，可导致血-视网膜屏障破坏，从而引起视网膜水肿、视网膜新生血管、视网膜功能障碍及失明。研究表明，在DR患者中，周细胞是最早被影响的血管细胞，周细胞的凋亡可引发内皮细胞的改变，存在于内皮细胞之间的钙黏蛋白主要是VE-钙黏蛋白和N-钙黏蛋白，这些蛋白在维持血-脑屏障和内皮细胞成熟中发挥重要作用[20]。这说明N-钙黏蛋白、VE-钙黏蛋白在糖尿病微血管病变中可能发挥预警的作用，有可能成为筛查及治疗糖尿病微血管病变的靶向目标。

3.1 VE-钙黏蛋白与DR的关系 周细胞与内皮细胞的黏附由VE-钙黏蛋白完成，且VE-钙黏蛋白主要控制视网膜血管通透性。Deng等[21]研究发现，DR患者血清VE-钙黏蛋白水平明显高于健康人群，给予雷珠单抗治疗后患者血清VE-钙黏蛋白水平明显降低，说明VE-钙黏蛋白参与DR的发生。Yoon等[22]在小鼠中使用化学抑制剂调节内皮Notch信号，敲除小鼠内皮特异性Jagged1基因，发现 VE-钙黏蛋白和N-钙黏蛋白的表达水平降低。研究表明，N-钙黏蛋白调控VE-钙黏蛋白上游的血管生成相关因子，敲除N-钙黏蛋白基因后，VE-钙黏蛋白表达水平显著降低，反之则没有影响，表明VE-钙黏蛋白表达水平下调可能与转录后调控有关[23]。总之，DR发生后，机体内VE-钙黏蛋白和N-钙黏蛋白水平会明显升高。VE-钙黏蛋白和N-钙黏蛋白是保护血管内皮细胞完整性的重要钙黏蛋白，在一定程度上两者均可间接反映微血管内皮细胞功能损伤和血管通透性增加的程度。Abu El-Asrar等[24]研究发现，增殖性DR患者的玻璃体液中VE-钙黏蛋白水平显著高于非糖尿病患者。血管内皮生长因子是一种血管生成因子，随着糖尿病的进展，其在视网膜中表达上调。血管内皮生长因子通过血管内皮生长因子/血管内皮生长因子受体2/Src/VE-钙黏蛋白信号通路，介导VE-钙黏蛋白的磷酸化，导致血-视网膜屏障的破坏[25]。动物及细胞实验均已证实了N-钙黏蛋白和VE-钙黏蛋白与DR的发生有关，并呈现时间依赖性[26]。

3.2 N-钙黏蛋白和 E-钙黏蛋白与DR的关系 上皮-间充质转化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)的重要特征是N-钙黏蛋白上调及E-钙黏蛋白下调，这已在纤维化疾病、肺动脉高压和肿瘤疾病中得到证实[27]。研究显示，EMT在DR的发展中起着重要作用，而钙黏蛋白在上皮细胞(如晶状体上皮细胞、视网膜色素上皮细胞、Müller细胞)的EMT中起着关键作用[28]。研究表明，在增殖性玻璃体视网膜病变、DR和老年性黄斑变性患者的玻璃体中，细胞因子(如转化生长因子β)升高，可诱导视网膜色素上皮细胞N-钙黏蛋白高表达、E-钙黏蛋白低表达，并促使EMT发生[28]。Zhou等[29]研究表明，高葡萄糖条件可以增加Müller细胞中N-钙黏蛋白、E-钙黏蛋白的表达。以上研究表明，N-钙黏蛋白、E-钙黏蛋白可能通过介导EMT，参与DR的发生和发展。

4 展 望

钙黏蛋白是一组介导同型细胞之间黏附连接的黏附蛋白，与肿瘤的血管生成、侵袭和转移等方面密切相关。在糖尿病患者中，长期的高血糖状态会逐渐使钙黏蛋白在细胞间的黏附作用降低，除了不能维持胰岛结构，还会促进胰岛细胞的凋亡、减少和胰岛素分泌障碍。DR是糖尿病常见且严重的微血管病变并发症之一，钙黏蛋白与DR的发生密切相关，并与视网膜病变的严重程度相关。钙黏蛋白参与胰岛细胞的功能维持、胰岛素分泌、糖尿病微血管内皮损伤等，这可为糖尿病及糖尿病并发症的治疗提供新思路。VE-钙黏蛋白作为评估血管内皮功能的可靠生物标记物,在糖尿病慢性微血管并发症中起重要作用，其已应用于糖尿病的临床筛查和治疗[30]。但目前大部分有关E-钙黏蛋白和N-钙黏蛋白在内皮细胞、胰岛功能中的作用研究，局限于细胞实验及动物实验，在临床上筛查及治疗2型糖尿病的效果还需要进一步明确。总之，钙黏蛋白或可成为糖尿病慢性微血管并发症的预警指标，用于筛查、预防糖尿病及糖尿病微血管并发症，将体内钙黏蛋白水平调节至正常水平或可成为治疗糖尿病及DR的新方法。