基底膜成分和结构对上皮细胞极化的作用及其机制研究进展

白雪颖，王晓玲，强金彪，范心怡，史 册

（1. 吉林大学口腔医院口腔病理科， 吉林 长春 130021；2. 吉林大学口腔医院 吉林省牙发育及颌骨重塑与再生重点实验室， 吉林 长春 130021）

细胞的极性被定义为细胞的结构或功能沿轴向的不对称性，包括平面细胞极性、顶端-基底极性、前后极性和极性分裂中的细胞极性。在上皮细胞中，存在平面细胞极性、顶端-基底极性和极性分裂中的细胞极性。上皮细胞极性的建立和维持对上皮的完整性和功能至关重要，上皮细胞极化的异常会影响发育并导致严重的疾病，如多囊肾病和克罗恩病等。上皮细胞极性丧失，也是多种疾病的开端和重要环节，如肺纤维化和恶性肿瘤转移等。上皮细胞形成顶端-基底极性后，其细胞膜被划分为3 个不同的区域：顶端、侧面和基底。顶端区域朝向有腔器官的腔面并实现物质交换，侧面区域通过特殊的细胞间连接结构与相邻细胞连接，基底区域附着于基底膜或细胞外基质上。研究［1］表明：在胚胎发育的早期，基底膜形成后，与其接触的上皮细胞发生极化形成外胚层，而未与其接触的细胞则发生凋亡形成空腔。阻断基底膜的形成，则不会有极化上皮细胞的形成。因此，基底膜在上皮细胞极化过程中必不可少。细胞极化在组织胚胎发育、肿瘤细胞迁移和炎症的发生发展等生物学过程中起重要作用，已成为近年来研究的热点，基底膜的成分和结构对上皮细胞极化至关重要，目前国内外尚未见基底膜对上皮细胞极化作用机制的相关综述报道。现就基底膜成分及其结构对上皮细胞极化的作用和机制进行综述，旨在明确基底膜在上皮细胞极化中的作用，为进一步预防和治疗由上皮细胞极化异常所导致的相关疾病提供依据。

1 基底膜的组成和结构

基底膜是多细胞生物体内重要的细胞外基质（extracellular matrix，ECM）结构，位于上皮和间充质之间，由上皮细胞和间充质细胞共同产生［2］。基底膜的主要成分包括层黏连蛋白（Laminin）（基底膜中含量最丰富的非胶原蛋白，约占30%）、Ⅳ型胶原（collage type-Ⅳ，Col-Ⅳ）（约占50%）、巢蛋白（nidogen，NDG）（约占基底膜总蛋白的2%～3%） 和硫酸乙酰肝素蛋白聚糖（heparin sulfate proteoglycan， HSPG） ［ 串 珠 蛋 白（perlecan，Pcan）、聚集蛋白和ⅩⅧ型胶原］，还含有少量ⅩⅤ型胶原、成纤维细胞生长因子2（fibroblast growth factor-2，FGF2）、转化生长因子β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）、血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF） 和组织基质金属蛋白酶抑制剂3（tissue inhibitors of metalloproteinase 3，TIMP3） 等［3-5］。基底膜中的成分非常复杂，不同组织中的基底膜具有不同的分子组成，反映其独特的生物学功能。基底膜的生物学功能主要有促进细胞的黏附、抑制或促进细胞的增殖和迁移、诱导细胞的分化和细胞在受损后的自我重建。此外，肾小球上皮的基底膜还具有滤过膜的作用。

不同年龄阶段对应的基底膜其成分和结构也存在差别。随着年龄的增长，基底膜中的Laminin 和聚集蛋白表达水平降低，Col-Ⅳ蛋白表达水平增加。KEELEY 等［6］通过光漂白技术发现：基底膜并不是静止不动的，在Col-Ⅳ和Laminin 网状支架之间，有许多移动的基质蛋白，提示基底膜是高度动态的，其成分能够快速改变以支持组织结构。

2 基底膜各成分对上皮细胞极化的作用和机制

2.1 Laminin

Laminin是构成基底膜的核心成分［7］，由α、β 和γ 链组成异三聚体。哺乳动物有5 种α 链、3 种β 链和3 种γ 链，三者的不同组合产生16 种不同的Laminin，如Laminin 111（α1β1γ1）和Laminin 211（α2β1γ1）等，其在组织结构和调控细胞行为中具有不同的作用。1988 年，KLEIN 等［8］发现：抗Laminin 抗体可阻断肾小管上皮细胞的分化和极化，为Laminin 在上皮细胞极化中发挥重要作用提供了有力证据。

Laminin 与上皮细胞表面的整合素结合后，可促使蛋白酶激活受体1（protease activated receptor-1，PAR-1）与营养不良蛋白聚糖（dystroglycan，Dg）的人肌营养相关蛋白（utrophin）亚单位结合，除调节肌动蛋白重组外，PAR-1 还通过磷酸化微管结合蛋白改变微管动力学，使微管不再以中心体为焦点放射排列，而是与极性细胞的顶端-基底轴平行排列， 从而诱导上皮细胞建立极性［9］。RASMUSSEN 等［10］研究发现：肠上皮细胞在无Laminin 存在的情况下也可进行分化和极化，但其具体机制尚不明确，提示并非所有上皮细胞的极化过程均需要有Laminin 参与。

2.1.1 Laminin 332 Laminin 332 在上皮细胞极性中发挥着较为特殊的作用。 上皮-间质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT） 是上皮细胞向间质细胞转化的生物学过程。在EMT 过程中，上皮细胞失去顶底极性，失去与基底膜的连接，获得间质细胞表型，具有迁移和侵袭等能力［11］。Laminin 332 是构成基底膜屏障的关键成分，同时也是EMT 的标志物。

研究［12］显示：Laminin 332 在肺癌细胞的EMT 中发挥重要作用。Laminin 亚基γ2（Laminin subunit gamma-2，LAMC2） 可促进肺腺癌细胞EMT，但该过程需要依赖整合素β1 和EMT 相关转录因子锌指E 盒结合蛋白1（zinc finger E-box binding homeobox 1， ZEB1） 的参与， 其机制可能是Laminin 332 激活黏附斑激酶（focal adhesion kinase， FAK）/蛋白激酶B （protein kinase B，PKB）/糖原合酶激酶3β（glycogen synthase kinase 3β，GSK3β）通路，抑制Snail 泛素化降解，进而使肿瘤细胞极性丧失，促进EMT 的发生。

DRAKE 等［13］发现：ZEB1通过直接与LAMC2和整合素β4（integrin β4，ITGβ4） 结合，抑制胰腺癌细胞中LAMC2 和ITGβ4 的表达，从而促进前列腺癌细胞的EMT，提示LAMC2 可能参与前列腺癌细胞极性的维持，但是其具体机制尚不明确。

研究［14］显示：在胰腺导管腺癌（pancreatic ductal adenocarcinoma，PDAC）中，敲低Laminin亚基α3（Laminin subunit alpha-3，LAMA3） 可降低间质标志物波形蛋白（Vimentin） 的表达；敲低Laminin 亚基β3（Laminin subunit beta-3，LAMB3）可使人胰腺癌PANC1 细胞间连接标志物E- 钙黏蛋白（E-cadherin）表达水平明显升高，Vimentin表达水平明显降低；敲低LAMC2，可使E-cadherin 表达水平降低， Vimentin 表达水平升高， 提示Laminin 332 中的3 条链对PANC1 细胞的极性维持发挥不同作用，LAMA3 和LAMB3 可能对PANC1细胞的极性消失起促进作用，而LAMC2 则可能对PANC1 细 胞 的 极 性 消 失 有 抑 制 作 用。WANG 等［15］发现：LAMC2 及其受体在胰腺癌组织和细胞中呈高表达，LAMC2/钠氢交换蛋白1（Na+/H+exchanger 1，NHE1）信号产生细胞外酸化，诱导肌动蛋白依赖性假足形成和EMT，促进肿瘤细胞在胰腺癌中的侵袭，提示LAMC2 在此过程中对胰腺癌细胞极性的消失起促进作用。

研究［16-17］显示：Laminin 332 对结肠癌RKO、HT-29 和HCT-116 细胞分别产生不同的影响：作用于RKO 细胞时，EMT 相关转录因子Snail1 和ZEB1 表达水平升高，间质标志物表达水平稍有升高；作用于HT-29 细胞时，EMT 相关转录因子表达水平降低，上皮细胞标志物表达水平升高；作用于HCT-116 细胞时，间质标志物表达水平降低。提示Laminin 332 可促进RKO 细胞极性消失，但对维持HT-29 细胞和HCT-116 细胞极性有一定的作用，其具体机制还有待进一步研究。

2.1.2 Laminin 411 研究［16-18］显示：Laminin 411也对结肠癌的RKO、HT-29 和HCT-116 细胞产生不同的影响：作用于RKO 细胞时，EMT 相关转录因子Snail1 和ZEB1 表达水平升高，同时上皮标志物表达水平降低；作用于HT-29 细胞时，上皮标志物表达水平升高；作用于HCT-116 细胞时，EMT 相关转录因子表达水平降低，上皮标志物表达水平无明显变化。提示Laminin 411 可促进RKO细胞极性消失，但对维持HT-29 细胞和HCT-116细胞极性有一定的作用，其具体机制尚需进一步研究。

研究［19］显示： Laminin 亚基γ1（Laminin subunit gamma-1，LAMC1） 可促进胆管癌细胞的EMT 进程，进而促进其增殖、迁移和侵袭，提示LAMC1 可能在胆管癌细胞的极性维持中起抑制作用。

2.2 Col-Ⅳ

Col-Ⅳ是一种非纤维胶原蛋白，在人体中的含量随年龄增长而增加，占成人基底膜蛋白的50%以上，是一种长度约为400 nm 的异三聚体，由3 条α 链构成。与其他类型的胶原不同，Col-Ⅳ只出现在基底膜中，主要由上皮细胞产生，对上皮细胞起支持作用。在某些特殊情况下，成纤维细胞也可以产生Col-Ⅳ的α1（Ⅳ） 和α2（Ⅳ） 链。脊椎动物表达6 条Col-Ⅳα 链［α1（Ⅳ）～α6（Ⅳ）］，共形成3 种原聚体：α1α1α2 （Ⅳ）、α3α4α5 （Ⅳ）和α5α5α6（Ⅳ）。其中，α1α1α2（Ⅳ）几乎在所有基底膜中均存在，而α3α4α5（Ⅳ）和α5α5α6（Ⅳ）仅存在于部分基底膜中［20］，α3α4α5（Ⅳ） 存在于内耳、睾丸、肾小球和肾小管的基底膜中，而α5α5α6（Ⅳ）存在于皮肤、食管、平滑肌、关节滑膜和肾小囊组织的基底膜中［21］。

ADELFIO 等［22］采用Laminin-NDG 基质代替基质胶培养具有极性的肾小管上皮细胞，其中并未添加Col-Ⅳ，Col-Ⅳ可能在上皮细胞的极化过程中并不发挥关键作用，但上皮细胞可自分泌Col-Ⅳ［23］，其自分泌的Col-Ⅳ是否会影响上皮细胞的极性目前尚不明确。

研究［24］显示：COL4A1 在胃癌组织和细胞中表达水平明显升高，而敲低COL4A1 则可抑制胃癌细胞的活性、迁移、侵袭和EMT。COL4A1 参与调控Hedgehog 信号通路，沉默COL4A1 后，Hedgehog 信号通路被阻断，胃癌细胞的迁移、侵袭和EMT 被抑制，提示COL4A1 可通过激活Hedgehog 信号通路促进胃癌细胞的极性消失。

2.3 Pcan

Pcan 是一种长度约为200 nm 的HSPG，其结构类似于一串珍珠，一般聚集在组织的边缘，在2 种组织之间起分离作用，并通过硫酸乙酰肝素链参与储存生长因子。Pcan 在血管生成、神经发生和软骨发生中起重要作用，并可能在血管基底膜重塑过程中发挥关键作用。以果蝇卵泡细胞上皮（follicular cell epithelial， FCE） 为模型系统，SCHNEIDER 等［25］发现：Pcan 是维持上皮细胞极性所必需的，缺乏Pcan 的卵泡细胞可出现与营养不良蛋白聚糖突变细胞相似的极性缺陷，即卵泡上皮由单层变为多层，上皮的连续性也会消失。

2.4 TGF-β

TGF-β 作为EMT 的主要诱导剂，可以通过Smad 信号通路诱导EMT，导致上皮细胞的极性消失。TGF-β 与位于上皮细胞表面的受体结合后，激活Smad2 和Smad3，并与Smad4 形成三聚体，该三聚体定位到细胞核后与转录因子Snail、ZEB和碱性螺旋- 环- 螺旋（basic helix-loop-helix，bHLH）家族协同调控紧密连接蛋白中的水闸蛋白（Claudins）、E-cadherin 和闭锁小带蛋白（zonula occluden，ZO）等极化相关基因的表达，使细胞黏附性降低，紧密连接消失，进而使上皮细胞的极性消失［26］。

2.5 NDG

NDG 作为主要的ECM 连接分子，在基底膜中普遍存在，分为巢蛋白1（nidogen-1，NID1）和巢蛋白2（nidogen-2，NID2）2 种亚型，均可以连接Laminin，其中NID1 还可以连接Col-Ⅳ和Pcan，使Laminin 网和Col-Ⅳ网连接在一起，形成基底膜的基本网状结构。NDG 几乎存在于所有基底膜中，研究［27］显示：即使在没有NDG 存在的情况下，基底膜的合成也并未受到影响，而是在基底膜形成后的稳定性中发挥重要作用。

HAN 等［28］发现：NID1 的表达水平升高与涎腺腺样囊性癌（salivary adenoid cystic carcinoma，SACC）的肺转移有关联，并且NID1 的过表达会促进SACC 细胞的转移和侵袭；进一步研究发现：NID1 通过激活PI3K/PKB 通路，使EMT 标志物N-钙黏蛋白（N-cadherin）和Vimentin 过表达，提示NID1 可能是通过激活PI3K / PKB 通路促进SACC 细胞发生EMT。研究［29］显示：NID1 可通过激活PI3K/PKB 通路促进非小细胞癌细胞发生EMT。相似的情况还出现于结肠癌细胞中，ROKAVEC 等［30］发现：结肠癌细胞通过分泌NID1，诱导相邻癌细胞的EMT。而在乳腺癌细胞中，缺少NID1 可导致乳腺癌细胞的极性相关蛋白闭锁小带蛋白1（zonula occluden-1，ZO-1）消失，促进EMT［31］。

正常生理状态下，NDG 在基底膜的稳定性中发挥着重要作用，并参与维护基底膜的屏障功能。当发生癌变时，NID1 的角色会发生转变，可诱导部分上皮来源的癌细胞极性消失，发生EMT，从而促进肿瘤的迁移和侵袭。但在乳腺癌中，NID1对癌细胞的EMT 存在抑制作用。可见，NDG 对不同上皮来源癌细胞的作用可能存在差异。

2.6 TIMP3

TIMP3 可能对上皮细胞的极性无直接影响，但其抑制对象基质金属蛋白酶3 （matrix metalloproteinase-3，MMP-3） 在许多上皮来源细胞的EMT 中发挥重要作用。研究［32-35］显示：MMP-3 可在肺纤维化、子宫内膜癌、甲状腺癌和非小细胞肺癌中作为信号轴中的最后一个分子促进EMT，提示MMP-3 在上述上皮细胞的极性消失中起促进作用，而TIMP-3 是否会维持上皮细胞的极性，还有待进一步研究。

2.7 HSPG

HSPG 是基底膜中的重要组成成分。Syndecan家族是HSPG 的成员之一，是一种关键的细胞表面 HSPG。其中Syndecan-1（SDC1） 主要局限于上皮细胞，含有硫酸乙酰肝素链，能够与大量多肽相互作用，可在细胞增殖、黏附和迁移中发挥重要作用。

研究［35-36］显示： SDC1 被微小RNA-494（microRNA-494，miR-494） 激活后，可以抑制胰腺癌细胞发生EMT，从而阻止肿瘤转移和侵袭。在胆囊癌细胞中，敲低SDC1 后，通过调控ERK/Snail 通路诱导EMT 发生，促进肿瘤细胞的转移和侵袭。 在口腔癌细胞中，SDC1 过表达可激活ERK 信号通路，抑制人唾液腺腺样囊性癌ACC2细胞发生EMT，提示SDC1 在胰腺癌细胞、胆囊癌细胞和ACC2 细胞的极性维持中发挥重要作用，可通过抑制其发生EMT 来维持上皮细胞的极性，激活ERK 信号通路可能是其发挥作用的重要环节。

FUJII 等［37］研究发现：SDC1 可上调前列腺癌细胞中微小 RNA-331-3p （microRNA-331-3p，miR-331-3p） 的表达，而miR-331-3p 可通过激活TGF-β/Smad4 通路， 促进前列腺癌细胞发生EMT，提示SDC1 可促进前列腺癌细胞极性消失，获得间充质细胞的特性。

3 基底膜结构对上皮细胞极化的作用及其机制

Laminin 组装成网状结构是上皮细胞极化的关键。为了将空间信息传递给上皮细胞，Laminin 必须自组装成网状结构，该网状结构是构成基底膜的基本结构。首先，Laminin 通过结合硫酸糖脂，在细胞表面聚集并开始组装。位于细胞表面的整合素（integrin，ITG） 和Dg 受体与Laminin 相互作用，并通过酪氨酸激酶激活下游信号。Laminin 空间信号通路的一个关键调节因子是蛋白酶激活受体1（protease activated receptor-1， PAR-1）， 其在Laminin 自组装并将基底膜中的极化信号传递至上皮细胞的过程中发挥重要作用，并影响微管和肌动蛋白的构建，进而诱导上皮细胞极性形成［38-39］。在此过程中，信号蛋白整合素连接激酶（integrinlinked kinase，ILK） 发挥协同作用［40］。PAR-1 可调节肌动蛋白骨架，而肌动蛋白和微管在上皮细胞极化过程中相互影响。结合在肌动蛋白网状结构上的CAMSAP3-ACF7 复合体能够捕获微管蛋白的负端，并使其呈顶端-基底向排列，肌动蛋白沿微管蛋白运输至顶端并参与微绒毛的组装，从而建立上皮细胞的极性［41］。此外，LI 等［42］研究发现：改变Laminin 的拓扑结构可使上皮细胞的顶端-基底轴倒置。研究［43］显示：Ⅸ型胶原的缺失可破坏脉络丛中上皮基底膜的结构完整性，进而扰乱极化微管动力学，影响顶底极性的正确定向。

微管可能在基底膜结构影响上皮细胞极性的过程中起关键作用。微管调节细胞极性的机制可能是：微管产生收缩力，使细胞发生极性形变，控制细胞器极性以进行定向物质运输。

4 仿基底膜材料对上皮细胞极化的作用及其机制

基质胶是一种从小鼠低分化软骨肉瘤中提取的类基底膜基质，主要成分是4 种主要的基底膜细胞外基质蛋白：Laminin （60%）、Col-Ⅳ（30%）、NDG（8%）和HSPG（2%～3%）［44］。从ORKIN等［45］在40 多年前发现基质胶至今，由于其成分与基底膜相似且较基底膜易于获得，现已广泛应用于细胞培养。将上皮细胞接种于100%低生长因子的基质胶涂层上，并在培养基中添加2%的基质胶，会培养出具有极性的上皮细胞［46］。

在有关基底膜成分对上皮细胞极性影响的研究［47］中，基质胶常被用作模拟基底膜的阳性对照。但基质胶作为一种小鼠肉瘤组织的提取物，不同批次之间的差异性较大，会导致细胞培养实验的不确定性和缺乏可重复性。为解决该问题，目前已研制出多种人工合成基质，可通过模拟基底膜成分和结构培养出极化的上皮细胞。人工合成基质大致可以分为2 类， 一类是单纯模拟基底膜的成分，ADELFIO 等［22］通过模拟肾小管基底膜的成分，合成Laminin-NDG 基质（辅以HSPG 和成纤维细胞生长因子等），培养出了具有极性的肾小管上皮细胞；另一类是既模拟基底膜的孔隙结构又模拟其成分， 一般通过自组装肽 （self-assembling peptides，SAP）、聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）凝胶和明胶电纺丝来模拟基底膜的结构，在其中加入Laminin、Col-Ⅳ、基质胶和RGD 等来模拟基底膜的成分，从而诱导出具有顶底极性的上皮细胞［48-49］。

5 总结和展望

基底膜在上皮细胞极化过程中起重要的作用，多种基底膜成分和基底膜结构在上皮细胞极化过程中的作用及机制也逐渐明确。但仍存在诸多问题：①同一种蛋白在生理状态下和肿瘤发生发展过程中是否对上皮细胞极性发挥不同的作用。②上皮细胞极性的建立、维持和消失，是否会对基底膜的成分及结构产生影响，二者之间是否存在相互作用。③如何从模拟基底膜的成分和结构入手，建立和维持上皮细胞的极性，从而达到治疗克罗恩病等由上皮细胞极性消失导致的疾病。深入探讨上述问题，能够为治疗由上皮细胞极性异常导致的疾病提供理论依据。除上皮细胞外，成牙本质细胞、内皮细胞和神经元细胞等也具有极性。成牙本质细胞和内皮细胞等其他细胞的极性及其调控机制仍有待进一步研究。

利益冲突声明：

所有作者声明不存在利益冲突。

作者贡献声明：

白雪颖参与文献查阅、论文撰写和论文修改，王晓玲、强金彪和范心怡参与选题设计和论文修改，史册参与选题设计、论文审阅和论文修改。