摘要
细胞迁移是细胞的一项基本生理活动,不仅在血管重建、炎症反应、组织发育、伤口愈合等方面发挥重要作用,还与癌细胞的侵袭转移有关。plectin(499～533 kDa)是在多种组织和细胞中广泛表达的一种大分子骨架蛋白,具有重要的生物学功能,参与细胞的多种生理病理过程。plectin可以通过调控细胞骨架影响迁移,也可以通过相关信号分子通路影响迁移。本文主要综述plectin在癌细胞迁移中的作用及其相关分子机制研究进展,为深入认识和研究plectin与癌细胞迁移的关系及其靶向干预提供理论参考。
关键词:
plectin
细胞迁移
细胞骨架
癌细胞
细胞迁移是细胞在接收到迁移信号或在感受到某些物质的浓度梯度后产生定向移动的一种生物学行为。在高等动物的生命活动过程中,细胞迁移与胚胎发育、伤口愈合、免疫应答、组织发育等活动都密切相关。此外,人类许多重大疾病,包括血管疾病、慢性炎症疾病以及肿瘤发生和转移等,也与细胞迁移息息相关 。细胞迁移与细胞骨架的完整性有关,细胞骨架主要包括微管、微丝、中间丝及细胞骨架相关蛋白,是真核细胞中维持细胞形态结构和细胞运动的纤维网络。
细胞骨架相关蛋白Plakin家族在维持骨架完整性中起着重要作用,它们与中间丝和半桥粒复合体相关,可以调控细胞的生长、迁移、侵袭和分化等 。Plakin家族中plectin是一个近年来颇受关注的高分子量、多结构域蛋白,广泛存在于哺乳动物各种组织和细胞中。不同plectin亚型的表达具有时间和空间特异性 。plectin具有中间丝、微管和微丝的结合位点,可与多种细胞骨架成分相互作用,维持细胞骨架网络的完整性 。研究表明,plectin与细胞的多种生物学行为相关,而它在癌细胞迁移方面的作用及其分子机制是近年来的研究热点。
plectin完整的cDNA序列及氨基酸序列最先是从大鼠中测序得到,在大鼠中该基因位于15号染色体上。文献[6-7]中报道了人类plectin基因的序列及其在8号染色体上的定位(基因位点为8q24)。plectin的结构在各种属高度保守,通过对人类和大鼠plectin的氨基酸序列分析发现,它们具有93%的同源性 。在大鼠15号染色体上鉴定了41个外显子,外显子2-8编码高度保守的肌动蛋白结合域(actin binding domain, ABD),外显子 9-30编码 plectin的plakin结构域,而外显子31和32分别编码中央杆状结构域和 C 端结构域。其中,最显著的特征是12个外显子1(1-1j)共同拼接成外显子2,另外两个外显子2α和3α在外显子2和外显子4内可变剪接 [见 图1 (a)]。
全长的plectin基因表达为499～533 kDa的蛋白质,研究人员通过电子显微镜将plectin可视化为哑铃状结构,包括两端的两个球状结构域和一个中央的杆状结构域 [4,16] [见 图1 (b)]。氨基末端球状域由包含两个钙调蛋白同源(calmodulin homology, CH)结构域的ABD域和包含中心Src同源域3(src homology 3, SH 3 )结构域的plakin域结合而成 [17-18] 。ABD结构域中具有多个与骨架相关的结合位点,主要有integrin β4、vimentin、actin、nesprin-3以及dystrophin/utrophin,而plakin结构域有 Fer、integrin α7和β-dystroglycan的结合位点 。中央杆状结构域(the rod domain)由plectin基因的外显子31可变剪接而成,杆状结构域对plectin维持组织完整性不是必需的,因此在保留plectin蛋白功能的无杆状剪接变体中,大部分杆状结构域都不存在 [11,19-20] 。目前,已报道了近100种引起疾病的plectin基因突变,包括错义、移码和剪接位点突变等 。而杆状结构域中某个位点的突变大多会引起单纯性大疱性表皮松解症(epidermolytic bullosa simplex, EBS)。例如,外显子 31 中的无义或移码突变会引起大疱性表皮松解症伴肌营养不良症(epidermolytic bullosa simplex associated with muscular dystrophy, EBS-MD),而外显子31位点特异性错义突变会引起遗传性大疱性表皮松解症EBS-Ogna,其他的还包括在外显子31之前或之后的外显子产生突变导致的大疱性表皮松解症伴幽门闭锁(epidermolytic bullosa simplex associated with pyloric atresia, EBS-PA) [19,21-22] 。羧基末端由6个plakin重复结构域(plakin repeat domains, PRDs)形成,其中包括9个血影蛋白重复域 (spectrin repeats, SR1～SR9)和1个SH 3 域 。和氨基端一样,PRDs也具有可与多种中间丝蛋白结合的位点,包括vimentin、desmin、GFAP 和keratin等,也包含integrin β4和β-dystroglycan的结合位点 ,但这些蛋白质在plectin结构域上的具体结合位点并未完全确定。
plectin的功能多样性源于可变的选择性剪接,不同剪接体的形成主要来源于plectin基因5′ 端转录的复杂性,故产生了多个plectin亚型。在骨骼肌中,plectin1、plectin1b、plectin1d和plectin1f对于维持肌纤维的完整性至关重要,它们分别将中间丝锚定到核/内质网膜系统、线粒体、Z线、黏着斑上 [8,11,13] ;在心脏组织中存在plectin1a、plectin1d和plectin1f,主要作为细胞与细胞或细胞与胞外基质的连接物 [4,11-13] ;分布在皮肤组织中的plectin1a、plectin1d主要定位于中间丝细胞骨架 [11-13] 。这些plectin 亚型的不同之处在于它们的N末端序列,不同的N末端序列决定了亚型的细胞定位并赋予其组织特异性表达(见 表1 )。
plectin是一种细胞骨架连接蛋白,它可以将三大细胞质骨架连接起来,以维持细胞骨架及细胞形态的完整性,并调节细胞骨架动力学,也可以作为桥粒或半桥粒的一部分参与细胞间或细胞与基底间的连接,还可以参与影响细胞的迁移侵袭、形成信号蛋白支架、调节线粒体功能等生物学行为 [16,24-25] 。其中,plectin异常表达引起的细胞迁移变化在癌细胞侵袭转移过程中发挥着重要作用。
plectin最初作为肿瘤标志物被发现在结直肠腺癌和管状腺瘤的侵袭性肿瘤巢中表达上调,并调节结肠癌细胞的侵袭能力 。研究发现,plectin在肿瘤组织和癌细胞中的作用越来越广泛,胰腺恶性导管内乳头状黏液性肿瘤和胰腺导管腺癌中的plectin也被发现升高,因此plectin被认为是识别原发胰腺癌和转移肿瘤的生物标志物 。在头颈部鳞状细胞癌(HNSCC)中,plectin的表达显著增加,敲低plectin可以抑制HNSCC细胞的增殖、迁移和侵袭 。在大多数癌组织及癌细胞中,plectin都呈高表达,并调节它们的迁移侵袭能力。但在肝癌细胞中,plectin的高表达是否促进其迁移侵袭能力还有待明确。
研究表明,plectin在转移潜能较高的肝癌细胞株MHCC97H中的表达量高于低转移潜能细胞株 MHCC97L。在1个用95例肝癌患者组织芯片进行plectin的免疫组化的实验中,发现肝癌组织中plectin表达量较癌旁高 。通过敲低MHCC97H细胞株的plectin不能引起侵袭转移的显著改变,但敲低SMMC-7721肝癌细胞株的plectin能显著抑制迁移侵袭能力 。然而另有研究发现,plectin的表达在肝癌细胞中下调,在PLC/PRF/5 肝癌细胞中plectin的表达量低于正常肝细胞,并且在正常肝细胞中敲低plectin后显示出更强的迁移能力 [29-31] 。
plectin具有能够调控癌细胞迁移的重要作用,不同癌细胞中存在不同的plectin亚型,且这些亚型的表达具有时间和空间特异性,并直接或间接调控相关信号分子/通路进而调控癌细胞的迁移(见 表2 )。
细胞骨架网络及其动力学的协调是细胞迁移的基本特征,在细胞迁移的每一步中都起着至关重要的作用,每种细胞骨架网络独立地贡献于一个或几个迁移步骤的特定特性 。在多种细胞中,plectin均定位在细胞骨架与细胞膜特定的连接复合体中,可将细胞骨架连接起来并传递胞内外信号(见 图2 )。另外,它的多结构域使其具有多个调控迁移相关蛋白的结合位点,使之可能成为细胞骨架调控迁移的关键节点。
2 . 2 . 1 通过细胞骨架调控迁移 细胞迁移和形态发生依赖于肌动蛋白网络的动态变化,肌动蛋白在细胞前缘呈放射状或作为轴向应力纤维形成发挥作用 [36-37] 。plectin的ABD域具有与肌动蛋白作用的结合位点,故plectin可以通过重新排列肌动蛋白细胞骨架来协调半桥粒和黏着斑之间的动力学 。在侵袭性癌细胞如膀胱癌细胞中,基于F-actin和plectin的侵袭伪足在癌细胞迁移侵袭中起着重要作用,plectin-F-actin的稳定连接促进了癌细胞侵袭转移 。研究表明,正常的小鼠成纤维细胞中plectin的下调使肌动蛋白应力纤维数量和黏附性增加,而细胞间这种更紧密的黏附可能是导致其迁移能力降低的原因 [39-40] 。
波形蛋白和角蛋白分别是间充质细胞和上皮细胞中的主要中间丝蛋白,与肌动蛋白细胞骨架相似,它们有助于细胞迁移和形态发生 。波形蛋白/角蛋白中间丝,除了与微丝和微管的潜在相互作用外,还可以作为上皮间质转化EMT过程中的分子标志物,EMT过程在癌细胞转移中具有重要作用 。plectin可以通过ABD结构域与integrin α6β4中的β4亚基结合将细胞锚定到细胞外基质(extracellular matrix, ECM),并通过氨基末端的plakin重复结构域与角蛋白相互作用来组装和稳定半桥粒结构 [38,41-42] 。plectin-integrin α6β4复合体和plectin-中间丝复合体是细胞-基底连接的重要组成部分,这些复合体的破坏会影响细胞迁移。在胰腺癌细胞中,受体型酪氨酸激酶RON可与plectin直接相互作用,导致plectin-integrin α6β4复合体的解离,破坏半桥粒结构,增强细胞迁移 。plectin和波形蛋白的共同下调会显著抑制前列腺癌细胞的迁移侵袭,它们的共同作用为侵袭伪足提供支架,并促进癌细胞转移 [25-26] 。同样,在口腔癌细胞中plectin介导了integrin β4与波形蛋白中间丝的连接,波形蛋白的下调增加integrin β4表达水平,plectin随着波形蛋白下调而上调,从而降低细胞的运动性 。在正常的角质形成细胞中,plectin连接半桥粒和角蛋白中间丝,角蛋白的减少会引起plectin的下调,进而调控迁移 。
2 . 2 . 2 通过信号通路调控迁移 plectin参与调节丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)级联反应,Erk 1/2激酶的上调已被证明通过诱导EMT或通过诱导MMP促进细胞外基质蛋白的降解在肿瘤侵袭转移中发挥重要作用 [25,44] 。plectin通过激活Erk 1/2激酶促进某些癌细胞的迁移和侵袭,plectin的下调使癌细胞中的Erk 1/2 磷酸化水平降低,例如抑制plectin会抑制胰腺癌细胞 、头颈部鳞状癌细胞 中的Erk 1/2 激酶活性,并抑制这些细胞的迁移侵袭能力。这与在角质形成细胞中plectin的敲低会升高Erk1/2激酶的磷酸化水平,并促进迁移的结果正好相反 。这表明Erk 1/2磷酸化水平可能是介导plectin缺乏细胞调控迁移的主要因素。
RACK1(活化激酶C的受体)是PKC(激活的蛋白激酶 C)的受体和支架蛋白,也是plectin的直接结合对象,plectin与RACK1的相互作用可以调节PKC信号并影响 MAPK/Erk通路。在缺乏plectin的情况下,RACK1会从核周移动到质膜,进而影响 PKC 和 c-Src 信号,导致癌细胞迁移能力增加 。
Rho GTPases家族蛋白如RhoA、Rac1、Cdc42分别通过形成应力纤维、片状伪足和丝状伪足调节细胞迁移。在结肠癌细胞中,plectin的敲低降低Cdc42的活性,进而降低肌动蛋白及肌动蛋白相关蛋白(actin-related protein, ARP)2/3 复合物的蛋白水平,从而导致丝状伪足更短、更少,最终抑制结肠癌细胞的迁移 。Rac1形成的片状伪足通过调节细胞骨架重新定位和蛋白激酶的激活调节几个重要的细胞过程,包括迁移、黏附和分化,较高的 Rac1活性表明细胞运动能力较强,而plectin的下调增加Rac1和FAK的活性从而介导肝癌细胞迁移能力的变化 [29,44] 。
plectin在细胞迁移中具有重要调节作用,在不同种类的正常细胞或癌细胞中,它的表达与迁移能力呈现不同的相关性,因而受到越来越多的关注。目前,研究plectin如何影响细胞迁移及其相关分子机制方面仍有许多问题值得深入探讨,特别是在肿瘤侵袭转移中,肿瘤细胞经历上皮-间质转化(epithelialmesenchymal transition, EMT)过程侵入周围组织,进而转移到远处器官形成继发性肿瘤 。与肿瘤细胞侵袭转移密切相关的EMT过程会导致细胞骨架的改变,plectin虽是与骨架相关的大分子蛋白,但目前还没有直接证据表明plectin与EMT过程相关。此外,plectin可以将中间丝招募到黏着斑、桥粒和半桥粒等稳定维持细胞力完整性的结构中,故plectin的缺乏可能会破坏细胞相关力学性能,如细胞刚度、牵引力产生等,而plectin作为一种力敏感因子在癌细胞迁移中的作用及分子机制并不完全清楚。因此,深入探究plectin调控癌细胞侵袭转移的作用及分子机制,对于进一步认识plectin与细胞迁移的内在联系进而预防和治疗plectin引起的相关疾病具有重要意义。
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