整联蛋白及其信号转导途径对骨骼肌生长发育的调控

李欣蔚 张 勇

（沈阳农业大学畜牧兽医学院，沈阳110866）

整联蛋白（integrin）是由α和β2个非共价键结合的跨膜亚基组成的异源二聚体，α和β亚基均由氨基酸序列较长的胞外区、跨膜区和氨基酸序列较短的胞质区组成（只有β4亚基有长的胞质区），α和β链的氨基末端形成的球形区域部分为胞外配体结合域［1］。有研究表明，在果蝇中，整联蛋白在细胞黏附、细胞迁移、细胞增殖和细胞凋亡等过程中同样发挥重要作用［2－3］。同时，Elizabeth等［4］指出，整联蛋白黏着复合物会促进特定肌肉组织的发育，主要是通过促进蛋白质合成以及加强细胞原有功能实现的。整联蛋白通过介导细胞外基质，构成整联蛋白信号通路来完成对细胞凋亡、细胞增殖以及细胞迁移的信号转导调控［5］。

1 整联蛋白配体的生物学特性及其信号通路的特点

1.1 整联蛋白配体的结构和生物学特性

由于α亚基具有18种不同构型，而β亚基具有8种不同构型，故整联蛋白可以组成24种α、β异源二聚体复合物。多数α亚基只能与1种β亚基结合构成异源二聚体，但有些α亚基可与几种不同的β亚基组合；而大部分β亚基则可以结合多种不同的α亚基；同时，β1、β3、β4、α3、α6、αⅡb等亚基的基因mRNA分子可有不同的剪接形式。以上诸多因素都增加了整联蛋白分子的多样性。

α和β亚基均由胞外区和胞浆区组成，胞外区和胞浆区共含有700～1 000个氨基酸。α亚基的胞外区由Ⅰ结构域、β－螺旋桨（β－propeller）、thigh、Calf－1、Calf－2构成。而β亚基（β1～β8）包含8个胞外区，即Ⅰ结构域、hybrid、神经丛蛋白－脑信号蛋白－整联蛋白（plexin－semaphorin－integrin，PSI）子域、β－尾区和4个类表皮生长因子（EGF－like）子域［6］。以整联蛋白β1为例，如图1［7］所示：整联蛋白β1共含有831个氨基酸，其信号肽含有20个氨基酸残基，位于氨基酸1～20；胞外区域的氨基端部分（INB）是保守子域，共含有449个氨基酸残基，位于氨基酸37～485；i－like子域位于INB区域内，是A型超家族子域中的成员，该家族含有一种原型分子，叫做von willebrand因子；金属离子依赖性黏附位点（metal ion dependent adhesion site，MIDAS）氨基酸序列在173～177；PSI子域位于氨基酸31～73；EGF－like子域位于氨基酸513～524和607～618。其中，MIDAS存在于β亚基和部分α亚基的Ⅰ结构域，并位于具有调节作用的Ca2＋结合位点附近，Mg2＋、Mn2＋和Ca2＋均可以与 MIDAS相互作用使得整联蛋白构象改变，从而导致其与配体的结合或解离［8］。

图1 整联蛋白β1的氨基酸序列及保守子域Fig.1 Amino acid sequence and conserved domains of integrinβ1［7］

1.2 整联蛋白及其信号转导途径的活化特点

整联蛋白作为介导信号传递的膜分子，是通过独特的途径转导信号来调节细胞的各种生物学功能的。而整联蛋白的活化主要通过触发由细胞内到细胞外的信号转导，从而实现与细胞外配体的低亲和力状态到高亲和力状态的改变，即整联蛋白信号系统。而最新研究发现，动物受到应激后，激活的细胞外信号调节激酶（extracellular regulated kinase，ERK）会移动到细胞核表面激活整联蛋白系统［9］。

在整联蛋白的活化过程中，小鼠黏着斑蛋白－3（kindlin－3）基因敲除的试验证实：kindlin－3才是整联蛋白活化所必需的［10－12］。同时，黏着斑蛋白－1（kindlin－1）可与整联蛋白β1和整联蛋白β3胞质区作用，而kindlin－3能与白细胞特异性的整联蛋白β2胞质区结合［11］。有研究表明，尽管多种蛋白质都可以与β整联蛋白胞质区发生相互作用，但此前只有踝蛋白被确切证实能够触发整联蛋白的活化［13］，而黏着斑蛋白（kindlin）的F3子域中的TxxNxxY序列是其主要的结合位点［14］。当整联蛋白的β亚基的胞质尾区与F3子域结合后，破坏了α、β之间的盐桥，继而触发α、β跨膜构象转变为高亲和力构象［15］。

整联蛋白系统被活化后，黏着斑激酶（focal adhesion kinase，FAK）是胞内第1个信号分子，首先进行磷酸化。FAK广泛分布于血小板、内皮细胞、中性粒细胞和单核细胞等细胞的胞质中，在细胞迁移中发挥作用［16－19］。继而由整联蛋白连接激酶（integrin－linked kinase，ILK）作为蛋白质间相互作用网络中的集结点，通过其偶联的信号通路，在调节细胞生物学功能上发挥多种效应。具体信号通路是：当整联蛋白依赖的细胞黏附激活磷酸肌醇－3激酶（PI3K），其产物多磷酸肌醇（PIP）可激活ILK［20］。

2 由整联蛋白系统介导的ERK信号通路的生物学功能

整联蛋白不仅可以通过识别细胞外基质的精氨酸－甘氨酸－天冬氨酸（Arg－Gly－Asp，RGD）序列介导细胞与细胞外基质之间的黏附，与免疫球蛋白超家族分子结构介导细胞与细胞间的黏附，还可以双向转导细胞内外的信号，直接影响细胞的生存、生长、增殖、分化以及凋亡等生物学行为。Fong等［21］研究发现，骨桥蛋白可以识别整联蛋白αⅤβ3，启动FAK／激活磷酸肌醇3（PI3）／ERK细胞内信号通路，进而促进细胞迁移。Roman等［22］以及Shibue等［23］也指出，整联蛋白β1可以通过细胞外信号调节激酶1（ERK1）／细胞外信号调节激酶2（ERK2）信号通路上游的FAK调控细胞的增殖，通过抑制活化的整联蛋白α3，利用FAK／ERK／核转录因子κB（NFκB）信号途径调控基质金属蛋 白 酶 （matrix metalloproteinase，MMP）的表达。

此外，在硫酸乙酰肝素蛋白聚糖（heparan sulfate proteoglycans，HSPGs）介导细胞分布以及维持细胞骨架硬度的过程中，整联蛋白通过下调FAK／ERK信号通路来发挥重要的动力转导作用。如图2［24］所示，HSPGs可以通过与整联蛋白调控的细胞基质黏附复合物共区域化，或者通过皮层肌动蛋白细胞骨架上的黏附复合物相互作用，或者同时发 挥 以 上 2 种 作 用 来 激 活 FAK／ERK／c－Jun／MMP－13信号中枢。活化后的信号通路不仅可以调控MMP－13的表达，而且有研究指出，在皮肤损伤修复以及成肌纤维细胞的分化过程中，通过胞间质的作用，整联蛋白也发挥了重要的动力转导作用［25］。

图2 整联蛋白在FAK／ERK信号通路中的动力转导作用Fig.2 The mechanotransduction of integrin in FAK／ERK signal pathway［24］

3 整联蛋白及其信号转导途径对动物肌肉生长发育的调控

3.1 整联蛋白对动物肌肉生长发育的调控

骨骼肌的生长发育是一个十分复杂的过程，涉及大量基因的表达及网络式调控［26］。而骨骼肌生长速度最终取决于骨骼肌细胞的数量、肌肉蛋白质合成和降解速度［27］。在骨骼肌发育过程中，肌肉组织之所以能够构建成为可伸展的、可受力的分生组织，是因为整联蛋白及其调控的细胞黏着力提供了结构上的稳定性。同样的，有研究表明，在骨骼肌形成过程中，整联蛋白集中在Z线，整联蛋白缺乏将会导致Z线发育缺陷［28］。Perkins等［29］的试验表明，骨骼肌中的整联蛋白调控的黏着力下降会导致肌肉功能的逐渐缺失，原因在于肌节细胞结构无法维持。而这种肌肉功能上的缺失是渐进的，随着年龄的增长，肌节肌动蛋白、Z线和M线会出现解离。电子显微镜显微分析显示，由于整联蛋白在黏着力调控过程中发生的还原反应，细丝蛋白会与Z线解离，随后Z线与细胞膜逐渐分离，最终导致Z线的分解。与此同时，整联蛋白可作为骨骼肌层粘连蛋白网络调控的细胞膜受体，参与骨骼肌细胞骨架的形成和细胞内信号途径的介导［30］。

3.2 由泛素介导的整联蛋白下游存活信号通路对肌肉发育的影响

泛素（ubiquitin）是一类高度保守的蛋白质，含有76个氨基酸，分子质量大约为8 500u。泛素家族除了保持有限序列的同源性以外，所有的泛素家族成员都具有典型的β－grasp泛素折叠，这也显示出泛素家族结构上的同源性［31］。泛素存在于大多数真核细胞中，它的主要功能是标记需要分解掉的蛋白质，使其被水解。当附有泛素的蛋白质移动到桶状的蛋白酶的时候，蛋白酶就会将蛋白质水解。有研究表明，整联蛋白β1的活化作用和泛素的表达均可以激活PI3K／蛋白激酶B（Akt）通路来进一步抑制细胞凋亡［32］。

在肌间盘和肋节间，整联蛋白β1与多种蛋白质如骨骼肌特异蛋白质（muscle－specific protein，melusin）相衔接（图3［33］）。β肾上腺素受体刺激成人的心肌细胞，继而引起糖原合成酶激酶3β（glycogen synthase kinase 3β，GSK3β）和c－Jun氨基端激酶（JNK）的活化，在整联蛋白β1和基质金属蛋白酶－2（matrix metalloproteinase－2，MMP－2）的参与完成下游信号的传导，引起细胞凋亡。另有研究表明［34］，阻止 MMP－2的活化会导致肌细胞骨架重组受抑制，同时引起肌细胞功能性异常。同样的，切断melusin基因后也会抑制Akt介导的GSK3β的磷酸化作用，继而抑制了细胞凋亡。同时，泛素介导的信号通路中所涉及的诸多蛋白质分子，将会被肌细胞骨架所重新吸收，然后完成下游信号通路的转导。在β肾上腺素受体的刺激下，整联蛋白β3不会被心肌细胞的闰盘泛素化，而在这段时间，酪氨酸激酶活化后的下游因子——黏着斑复合体（focal adhesion complex，FAC）逐渐形成。所以，在β肾上腺素受体的刺激下，整联蛋白β1和整联蛋白β3都会引起肌细胞的代偿性生长，整联蛋白与其他蛋白质共同形成了网络式的级联反应，而在这些级联反应中，由泛素介导的整联蛋白β1下游存活信号通路会被不断激活。

图3 由泛素介导的整联蛋白β1下游存活通路Fig.3 Ubiquitin－mediated survival signaling downstream of integrinβ1［33］

4 小 结

整联蛋白是一类细胞表面受体分子家族，广泛存在于各种组织中，可使细胞黏附于胞外基质并介导来自基质的机械信号和化学信号，具有激活胞浆激酶和维持生长因子的生物活性，实现细胞外基质－整联蛋白－细胞内的信号转导功能。而骨骼肌生长发育需要蛋白质合成和降解之间的平衡，涉及合成代谢与分解代谢之间的比例关系。因此，根据整联蛋白信号通路的特点可以推测，在肌肉蛋白质降解和合成代谢过程中，整联蛋白及其信号通路很可能发挥重要作用。目前，对于整联蛋白的研究尚处于人类和动物疾病的预防及治疗阶段，在肌肉发育以及动物肉品质改良方面甚少。所以，深入研究整联蛋白及其信号通路在肌肉发育方面的调控机理，便可以通过调节整联蛋白信号途径来进一步改善动物肉品质，可以说，在动物营养领域的研究中，整联蛋白及其信号通路极具研究前景。

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