黏着斑的结构、功能及在肿瘤转移中作用

张冠华 智发朝

恶性肿瘤目前仍是人类致死的首位原因。随着研究的不断深入，恶性肿瘤发生、发展步骤，肿瘤浸润、转移等关键因素正在逐渐被认识。黏着斑（focal adhesions,FAs）是一种复杂的质膜相关大分子集合，其将肌动蛋白细胞骨架和整联蛋白连接并与细胞外基质（extracellular matrix,ECM）建立关系。FAs在细胞成熟过程中通过黏附作用及改变分子组合来产生牵引并转换信号驱动细胞迁移，上述过程任一环节的缺失或改变将使细胞黏附能力下降，而黏附能力下降被认为是肿瘤转移的重要因素之一。因此研究黏着斑的构成及其支配黏附信号传导的基本机制，对了解黏着斑在细胞转移及肿瘤进展中所扮演的角色至关重要。

一、黏着斑的结构及种类

1.黏着斑的结构

黏着斑由Abercrombie在纤维母细胞运动的研究中通过电子显微镜发现[1]，在细胞培养中它与细胞基底层紧密连接，是细胞质膜的电子致密区域。这种紧密连接的物理作用使得细胞可以和外环境进行联系，引起细胞黏附、迁移、扩散、分化及凋亡。

黏着斑在整联蛋白异二聚体的跨膜中心周围形成，与细胞外基质连接，构成细胞中侧肌动蛋白细胞骨架的锚定区，进而调节细胞内外各种信号通路。在电镜下观察黏着斑不同于缝隙连接、紧密连接、细胞桥粒等有明显的结构。Kanchanawong P等[2]利用干涉测量光激活定位显微技术（interferometric photoactivated localization microscopy,iPALM）的方法在纳米尺度上观测了黏着斑蛋白的显微结构，发现整联蛋白和肌动蛋白被一个40 nm长、由部分重叠的蛋白特异性层组成的核（整联蛋白信号传递层、力转导层、肌动蛋白控制层等）分开，同时由踝蛋白连接。这些分层的形成可能受到蛋白与蛋白之间相互作用的空间约束，一旦形成这些空间结构就会影响黏着斑的动力功能。

2.黏着斑的分子种类

从1971年发现黏着斑到现在，黏着斑分子的组成名单在不断增长，对其的研究也更加的深入。目前，把这些黏着斑分子按照它们的位置（细胞外基质、跨膜转运区及细胞质）可分为三种[3]；也可以按照其影响细胞迁移及侵袭具有重要作用的黏着斑蛋白作用机制进行分类[4]。下面将简要介绍几个重要黏着斑相关蛋白。

（1）整联蛋白：整联蛋白（或称整合素）（integrin）是异二聚体跨膜受体，有α和β两个亚单位组成，其主要作为外基质蛋白黏附分子存在。现在发现整联蛋白家族包含24种αβ异质二聚体复合物，不同亚单位的组合决定了结合区和对特定基质蛋白受体亲和力的影响[5]。整联蛋白不仅连接了细胞骨架和细胞外微环境，并且调控细胞的关键功能，例如通过激活特定信号进行细胞的迁移及生存[6]。

（2）黏着斑激酶：黏着斑激酶 （focal adhesion kinase,FAK）作为多种信号通路的枢纽是一种非受体蛋白酪氨酸激酶[7]。它由三个功能结构域组成，即氨基端（N）、羧基端（C）和激酶结构域。黏着斑激酶可与整联蛋白β亚单位、细胞骨架蛋白及信号转导蛋白相结合或与新生的黏着复合物及已形成的黏着斑结合，来激活细胞内MAPK、PI3K、JNK等信号通路，进而调节肌动蛋白细胞骨架结构[8]，从而影响细胞的黏附、生长及迁移。

（3）桩蛋白：桩蛋白（paxillin）是在Rous氏肉瘤病毒转化的鸡胚纤维母细胞（RSV-CEFs）过程中被发现的[9]。桩蛋白主要定位于黏着斑，包含LIM结构域、SH3结构域和SH2结构域。踝蛋白（talin）、神经生长因子受体TrkA、丝氨酸/苏氨酸磷酸酶激酶、酪氨酸蛋白激酶等许多分子可与桩蛋白结合，参与黏着斑的组装[10]，或形成复合物介导下游信号转导来调控细胞的黏附和迁移[11]。

（4）纽蛋白：纽蛋白（vinculin）是细胞微丝骨架结合蛋白，它由8个α螺旋束组成，这8个α螺旋束构成5个结构域。纽蛋白通过自身结构域与其它黏着斑蛋白，如踝蛋白、桩蛋白等相互作用参与信号转导调节黏着斑及细胞骨架动力学[12]。Saunders等[13]在研究中指出，纽蛋白可通过介导黏着斑的形成与解聚以及微丝与细胞膜的连接与解聚来促使细胞运动，也可通过稳定黏着斑而抑制细胞运动。在细胞黏附过程中，整联蛋白与细胞外基质接触时产生细胞外基质拉力，促使活化纽蛋白向黏着斑处聚集，这提示纽蛋白在力传导的细胞黏附过程中扮演重要角色[14]。

二、黏着斑与机械力传导

1.黏着斑与机械信号转化

黏着斑及黏着复合物（focal complexes）通过跨膜受体整联蛋白与细胞外基质微环境相连，外环境中的机械信号感受到这些位点，通过相关信号通路转化成生化信息[15]。肌动球蛋白衍生收缩力可产生细胞内牵引力，通过整联蛋白转移到细胞外基质[16]。黏着斑是由胞外到胞内或由胞内到胞外的力传导的重要位点。细胞牵引力可拉伸纤连蛋白（fibronectin）暴露原纤维生成所需位点[17]；也可以显露踝蛋白区域，使纽蛋白聚集来稳固整联蛋白和肌动蛋白细胞骨架的连接[18]。纽蛋白可以作为黏着斑的受力分子，决定黏着斑的组装和解离[14]。这些研究都表明了黏着斑的力传导机制，通过揭露下游信号通路靶分子的重要位点，将机械力转化为生化信息。现在看黏着斑可以产生力传导，来调节细胞形态、铺展及迁移。但从长期看来，它同样可以调节基因表达，细胞分化及癌症等疾病进展。

2.细胞内外机械信号力传导

细胞外的机械信号如基底刚度，拓扑结构和切应力等控制着细胞过程[19-22]。这些外部力量可以通过黏着斑结构或整联蛋白与细胞外基质蛋白之间的黏结力来传递。例如机械力可引起整联蛋白αvβ3胞外域变构效应改变，增加整联蛋白αvβ3和纤连蛋白的黏结强度。随后，更多的信号蛋白如Src和FAK被聚集，通过RhoA GTPases调节肌动蛋白细胞骨架活性[23]。这些信号传递分子参与增殖、存活等细胞重要进程，在肿瘤细胞中一些分子信号传递机制会被解除控制发生改变[24]。因此，细胞外的机械信号可通过黏着斑感应来控制肿瘤进展等细胞内生物进程。

细胞内的机械信号也可以通过黏着斑传递至细胞外微环境中[25]。肌动蛋白细胞骨架通过黏着斑与整联蛋白相连接。当肌动蛋白纤维一端与整联蛋白连接时，另一端向细胞内逆行流动产生张力。这种细胞内肌动球蛋白衍生张力可通过黏着斑影响细胞外基质组合[26]。因此黏着斑可以感应细胞内机械信号来控制细胞外环境。这种由胞内到胞外，由胞外到胞内的双向力传导可通过整联蛋白传导来控制细胞内或细胞外基质信号传递。

三、黏着斑与肿瘤进展过程的细胞迁移

1.黏着斑调控机械微环境

如同前面所述，细胞不断通过黏着斑从细胞外环境接收机械信号；通过整联蛋白相关信号通路细胞对这些信号进行应答来维持细胞形态、迁移和生存功能。因此，当细胞外微环境的改变而缺乏张力调节时，可致癌症的发展和转移[27-28]。

在细胞外微环境中，胶原蛋白是一种细胞外基质蛋白。在癌症发展过程中，金属蛋白酶 （matrix metalloproteinase,MMP）使胶原蛋白周转增强[29]。MMP可将纤维胶原蛋白分解成片段，在细胞外基质产生缺口使肿瘤细胞移动导致肿瘤转移。在许多类型的肿瘤细胞中黏着斑可发生基质降解，这些位点的MT1-MMP靶点是由FAK-p130Cas复合物调节的[30]。肿瘤进展中胶原蛋白的表达与沉积增强，胶原蛋白交联可引起组织纤维化，这导致肿瘤组织通常比正常组织更坚硬。Levental等[31]提出，赖氨酰氧化酶诱导的胶原蛋白交联可使基质更坚硬，并通过整联蛋白信号通路引起乳腺肿瘤的发生。在坚硬的基质中，整联蛋白信号传递的增强促进了细胞侵袭和乳腺恶性肿瘤生成。仅仅坚硬的细胞外基质并不足以引起乳腺组织改变，还需要致癌信号的传递，例如ErbB2[32]。这些都表明坚硬的机械微环境可以通过黏着斑中整联蛋白依赖的机械力传导促进肿瘤进展。

2.肿瘤再生细胞与机械微环境

肿瘤细胞中只有一小部分是肿瘤干细胞，将这部分植入动物宿主体内即可形成肿块。肿瘤干细胞可自我更新，分化成非干细胞，因此肿瘤是由不同时期分化的异质肿瘤细胞组成的。Liu等[33]在最近的研究中表示，肿瘤再生细胞（Tumourrepopulating cells,TRCs）可以在柔软的机械微环境中被筛选出来。TRCs在三维凝胶中比在涂有纤维蛋白近似硬度的二维凝胶中会更有效筛选，而黏着斑也可能在肿瘤再生细胞筛选过程中起机械信号转导作用。但在坚硬的微环境中，TRCs仍保持它们的柔软性，以便更有效的渗入不同的组织。肿瘤细胞经过内渗和外渗后，这一小部分TRCs可以最终存活下来并在其它组织中形成肿瘤细胞，这就导致了肿瘤的转移[34]。TRCs在柔软微环境中的增殖与之前报道坚硬基质可促进肿瘤进展相矛盾[31]，这说明机械微环境中癌症发展有着复杂机制。

3.伪足小体和肿瘤转移

细胞的迁移的过程很复杂，包括片状伪足的伸出、黏着斑的形成及稳定、细胞尾部黏着斑的解离以及细胞骨架的重新排列[35]。细胞迁移过程中细胞和细胞外基质之间的接触是呈动态变化的，有新的黏附形成也有黏附的解离，即黏着斑处于组装-解聚-再组装的周转状态。黏着斑解聚后得到的分解产物可被重复利用，招募到新形成的黏着斑处。细胞尾部的黏着斑发生解聚后，细胞的尾部才能与基质分离。

伪足小体（podosomes）和侵袭性伪足（invadopodia）常出现在侵袭性肿瘤细胞中，它们是动态的细胞基质接触结构。伪足小体和侵袭性伪足与黏着斑共用许多分子，但它们更加有动态性，且含有整联蛋白相关蛋白如桩蛋白和踝蛋白环绕肌动蛋白核心组成的特殊结构[36]。伪足小体同黏着斑一样是力感受器。肌球蛋白依赖性内源力可以通过伪足小体传递到胞外微环境中，在底物上产生强大的牵引力。反过来，微环境中的机械信号通过伪足小体传递给细胞内。侵袭性伪足存在于基质降解中，比黏着斑更活跃，可致癌症侵袭和转移[37]。

四、小结

多蛋白多功能的黏着斑是由许多不同的信号分子组成的，它在双向机械力传导中有重要功能。黏着斑有利于细胞与外基质的连接，方便外基质与肌动蛋白细胞骨架直接相连，在双向机械力传导中有重要作用，在结构上、功能上控制了细胞的形态及细胞的迁移能力。许多黏着斑蛋白被认为可当做机械传递子，例如，整联蛋白，踝蛋白，纽蛋白及桩蛋白。

如今肿瘤转移及肿瘤治疗抵抗是肿瘤研究中亟待解决的问题。肿瘤治疗过程中出现的细胞黏附介导的放疗抵抗（cell adhesion-mediated radioresistance,CAMRR）和黏附介导的药物抵抗（cell adhesion-mediated drug resistance,CAMDR）的分子机制研究有一定的进展。多项研究已表明在放射治疗获得性抵抗表型中，整联蛋白作为细胞受体对细胞与外基质环境的相互联系十分重要[38-40]。

纵观前景，对恶性肿瘤细胞外基质硬度的影响、机械力传导、黏着斑在细胞迁移中发挥的关键作用的分子机制的阐明，可以帮助我们找到削弱肿瘤细胞侵袭和转移能力的方法，阻止癌细胞的扩散与侵袭，寻找潜在肿瘤治疗干预靶点，最终为肿瘤的治疗提供新的治疗手段及延长预后。

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