整合素调控细胞生长周期的研究进展

彭 智 艾文兵

(三峡大学仁和医院神经外科，湖北 宜昌 443001)



·综述·

整合素调控细胞生长周期的研究进展

彭 智 艾文兵*

(三峡大学仁和医院神经外科，湖北 宜昌 443001)

整合素;细胞周期调控；生长因子

肿瘤是在内部遗传易感因素与外部环境致病因素相互作用下，在细胞的遗传物质及表观遗传物质水平，发生了足以致癌的突变及突变组合；这些突变驱动细胞持续的进入细胞周期进行有丝分裂、逃避凋亡、躲避细胞的生长接触抑制、躲避免疫抑制等，并使细胞获得与持续增长相适应的能量代谢异常、诱导肿瘤新生血管生长、缺氧与坏死等改变。深入探讨整合素在细胞生长周期的调控特点及相关参与因素，对于肿瘤疾病的治疗具有重要意义。

1 整合素在细胞周期调控中的作用

细胞周期的调控依赖于一系列细胞周期蛋白及其相关酶，后者主要通过对每一阶段调控点发挥作用，以影响细胞周期。第一个调控点主要在细胞周期的G1期发挥作用，有丝分裂信号和细胞外基质黏着斑转录信号(如AP-1)均可控制细胞周期蛋白D1(cyclin D1)的表达。cyclin D1与细胞周期依赖激酶(CDK4)结合使cyclin E转录，CDK2/cyclin E复合体的形成和视神经母细胞瘤蛋白(retinoblastoma protein，Rb)的磷酸化使黏着斑大量形成，一旦黏着斑的浓度达到阈值，细胞将跨过限制点进入S期。同时，有丝分裂将跨过负性调控因子，如细胞周期依赖的激酶抑制物(CKIs)p27 、p21蛋白可抑制CDK4/cyclin D复合物的形成。最后，CDK4/cyclin D复合物与下游CKIs的结合使复制黏着斑和后期增生的装配完成[1]。

整合素是一种广泛表达于细胞膜，介导细胞间黏附、细胞与外基质间信号传导的糖蛋白受体，由18个α亚基和8个β亚基构成，可构成24种异源二聚体。它可以通过感知细胞周围环境与机械属性的变化，将信号传导至细胞内，从而对细胞骨架和信号通路产生影响，可调整细胞周期的进程[2]。目前，已有150种以上的蛋白质被认为与整合素介导的信号通路有关，这些蛋白质被统称为黏着斑组成分子，其中就包括细胞骨架蛋白和细胞周期蛋白，二者均可参与细胞形态的调控，控制着细胞存活、增殖、分化、迁移。整合素对细胞黏附的重要调控点在G1 / S期。整合素间接聚合调节蛋白，如踝蛋、桩蛋白、粘着斑激酶(FAK)和小GTP酶，这些效应物调节细胞周期蛋白、CKIs以及所需的转录基因(如c-Jun和E2F)。整合素也参与有丝分裂纺锤体的形成，其在细胞增殖所起的作用非常重要，因此在没有整合素介导粘附的情况下，多细胞动物细胞不能进入细胞周期。

2 整合素和生长因子受体在细胞周期调控之间的相互作用

既往研究认为，生长因子是调控细胞周期，引发增生的惟一的经典模型。现已证实整合素的粘附也是后生动物细胞增殖的基本要求[3]。从细胞外基质到正常细胞无论整合素是隔离或基因缺乏，即使有生长因子存在都不能进入细胞周期，但是，这一过程不能独立于生长因子受体(GFRs)的触发增殖。对于增殖反应，GFRs和整合素调节的主要途径是PI3K/Akt信号，MEK / ERK和小GTP酶(RHO和RAC)途径。整合素在转录水平上也控制GFRs的表达：当表皮生长因子受体(growth factor receptors，EGFR)的蛋白质水平降低时，EGFR的下调导致整合素β1亚基低表达[4]。有研究结果显示，正常脑组织中无VEGFR表达，脑胶质细胞瘤中有VEGFR表达，主要表达于血管内皮细胞中，VEGF通过旁分泌途径刺激脑胶质细胞瘤的血管发生；VEGF的促血管发生作用既可通过血管内皮细胞的VEGFR直接产生，又可通过促进巨噬细胞的局灶浸润间接产生；VEGFR表达与脑胶质瘤恶性程度呈正相关[5]。整合素与GFRs还存在物理作用，整合素通过GFRs激活促有丝分裂信号，当无GFR配体时，整合激活的GFRs增加其内吞作用。然而，GFR磷酸化与整合素的作用只是暂时的，与生长因子介导的效果相比较差[6]。因此，需要对cyclin D1合成的Erk的持续活化，才能使GFRs和整合素结合一起。

3 整合素对Akt与Erk信号通路的调控

在众多细胞类型中，Akt信号通路与细胞间粘附相关。该途径可通过整合素与局部黏着斑激酶(FAK)作用，使其结合磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)的p85亚基，或通过Src的粘着斑蛋白复合物，成为细胞增殖中必涉及到的通路之一。然而细胞增殖同样需要Erk信号的激活。有学者发现，当瞬时转染的Mek转染到从ECM分离而悬浮的成纤维细胞中时，细胞增生可继续进行，但是当特定的PI3K抑制剂加入后，转染细胞不能进入S期[7]。而cyclin D1可通过不同的机制诱导黏着斑激活Akt和ERK信号通路，两者相互补充，使细胞通过G1/S期。

除了调节ELK1之外，Akt通过磷酸化丝氨酸/苏氨酸残基来控制乳腺叉头蛋白(FoxO3a)的转录活性，进一步诱导CKIs的p27和p21的转录[8]。AKT还可激活雷帕霉素复合物2(mTORC2)，刺激Skp2蛋白表达，形成部分的泛素连接酶复合物。总之，Akt的这些调节作用可导致p27蛋白和FoxO3a降解，从而使细胞周期进行[9]。整合素与Akt和Erk的相互作用抑制了p21/p27和FOxO3a的活性，改变了FOxO3a在细胞质和细胞核间转化的平衡。但目前FAK与整合素在链接中存在一定联系的详细机制尚未完全解决。

4 整合素通过对Rac的激活调控细胞周期

Rac属于GTP酶家族，与RhoA和Cdc42是该家族的3个主要成员，都与细胞周期调控相关。整合素激活RhoA和Cdc42后，通过不同的下游机制控制细胞周期。Rac1通过一系列效应器在细胞粘附和G1 / S转换中起重要作用。相比之下，RhoA蛋白则通过控制肌动蛋白应力纤维和细胞形态来影响细胞周期[10]。

整合素在形成黏着斑后，通过Fak/Src/p130Cas聚合Rac1到细胞膜。在这个复合体中，p130Cas聚合Rac1蛋白到粘着斑从而激活下游的信号。RAC可以通过DOCK180参Rac1与介导的细胞运动和迁移[11]，但具体是哪一个受体调控细胞周期目前尚未明确。整合素黏着斑激活后，小GTP酶可结合多种效应器。其中，Rac1的效应器是Pak1，后者可以通过磷酸化Raf和MEK1激活ERK途径。有学者发现，Pak1缺失的大鼠表现失明且脆弱，而Pak2敲除小鼠显示出早期胚胎致死[12]。这表明，参与细胞周期调控的亚型可能是Pak2。

Rac1完成激活后，可分离出的效应器JNK，通过支架蛋白、c-Jun、posh聚合和激活来调控细胞周期。乳腺上皮细胞增殖就是基于胶原附着和雌激素刺激Rac1/Jnk/c-Jun途径完成的[13]。 RAC1也可通过JNK2，磷酸化β-连环蛋白的S191和S605，后者激活Wnt信号通路。此外，RAC可以根据胃泌素刺激胃细胞β-连环蛋白与Pak1的相互作用诱导增殖，而且JNK2和Pak1的交叉可能通过多个受体，其中就包括Rac1和Wnt[14]。

RAC还通过控制抑制通路来影响细胞周期。RAC上调Skp2，导致p27蛋白的降解，并结合Rac介导的肌动蛋白聚合来发挥作用[15]。因此，在细胞周期的调控中，整合素是通过介导Rac的活化、影响有丝分裂信号并抑制CKIs发挥作用的。

5 整合素通过感知机械受力调控细胞周期

除了细胞微环境中化学信号的变化对细胞周期产生影响，机械刺激同样不容忽视。有学者发现，整合素存在于细胞膜，通过感知细胞内微环境变化的机械张力，将细胞外的物理信号传入细胞内，转化为化学信号[16]。这种压力作用与黏着斑的形成，肌动蛋白聚合，核结构的重建和整体细胞形态的改变相结合，共同影响细胞周期进程。

细胞外基质的弹性柔顺程度可控制Rac的活化和下游信号细胞周期蛋白A和D1的激活[17]。硬度较大的ECM增加黏着斑的合成，激活FAK和Erk信号，同时降低了EGFR刺激和Erk的活化的阈值，增加Erk信号传导途径众多基因的表达[18]。

粘连蛋白、踝蛋白都与整合素介导的张力依赖性增殖密切相关。在乳腺上皮细胞和乳腺癌细胞的培养物，踝蛋白在C-末端的棒状结构域与相对应于的尾端，是DNA合成的必要条件。踝蛋白缺陷型的CD4+ T细胞不能正常地增殖，由于缺乏F-肌动蛋白的聚合反应和抗原呈递细胞的接触，导致磷酸化的Akt，Erk和p38蛋白激酶不受踝蛋白消融。在黏着斑复合体的下游，细胞骨架介导细胞增殖。例如，synemin可以定位于粘着斑，调解肌动蛋白聚合并将磷酸酶PP2A隔离在细胞核，从而防止Akt的磷酸化，并允许细胞周期G1/S转换。

小GTP酶发挥具有关键性的张力感应作用，并将它们传送到细胞骨架，激活ERK和刺激cyclin D1表达。这个过程涉及多种机制参与，包括当Rho在G0，早G1期所诱导的cyclin D1表达。但是，细胞周期蛋白D保持一定浓度时，肌动蛋白细胞骨架不是细胞周期进程所必需的，在整合素信号和增殖控制细胞形状中发挥关键作用是调节细胞周期蛋白D。

整合素黏着斑通过激活Rock，磷酸化TSC2，从而提高mTORC1蛋白质的翻译水平，并允许细胞周期蛋白进展到S期。在胚胎干细胞中，Rock通过PI3K/Akt信号通路和Ras/ ERK信号通路促进细胞增殖。在皮肤中激活的Rock促进细胞外基质的分布，从而反馈于表皮细胞，促进β-连环蛋白介导的细胞增殖和肿瘤生长。

综上所述，整合素与GFRs在细胞周期的调控间具有协同关系，Rac是整合素介导调控的核心蛋白，但其是如何聚合到黏着斑，与GEFs相互作用并触发其下游信号的具体机制尚未明确。adhesome内整合胞浆尾部可以链接到下游增殖信号通路中哪个分子、哪种黏着斑被磷酸化或通过的GFRs转入胞内等相关问题仍有待进一步研究。

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(本文编辑:欧阳菁)

10.3969/j.issn.2095-9664.2015.05.022

湖北省卫生厅科研重点项目(JX5A09)

彭 智(1980-),男，本科，副主任医师。

A 文章编号：2095-9664(2015)05-0085-03

2015-06-15)

研究方向：脑血管病、颅脑损伤。

*通讯作者：E-mail：16197930@qq.com