第二节 细胞黏着及其分子基础
同种类型细胞间的彼此黏着是许多组织结构的基本特征。实验表明，细胞可以特异性识别某些细胞的表面，并与其选择性地相互作用而忽视另一些细胞。如将发育中的鸡胚或两栖类胚胎组织取出并解离制备成单细胞悬液，然后将不同器官来源的细胞混合以研究在培养条件下细胞重新聚集的情况。结果发现，两种不同器官来源的细胞最初聚集形成混合的细胞团块，经过一段时间后，同一器官来源的细胞相互识别、黏着，最后从混合团块中自行分选出来。这就是同类细胞的识别与黏着(图16-9)。同种组织类型细胞的黏着甚至超越物种的界限，如鼠肝细胞倾向于与鸡肝细胞黏着，而不与鼠肾细胞黏着。在发育过程中，细胞间的识别、黏着、分离以及迁移对胚胎发育及形态建成具有重要作用。无论是受精，还是胚泡植入、形态发生、器官形成或成体结构与功能的维持，都离不开细胞识别与黏着。在胚胎发育过程中，具有相同表面特性的细胞通过特异性识别并黏着在一起形成三个不同胚层：内胚层、中胚层和外胚层。在器官形成过程中，同样通过细胞识别与黏着使具有相同表面特性的细胞聚集在一起形成组织和器官。
细胞识别与黏着的分子基础是细胞表面的细胞黏着分子( cell adhesion molecule，CAM)。细胞黏着分子都是整合膜蛋白，介导细胞与细胞间的黏着或细胞与细胞外基质间的黏着。这种黏着不仅将细胞连结成组织，而且提供了细胞与周围环境双向通信的基础。目前已在高等动物发现很多种细胞黏着分子。这些分子通过三种方式介导细胞识别与黏着：相邻细胞表面的同种黏着分子间的识别与黏着(同亲型结合)；相邻细胞表面的不同黏着分子间的相互识别与黏着(异亲型结合)；相邻细胞表面的同种黏着分子借助其他衔接分子的相互识别与黏着(衔接分子依赖性结合)。根据其结构与功能特性，细胞黏着分子分为4大类：钙黏蛋白、选择素、整联蛋白及免疫球蛋白超家族。细胞黏着分子多数需要依赖Ca2或Mg2才起作用，这些分子介导的细胞识别与黏着还能在细胞骨架的参与下，形成细胞连接，如桥粒半桥粒、黏着带以及黏着斑等结构(表16-1)。
一、钙黏蛋白
钙黏蛋白( cadherin)是一种同亲型结合、Ca2依赖的细胞黏着糖蛋白，对胚胎发育中的细胞识别、迁移和组织分化以及成体组织器官构成具有重要作用。最先发现的钙黏蛋白常根据其发现的组织类型命名，如上皮组织中的钙黏蛋白称E-钙黏蛋白，神经组织的称N钙黏蛋白，胎盘及表皮细胞的称P-钙黏蛋白。表16-2列出了钙黏蛋白家族部分成员及其分布。这些钙黏蛋白又称为典型钙黏蛋白，具有细胞黏着和信号转导功能，其胞内或胞外结构域在序列组成上高度相似。而非典型钙黏蛋白在序列组成上差异较大，主要功能是介导细胞黏着，包括分布于大脑的原钙黏蛋白( protocadherin)以及形成桥粒连接的桥粒芯蛋白和桥粒芯胶黏蛋白。目前已在人类中发现了约200种钙黏蛋白成员。
典型钙黏蛋白胞外部分形成5个重复结构域( cadherin repeat)，非典型钙黏蛋白胞外部分一般有4~5个重复结构域，个别甚至高达30个重复结构域每个重复结构域类似一个刚性结构，它们之间是具有定韧性的铰链区域，铰链区是Ca2结合位点。有模型认为，钙黏蛋白胞外(N端)最后一个重复结构域形成一个把手样结构和口袋状结构，当Ca2结合在重复结构域之间的铰链区域后，赋予了整个钙黏蛋白胞外部分的网性，使得一个细胞钙黏蛋白的把手样结构和另一个细胞钙黏蛋白的口袋状结构彼此“嵌合”在一起，从而实现Ca2依赖性的细胞黏着。而去除Ca后，钙黏蛋白铰链区变得松软，胞外部分刚性随之变小，同时，N端构象发生改变，钙黏蛋白彼此间的嵌合力降低(图16-10)。
因此，阳离子螯合剂EDTA能破坏Ca2或Mg2依赖性的细胞黏着。钙黏蛋白胞内结构域为微丝或中间丝提供了销定位点，它们之间的相互连接是非直接性的，依赖连环蛋白等衔接。
钙黏蛋白介导高度选择性的细胞识别与黏着。通过调控钙黏蛋白的种类与数量能影响细胞间的黏着与迁移，从而影响组织分化。如外胚层发育成神经管时，神经管细胞停止表达E-钙黏蛋白转而表达N-钙黏蛋白而当神经嵴细胞从神经管迁移出来时，神经嵴细胞则很少表达N-钙黏蛋白，转而主要表达钙黏蛋白一-7。E-钙黏蛋白是哺乳动物发育过程中第一个表达的钙黏蛋白，当小鼠发育进入八细胞胚胎时期，E-钙黏蛋白的表达将松散联系的分裂球细胞变成紧密黏合的细胞。若用E钙黏蛋白的抗体处理胚胎细胞，则会阻止分裂球细胞间的紧密黏合。如果E-钙黏蛋白突变，将会导致胚胎细胞的分离和死亡上皮细胞转型为间质细胞或间质细胞转型为上皮细胞是一个受控的可逆过程，称之上皮一间质转型( epithelia- mesenchymal transition，EMT)，其分子机制涉及E-钙黏蛋白的表达与否。表达E钙黏蛋白后，分散的间质细胞会聚集在一起形成上皮组织；不表达E钙黏蛋白的上皮细胞则改变其命运，从上皮组织迁移出来形成游离的间质细胞。E-钙黏蛋白的表达既受启动子区甲基化影响，又受多种转录调控因子如 Snail、Slug、Twist等的负调控而起抑制作用。这种上皮一间质转型是细胞转分化的一种方式，在胚胎发育、器官的细胞更新和再生，以及某些多能干细胞的分化等过程中均发挥重要的生理作用。我们知道，大多数肿瘤起源于上皮组织，当肿瘤细胞逃逸原发上皮组织而入侵其他组织时，就成为恶性肿瘤。上皮组织获得侵润和转移能力是细胞癌变的关键特征，所以癌细胞演进与EMT有关。此外，医学上脏器纤维化病变也与EMT有关，例如与肾纤维化病变直接相关的肾间质成纤维细胞绝大多数由肾上皮细胞经EMT而来。
二、选择素
20世纪60年代，人们发现从外周淋巴结中分离出来的淋巴细胞经过放射性标记后注射到体内，这些淋巴细胞会回到它们最初衍生出来的位点，这种现象称为淋巴细胞归巢”( lymphocyte homing)。之后又发现这种归巢现象能在体外进行研究，让淋巴细胞黏附到淋巴器官组织的冰冻切片上。在实验条件下，淋巴细胞会选择性地黏附在外周淋巴结小静脉的内皮上。淋巴细胞与小静脉的结合可以被抗体阻断，这些抗体与淋巴细胞表面上特异的糖蛋白结合，这种糖蛋白后来被称为L一选凝素(L- selectin)。
选凝素( selectin)是一类异亲型结合、Ca2依赖性的细胞黏着分子，能与特异糖基识别并结合。除了L选凝素外，还有位于血小板和内皮细胞上的P-选凝素以及位于内皮细胞上的E-选凝素。选凝素是跨膜蛋白其胞外部分具有高度保守并能识别其他细胞表面特异性寡糖链的凝集素( lectin)结构域(图16-11A)。选凝素主要参与白细胞与血管内皮细胞之间的识别与黏着，帮助白细胞经血流进入炎症部位。在炎症病灶部位，血管内皮细胞表达选凝素，被白细胞识别(依靠自身寡糖链)。由于选凝素与白细胞表面糖脂或糖蛋白的特异糖侧链亲和力较小，加上血流速度的影响，白细胞在血管中黏着一分离一再黏着一再分离，呈现滚动式运动，直到活化自身整联蛋白后，最终才与血管内皮细胞较强地结合在一起，并于相邻的血管内皮细胞间内皮间隙进入组织(图16-11B)。白细胞就是以这种机制富集到炎症发生的部位。
三、免疫球蛋白超家族
免疫球蛋白超家族( (immunoglobulin superfamily， IgSF)指分子结构中具有与免疫球蛋白类似结构域的细胞黏着分子超家族。其中有的介导同亲型细胞黏着，有的介导异亲型细胞黏着，但免疫球蛋白超家族成员介导的黏着都不依赖于Ca2，其中了解最多的是神经细胞黏着分子( neural cell adhesion molecule，NCAM)，它在神经组织细胞间的黏着中起主要作用。不同的NCAM由单一基因编码，但由于其mRNA拼接不同和糖基化各异而产生20余种不同的NCAM。分析发现，所有神经细胞黏着分子的胞外部分都有5个免疫球蛋白样的结构域( Ig-like domain)，如图16-12所示。
大多数IgSF细胞黏着分子介导淋巴细胞和免疫应答所需要的细胞(如巨噬细胞、淋巴细胞和靶细胞)之间的黏着。但是，一些IgSF成员如VCAM(血管细胞黏着因子)、NCAM和L1介导非免疫细胞的黏着，在神经系统发育中有重要作用。因此，Ll基因的突变会产生破坏性的后果。典型的病例是新生婴儿患有致死性的脑积水。Ll缺失病患者的尸体解剖发现，他们常常失去两条大的神经管道，一条往返于脑的两半球之间，另一条往返于脑和脊髓之间。这两条神经管道的缺失表明L1参与胚胎神经系统中轴突的生长。
四、整联蛋白
整联蛋白( Integrin)普遍存在于脊椎动物细胞表面，属于异亲型结合、Ca2或Mg2依赖性的细胞黏着分子，主要介导细胞与胞外基质间的黏着。整联蛋白由α、β两个亚基形成跨膜异二聚体(图16-13)。目前至少已鉴定出人有24种不同的a亚基和9种不同的β亚基，可与胞外基质配体结合，有时也与其他细胞表面配体结合(表16-3)。
整联蛋白通过与胞内骨架蛋白的相互作用介导细胞与胞外基质的黏着。如图16-5所示，大多数整联蛋白β亚基的胞内部分通过踝蛋白、α-辅肌动蛋白、细丝蛋白、黏着斑蛋白等与细胞内的肌动蛋白纤维相互作用，而胞外部分则通过自身结构域与纤连蛋白、层粘连蛋白等含有Arg-Gy-Asp(RGD)三肽序列的胞外基质成分结合，介导细胞与胞外基质的黏着。整联蛋白介导细胞与胞外基质黏着的典型结构有黏着斑和半桥粒。因此，如果细胞在含有RGD序列的合成肽的培养基中培养，由于合成肽的RGD序列与纤连蛋白中的RGD序列竞争性地结合在细胞表面的整联蛋白上，阻断细胞与纤连蛋白的结合，导致细胞不能贴壁和生长。据估计大约半数的整联蛋白含有结合RGD的结构域。RGD序列的发现开辟了以受体一配体相互作用为基础的新的治疗手段。
在病变的动脉中，血栓的形成会阻断血液流向器官，是造成心脏病发作或卒中的病因之一。血凝块的形成始于血小板的凝聚，而血小板的凝聚需要血小板特异的整联蛋白amB3与含RGD序列的可溶性血液蛋白(如纤维蛋白原， fibrinogen)的相互作用，后者作为衔接蛋白把血小板聚集在一起。动物实验表明，含RGD序列的肽可竞争性地阻止血小板整联蛋白与纤维蛋白原等结合，从而预防血凝块的形成。针对αmβ3整联蛋白的特异性抗体可防止接受高风险血管外科手术病人的血栓形成。
尽管特定的胞外基质蛋白可与多个不同的整联蛋白结合，一种整联蛋白也可与多个不同配体相结合，但不少整联蛋白表现出各自独特的功能，如a基因敲除小鼠表现为肾缺陷，a4基因敲除小鼠表现为心脏缺陷，a基因敲除小鼠表现为血管缺陷。
由于整联蛋白参与细胞信号转导，从而在调节细胞增殖、死亡、黏着、迁移以及生长等过程中发挥重要作用。整联蛋白参与的信号传递方向有“由内向外”( inside out)及“由外向内”( outside in)两种形式。研究发现，血小板及白细胞的整联蛋白往往以无活性的形式存在于细胞表面。当细胞内信号传递启动后，如PP2激活踝蛋白，引起踝蛋白与整联蛋白β链的结合能力增强，导致整联蛋白胞外构象的改变而增强与其他胞外配体的结合能力，最后介导细胞黏着。这种由细胞内部信号传递的启动而调节细胞表面整联蛋白活性的方式称为“由内向外”的信号转导。例如，血液凝固过程中，血小板结合于受损血管或被其他可溶性信号分子作用后引起细胞内信号的传递，诱导血小板膜上的amB3整联蛋白构象发生改变而被激活。活化的整联蛋白与血液凝固蛋白纤维蛋白原结合后导致血小板彼此粘连在一起形成血凝块。
整联蛋白还可作为受体介导信号从细胞外环境到细胞内的转导，这种方式称为“由外向内”的信号转导。
整联蛋白参与的这种信号转导现象最先发现于对肿瘤细胞的硏究。大多数正常细胞必须附着在胞外基质上才能生长，如果细胞不能贴附在胞外基质上就会停止分裂直至死亡，这种现象叫做锚定依赖性生长。然而，肿瘤细胞在不与胞外基质牢固附着的情况下仍然会继续生长。
正常贴壁细胞在悬浮培养时死亡是因为它们的整联蛋白不能与胞外基质配体相互作用，致使无法向细胞内传递救生信号”，而当细胞恶变时，它们的存活不再依赖于整联蛋白与配体的结合。现在知道，这种整联蛋白介导的“由外向内”的典型信号转导通路依赖细胞内酪氨酸激酶黏着斑激酶( focal adhesion kinase，FAK)。一旦与配体结合，整联蛋白就会快速与肌动蛋白骨架产生联系，并聚集在一起形成黏着斑。在黏着斑形成部位，还有结构蛋白如黏着斑蛋白、踝蛋自及α-辅肌动蛋白。此时，FAK借助踝蛋白等结构蛋白被募集到黏着斑部位，并相互磷酸化使彼此特异的酪氨酸带上磷酸基团，为细胞内酪氨酸激酶Src家族成员提供停泊位点。Src又使FAK其他酪氨酸带上磷酸基团，为胞内多种信号传递蛋白提供停泊位点，同时，Src激酶还活化黏着斑部位的其他蛋白(参见图16-5)。通过这种方式，信号不断向细胞内进行传递，调节细胞增殖、生长、生存凋亡等重要生命活动。
整联蛋白与传统的信号受体通过多种协同方式刺激细胞产生广泛的应答。如整联蛋白与生长因子受体共同作用，调节细胞生长、增殖。这种依赖细胞附着在胞外基质上才能生存、增殖的生物学意义可能确保细胞定位于适当的位置。
