黏着斑激酶和踝蛋白在黏着斑合成代谢中的作用

中国医药生物技术2015年8月第10卷第4期ChinMedBiotechnol,August2015,Vol.10,No.4DOI:10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2015.04.0??·综述·黏着斑激酶和踝蛋白在黏着斑合成代谢中的作用陈真，许贤林细胞的运动迁移是一个多因素调控的动态过程，涉及整合素的活化和黏着斑的合成代谢。近年来，有关黏着斑的合成代谢的理论研究取得了实质性进展，且对于黏着斑合成代谢中关键蛋白黏着斑激酶（focaladhesionkinase，FAK）及踝蛋白（talin）的研究也越来越深入。本文就黏着斑的生物学特性，FAK及talin在黏着斑合成代谢中的作用展开综述。1黏着斑的生物学特性1.1黏着斑概述黏着斑是细胞质膜相关的大分子蛋白复合物，根据黏着斑的大小和在细胞中的定位可分为初始黏着斑、黏着斑相关蛋白复合物和成熟黏着斑。细胞内不同类型黏着斑的分布取决于细胞种类、细胞外基质组成和机械特性[1]。黏着斑通过整合素连接细胞内外[2]。整合素作为细胞与细胞外基质之间的桥梁，对细胞增殖、肿瘤发生发展和转移等都起到重要作用[3]。整合素是异二聚体，含有α、β两个亚基。整合素α亚基胞外区与细胞外基质蛋白结合后，细胞膜上的整合素随即聚集成簇，激活整合素相关蛋白激酶，启动下游信号通路[4]。黏着斑的组成和结构十分复杂，目前已知有180多个蛋白和黏着斑的合成有关[5-6]。整合素和细胞外基质蛋白发生作用后，许多信号蛋白和结构蛋白募集到黏着斑上。黏着斑上的信号蛋白包括：FAK蛋白家族、类固醇激素受体共活化因子（sceroidrecptorcoactivator，Src）、P130cas等。由于整合素本身缺少酶活性，这些黏着斑上的信号蛋白在将细胞外各种刺激信号传递到细胞内的过程中起着至关重要的作用。例如，整合素介导的FAK、Src活化，可以激活Rho家族的鸟苷三磷酸酶，而Rho家族的鸟苷三磷酸酶则是调控肌动蛋白合成的关键蛋白[7-8]。黏着斑上的结构蛋白包括talin、桩蛋白（paxillin）、纽蛋白（vinculin）和斑联蛋白（zyxin）等，可以连接于其他黏着斑蛋白和肌动蛋白。例如，与细胞外基质相连的整合素可以将衔接分子talin募集到黏着斑上，talin有另一个结构蛋白vinculin的结合位点，而vinculin又连接到肌动蛋白[9-10]。在黏着斑上的信号蛋白和结构蛋白的协同作用下，细胞外环境与细胞内结构完成了有效的信号传递（图1）[11]。1.2黏着斑与细胞的运动迁移作为细胞外基质蛋白和细胞内肌动蛋白连接的纽带，黏着斑整合细胞外信号，作用于下游信号网络，促进细胞内外图1黏着斑的组成和功能的相互作用，参与细胞运动迁移的过程。细胞的运动迁移影响了细胞形态发生的过程，对创伤修复、组织增生、肿瘤转移等多种生物学行为有广泛的作用。一般情况下，细胞的运动迁移开始于细胞膜的突起。这些细胞膜突起，包含大量的板状伪足、尖刺样的丝状伪足[12]。细胞前端新合成的黏着斑将肌动蛋白连接于基底部，维持细胞膜突起的稳定。继而，肌动蛋白收缩，细胞基底部牵引力产生。在肌动蛋白的收缩过程中，细胞末端黏着斑代谢分解，细胞随即向前运动迁移[13]。已完成细胞运动迁移使命的黏着斑在细胞末端代谢分解，分解产生的各种黏附蛋白参与新一轮黏着斑的合成[14]。来自初始或者成熟黏着斑的信号影响了细胞骨架的形成和肌动蛋白的聚合，而细胞骨架结构反过来促进了黏着斑的合成和代谢[13]。这种双向调控作用整合黏着斑、信号传递、机械应力和细胞支架组织的空间动力学，引导细胞定向运动。2FAK、talin与黏着斑的合成FAK是一个胞浆酪氨酸激酶，由于最早在黏着斑上被发现而得名。因其独特的自主活化和信号传导机制，FAK在细胞增殖、存活、运动和黏着斑信号传导过程中不容忽视[15]。Talin是一种细胞骨架肌动蛋白结合蛋白，是黏着斑的重要作者单位：213000苏州大学附属第三医院泌尿外科通信作者：许贤林，Email：[e-mail]收稿日期：2015-06-08中国医药生物技术2015年8月第10卷第4期ChinMedBiotechnol,August2015,Vol.10,No.4组成部分，维持了黏着斑结构和功能的稳定。以往的观念普遍认为，talin作为整合素的激活因子，存在于FAK的上游，对FAK的募集和活化有一定的作用[16]。然而，近几年的研究发现，FAK也能存在于talin的上游，FAK、talin的调控顺序取决于黏着斑的成熟状态[17]。2.1Talin与FAK的激活Talin是第一个被证实的整合素活化蛋白，是黏着斑的重要结构蛋白[18]。作为细胞骨架肌动蛋白结合蛋白，talin在膜蛋白与细胞骨架结构的偶连以及信号传递过程中起到了非常重要的作用。Talin能够直接连接整合素胞质尾区和FAK，并且能与整合素胞内结构域结合并影响整合素跨膜区的稳定，使整合素胞外段发生重排进而激活整合素[19]。作为整合素的活化蛋白，talin无疑也能激活整合素-FAK信号通路，而这一作用机制在肿瘤细胞中也已得到验证。有研究表明，talin能够结合到FAK的黏着斑靶向序列，进而活化FAK。Talin与FAK在黏着斑靶向序列的羧基端41aa区域结合。Talin与FAK结合后，促进FAK分子酪氨酸残基Y397的自动磷酸化活化FAK，参与黏着斑的功能及介导黏着斑相关信号通路转导[20]。2.2FAK促进talin募集到初始黏着斑整合素参与合成的黏着斑促进了细胞运动迁移的信号传递和功能表达。相关的研究已经阐明了黏着斑的蛋白组成，整合素活化机制，以及整合素如何作用于下游肌动蛋白细胞骨架。但是，具体的黏着斑的合成装配顺序依然不明确。FAK和talin是黏着斑合成过程中的两个关键蛋白，为了研究FAK与talin在黏着斑上的合成装配顺序，Lawson等[17]进行了深入的探索。他们用鼠胚胎成纤维细胞（mouseembryonicfibroblasts，MEFs）作为研究对象，在正常的MEFs细胞中，FAK和talin在初始黏着斑上都有表达。然而在FAK–/–的MEFs细胞中，细胞内talin蛋白水平表达正常，但初始黏着斑上却没有talin的表达。尽管FAK缺失，talin在稍后成熟黏着斑上却有更高表达。研究表明，FAK促进了talin募集到初始黏着斑的过程，成熟黏着斑募集talin不需要FAK的参与。3FAK、talin与黏着斑的代谢整合素、信号蛋白和结构蛋白组成的成熟黏着斑一部分保持稳定，参与细胞内外的信号传递和细胞黏附；一部分代谢分解，整合素受体、信号蛋白、结构蛋白在黏着斑代谢过程中被释放并回收利用，参与新一轮黏着斑的合成[21]。FAK、talin是黏着斑的重要组成蛋白，在黏着斑的代谢过程中，也有不可忽略的作用。3.1FAK与黏着斑代谢Webb等[22]研究发现，在FAK–/–的MEFs细胞中，黏着斑表达增加，而不是想象中的减少。他们还发现，FAK–/–的MEFs细胞中，黏着斑的代谢明显下降。但是在FAK重新表达的FAK–/–的MEFs细胞中，代谢速率又恢复正常。Ren等[23]研究发现，FAK通过降低GTPaseRho的活性，加快黏着斑的代谢，促进细胞的转移侵袭。以上研究结果明确了FAK在黏着斑代谢过程中的促进作用。3.2Talin与黏着斑代谢Franco等[24]研究发现，钙蛋白酶（calpains）介导的talin水解促进黏着斑的代谢过程，其他黏着斑组件paxillin、vinculin和zyxin的代谢也依赖calpain介导的talin水解能力。Critchley[25]和Huang等[26]研究证实了calpain2水解talin产生的talin头部在黏着斑代谢过程中的促进作用。他们发现smurf1介导的泛素化过程促进talin头部的代谢。与此同时，Cdk5能够磷酸化talin头部的Ser425位点，抑制smurf1对talin头部的作用。Talin对黏着斑代谢的促进作用显而易见。3.3FAK-talin聚合物与黏着斑代谢FAK、talin在黏着斑代谢中的作用是明确的，FAK上有talin的结合位点，两者能够形成聚合物。FAK、talin在黏着斑代谢过程中的作用是否独立，亦或是依赖FAK、talin形成聚合物进而促进黏着斑的代谢？Lawson等[17]做了这方面的探索。FAK-E1015A是talin连接位点的突变体，不能与talin结合，具有FAK的其他各项功能。用FAK-E1015A重构FAK–/–的MEFs，并没有促进黏着斑的有效代谢和细胞的运动迁移。在卵巢癌细胞系中敲除FAK基因，可以抑制talin头部的形成。重新表达FAK–/–的细胞系中的FAK，可以恢复talin头部形成的功能，而重新表达FAK-E1015A却未能达到同样的效果[17]。研究结果足以证实FAK对黏着斑代谢的促进作用必须依赖与talin的直接连接，FAK-talin聚合物是黏着斑代谢过程中的关键。4展望黏着斑是大分子复合物，在细胞运动迁移过程中的作用已经得到广泛的认同。近年来，有关黏着斑的研究取得了显著进展，黏着斑的微观动力学理论越来越完整充实，黏着斑合成代谢理论研究也越来越深入。FAK、talin作为黏着斑合成代谢过程中的关键蛋白，维持了黏着斑的结构和功能，在黏着斑合成代谢过程中的作用机制也渐趋明朗。尽管如此，有关FAK、talin及黏着斑仍有部分疑点等待解释，如FAK是如何被捕获和活化进而结合到黏着斑？不同细胞系和不同整合素是否影响黏着斑合成代谢过程？FAK-talin复合物的调节机制是什么？这些方面将会是该领域今后研究的重点和难点。参考文献[1]Vicente-ManzanaresM,ChoiCK,HorwitzAR.Integrinsincellmigration--theactinconnection.JCellSci,2009,122(Pt2):199-206.[2]DubashAD,MenoldMM,SamsonT,etal.Chapter1.Focaladhesions:newanglesonanoldstructure.IntRevCellMolBiol,2009,277:1-65.[3]FingerEC,GiacciaAJ.Hypoxia,inflammation,andthetumormicroenvironmentinmetastaticdisease.CancerMetastasisRev,2010,29(2):285-293.[4]BrakebuschC,FasslerR.beta1integrinfunctioninvivo:adhesion,中国医药生物技术2015年8月第10卷第4期ChinMedBiotechnol,August2015,Vol.10,No.4migrationandmore.CancerMetastasisRev,2005,24(3):403-411.[5]Zaidel-BarR,GeigerB.Theswitchableintegrinadhesome.JCellSci,2010,123(Pt9):1385-1388.[6]Zaidel-BarR,ItzkovitzS,Ma'ayanA,etal.Functionalatlasoftheintegrinadhesome.NatCellBiol,2007,9(8):858-867.[7]MitraSK,HansonDA,SchlaepferDD.Focaladhesionkinase:incommandandcontrolofcellmotility.NatRevMolCellBiol,2005,6(1):56-68.[8]MitraSK,SchlaepferDD.Integrin-regulatedFAK-Srcsignalinginnormalandcancercells.CurrOpinCellBiol,2006,18(5):516-523.[9