南京醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院,江蘇 南京 210029

細(xì)胞骨架與細(xì)胞遷移研究進(jìn)展

秦偉王婷*

南京醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院,江蘇 南京 210029

細(xì)胞遷移在腫瘤轉(zhuǎn)移中起著重要作用，遷移的物質(zhì)基礎(chǔ)是微絲、微管和中間絲。微絲、微管以及各種輔助蛋白一起維持著細(xì)胞遷移過程的動態(tài)平衡。許多信號分子都參與和調(diào)節(jié)了這個過程，如 Rho GTPases 家族、MAPK 家族的激酶和FAK 激酶等，它們共同組成了復(fù)雜的調(diào)控細(xì)胞遷移的信號網(wǎng)絡(luò)。本文主要綜述了細(xì)胞骨架及其在細(xì)胞遷移中的變化以及調(diào)控此種變化的分子機(jī)制。

細(xì)胞骨架；細(xì)胞遷移；綜述

1 細(xì)胞骨架概況

細(xì)胞骨架是真核細(xì)胞中與維持細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)和細(xì)胞運(yùn)動有關(guān)的纖維網(wǎng)絡(luò)，它決定著細(xì)胞的形態(tài)，由微絲(microfilaments)、微管(microtubules)和中間絲(intermediate filaments)組成。它們均由單體蛋白以較弱的非共價鍵結(jié)合在一起，構(gòu)成纖維型的多聚體，易于進(jìn)行組裝和去組裝，這正是實(shí)現(xiàn)其功能所必需的。

1.1 微管 微管是一種帶有極性的細(xì)胞骨架，直徑25nm左右。它是由α，β兩種微管蛋白亞基結(jié)合形成微管蛋白二聚體，再由微管蛋白二聚體組成的中空長管狀細(xì)胞器結(jié)構(gòu)。微管具有維持細(xì)胞形態(tài)、輔助細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)墓δ?，且可與其他蛋白共同結(jié)合生成多種結(jié)構(gòu)如紡錘體、中心粒、鞭毛、纖毛、神經(jīng)管等結(jié)構(gòu)[1]。

微管具有生長速度較快解離速度較慢的(+)端和生長速度較慢解離速度較快的(-)端，另外它還是兩種運(yùn)載分子驅(qū)動蛋白(kinesin)和動力蛋白(dynein)的行走軌道，與胞漿內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)輸有關(guān)。黏著斑是黏著斑蛋白(Vinculin)將微絲固定到細(xì)胞膜上形成的，當(dāng)細(xì)胞遷移時，微管連同附在其上的動力蛋白可能會釋放信號，促進(jìn)黏著斑的解聚，而后者是黏著斑的周轉(zhuǎn)和其尾部與底質(zhì)分離過程中重要的一步[2, 3]。

1.2 微絲 微絲(microfilaments)是由兩股方向相同的肌動蛋白絲以螺旋的形式組成的纖維，呈圓筒狀，是細(xì)胞骨架的主要成分之一，其直徑約7nm。微絲和它的結(jié)合蛋白(association protion)以及肌球蛋白(myosin)三者構(gòu)成化學(xué)機(jī)械系統(tǒng)，利用化學(xué)能進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動，具有收縮功能。微絲的延長為細(xì)胞的運(yùn)動和遷移性轉(zhuǎn)移提供動力。微絲能被組裝和去組裝，交聯(lián)蛋白(cross-linking protein)有兩個以上肌動蛋白結(jié)合位點(diǎn)，起到連接微絲的作用[4]。

1.3 中間纖維 中間纖維(intermediate filaments，IF)直徑10nm左右，主要起支撐作用，是最穩(wěn)定也是最復(fù)雜的細(xì)胞骨架成分。不同于微管和微絲，中間纖維是非極性的，不能支持分子有方向性的運(yùn)動。大多數(shù)細(xì)胞中含有一種中間纖維，少數(shù)細(xì)胞含有2種以上。中間纖維具有組織特異性，不同類型的細(xì)胞含有不同的IF蛋白。近年來研究表明，腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移后仍保留有源細(xì)胞的IF，因此可用IF抗體來鑒定腫瘤細(xì)胞的來源。

2 細(xì)胞遷移及其調(diào)控因子

細(xì)胞遷移是生物體的一個十分重要的生命過程，一般把細(xì)胞遷移的過程大致分成以下4步：①細(xì)胞前端伸出板狀偽足；②偽足于細(xì)胞外基質(zhì)形成新的黏著斑；③細(xì)胞體收縮；④細(xì)胞尾端和周圍基質(zhì)的黏著斑解離致細(xì)胞向前運(yùn)動。細(xì)胞遷移在腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移中必不可少，而細(xì)胞定向運(yùn)動同樣需要細(xì)胞骨架，尤其是由肌動蛋白組成的微絲骨架的參與。肌球蛋白的收縮、肌動蛋白的聚合、細(xì)胞的黏附都會影響細(xì)胞的遷移。其中肌動蛋白收縮和聚合的協(xié)同作用調(diào)控機(jī)制以及活體中肌動蛋白的動力學(xué)作用在此過程中也較為重要，進(jìn)而影響著腫瘤轉(zhuǎn)移的發(fā)生、發(fā)展。

肌動蛋白(Actin)有α、β、γ三種亞型，主要分布于真核生物細(xì)胞質(zhì)中，也有少量存在于細(xì)胞核中，Actin根據(jù)其聚集狀態(tài)的不同可分為聚集的F-actin(filment-actin)和單體的G-actin(globule-actin)。在細(xì)胞前沿actin聚合產(chǎn)生的微絲的延長以及由肌球蛋白介導(dǎo)的微絲在細(xì)胞尾部的收縮被認(rèn)為是動物細(xì)胞遷移的主要驅(qū)動力，在細(xì)胞的運(yùn)動過程中起了重要的作用[2-4]。Actin的聚合和解聚是由眾多的結(jié)合蛋白ABPs(actin binding proteins)來調(diào)節(jié)的，已經(jīng)分離的ABPs大約有162種，其中至少有12種是細(xì)胞膜結(jié)合蛋白，有9種是膜受體或離子載體，13種可交聯(lián)微絲，其余的主要是起連接微絲與微管或微絲與中間絲的作用[5]。

Profilin：Profilin是廣泛存在于真核細(xì)胞中的一種小分子量的肌動蛋白結(jié)合蛋白，能夠調(diào)控肌動蛋白的聚合和解離狀態(tài)。它與ADP-G-actin結(jié)合的親和力較高，當(dāng)收到信號通路傳來的信號時能夠促進(jìn)ADP向ATP轉(zhuǎn)變，從而維持細(xì)胞內(nèi)ATP-G-actin數(shù)量的穩(wěn)定，加快微絲的生長速度[6]。

Arp2/3 復(fù)合物：Arp2/3復(fù)合物是一種由兩個與actin相關(guān)的蛋白(Arp2和Arp3)和五個其它蛋白組成的七蛋白復(fù)合體，位于細(xì)胞膜的波動邊緣，它能夠與F-actin的側(cè)面結(jié)合。由于它與actin在結(jié)構(gòu)上具有同源性，能夠促使actin成核，因此能制造F-actin的分支點(diǎn)，使微絲產(chǎn)生新的F-actin分支。板狀偽足(lamellipodia)中微絲聚合就是Arp2/3復(fù)合物介導(dǎo)的，它可在數(shù)秒內(nèi)組裝微絲[7]。

ADF/cofilin家族：ADF/cofilin家族均為actin解聚因子，它們都可以提高肌動蛋白單體的水平，且都可以與F-actin以1：1的摩爾比結(jié)合。ADF(actin depolymerizing factor)主要位于上皮細(xì)胞和神經(jīng)元細(xì)胞中，cofilin有兩個亞型，分別是cofilin-1和cofilin-2，前者主要位于肌肉細(xì)胞中，而后者主要位于非肌肉細(xì)胞中[2]。Cofilin是一種細(xì)胞分化調(diào)節(jié)因子，細(xì)胞靜止時，主要位于細(xì)胞質(zhì)中，細(xì)胞運(yùn)動時則分布于細(xì)胞膜的邊緣[8]。ADF/cofilin能夠與微絲的亞尖端結(jié)合，提高actin單體的解離速率，并減緩ADP-G-actin復(fù)合物中核苷酸的交換，及向ATP-G-actin的轉(zhuǎn)變，從而抑制actin重新組裝成微絲[9]。ADF/cofilin還能夠?qū)-actin進(jìn)行剪切，從而產(chǎn)生更多的actin聚合位點(diǎn)，促進(jìn)微絲的組裝。ADF/cofilin位于正在遷移的細(xì)胞的前端，能夠降解已存在的微絲并為新的微絲提供生長所需要的游離G-actin，這對細(xì)胞的運(yùn)動非常重要。另外，cofilin還具有去分支作用，可和Arp2/3 復(fù)合物競爭與actin的結(jié)合，對其進(jìn)行抑制[7-9]。

3 細(xì)胞遷移中的傳導(dǎo)通路

FAK：黏著斑激酶，大部分的FAK存在于黏著斑中，少部分的FAK存在于細(xì)胞質(zhì)中。FAK為非受體酪氨酸激酶，與細(xì)胞骨架的動態(tài)變化和黏著斑的解離有關(guān)，主要參與腫瘤細(xì)胞的遷移、黏附和侵襲功能，是腫瘤細(xì)胞信號網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[10]。當(dāng)FAK在細(xì)胞內(nèi)接收到各種刺激信號后,作為傳感器通過下游復(fù)雜的信號網(wǎng)絡(luò)影響細(xì)胞骨架、黏著斑和細(xì)胞膜的突出，最終影響細(xì)胞遷移和侵襲能力[11]。最近研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AK-Tyr397的磷酸化能夠使FAK 在黏著斑上的滯留時間增加，使細(xì)胞尾部黏附的微絲解離，促進(jìn)細(xì)胞的遷移[12]。

Rho GTPases：Rho GTPases是一類Rho家族中的有GTP酶活性的蛋白，目前已發(fā)現(xiàn)有20多個Rho家族的成員，其中RhoA、Rac1和Cdc42最為常見[13]。Rho GTPases與GDP結(jié)合無活性，而與GTP結(jié)合則呈激活狀態(tài)。Rho GTPases通過非常復(fù)雜的信號通路控制著細(xì)胞的某些最基本的生物功能，如細(xì)胞極化、細(xì)胞運(yùn)動和細(xì)胞分裂等。Rho GTPases通過控制細(xì)胞骨架蛋白的聚集和解離，在細(xì)胞的極化和遷移過程中起到了中心樞紐的作用[14]。Rho GTPases還控制著微絲的組裝。Rho主要在遷移細(xì)胞的中部和尾部發(fā)揮功能，負(fù)責(zé)指導(dǎo)細(xì)胞尾部黏附的蛋白釋放和細(xì)胞體的收縮[15]，并可調(diào)控細(xì)胞微管骨架，是調(diào)節(jié)遷移的關(guān)鍵分子[16]。

MAPKs：MAPKs(mitogen-activated protein kinases)家族包括JNK(Jun N-terminus kinase)、P38和ERK(extracellular signal-regulated kinase)等，它們在結(jié)構(gòu)上的共同點(diǎn)是在激酶區(qū)都包含Thr-x-Tyr序列。MAPKs主要介導(dǎo)了細(xì)胞外部信號傳導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi)部的過程，是細(xì)胞的遷移過程所必需的物質(zhì)，所有的真核細(xì)胞內(nèi)都有若干條MAPKs通路作為重要的信息傳遞途徑，以應(yīng)對細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境的變化[17]。當(dāng)JNK、P38和ERK通道被激活后，會引起微絲的重排和相應(yīng)的細(xì)胞形態(tài)改變。研究表明，P38參與了生長因子和細(xì)胞因子介導(dǎo)的細(xì)胞遷移，其與ERK通路共同調(diào)節(jié)微絲重排時細(xì)胞的遷移能力，但是其作用機(jī)制尚不十分清楚[16]。ERK是細(xì)胞運(yùn)動過程中重要的調(diào)節(jié)因子，它通過不同的途徑調(diào)節(jié)細(xì)胞的遷移。它通過磷酸化MLCK增加其活性，使MLCK 能進(jìn)一步磷酸化來激活myosinⅡ，從而促進(jìn)微絲的收縮，加速細(xì)胞的遷移過程[11]。ERK還通過磷酸化m-calpain參與黏著斑的解聚過程，并能通過多種途徑影響細(xì)胞的粘附過程[10]。

PI3K:PI3K活化后產(chǎn)物PtdIns(3,4,5)P3在細(xì)胞膜上聚集后，能促進(jìn)細(xì)胞極化的過程，進(jìn)而與PI3K一同調(diào)節(jié)細(xì)胞的遷移過程。在許多細(xì)胞中，PtdIns(3,4,5)P3都能夠顯著提高GTP-Rac的水平。具體機(jī)制是PtdIns(3,4,5)P3直接與Rac鳥嘌呤核苷酸交換因子(Rac-GEF)結(jié)合，激活Rac并使活化的Rac在細(xì)胞遷移方向上積累，活性的Rac1(即Rac1-GTP)進(jìn)一步增強(qiáng)PI3K的活性，形成一個正反饋循環(huán)，激活A(yù)rp2/3復(fù)合體，進(jìn)而啟動actin的聚合促進(jìn)細(xì)胞的遷移[18]。

4 結(jié)語

細(xì)胞遷移在腫瘤轉(zhuǎn)移中起著重要作用，盡管近年來對細(xì)胞遷移分子機(jī)制的研究取得長足進(jìn)展，但仍有很多問題需要解決——如遷移過程中黏附的建立和解離的精細(xì)調(diào)節(jié)機(jī)制，微絲和微管在遷移中的相互協(xié)調(diào)作用機(jī)制等。對細(xì)胞遷移的分子機(jī)制不斷深入認(rèn)識不僅有助于一些生理現(xiàn)象的進(jìn)一步闡明，同時也將為治療腫瘤的藥物開發(fā)提供更多新的思路。

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秦偉，南京南科大學(xué)藥學(xué)院2012級本科生。

王婷，博士，副教授，研究方向：腫瘤分子生物學(xué)。E-mail:wtdyy1102@hotmail.com

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