细胞粘附与细胞周期调控
作者：董凌莉 刘文励
单位：430030 武汉，同济医科大学附属同济医院
关键词：
中华血液学杂志000722 细胞生长及存活大多需要粘附于细胞外基质(ECM)，若阻止细胞粘附，则引起细胞生长阻滞或凋亡。而细胞由粘附依赖性向非粘附依赖性的转变意味着肿瘤源性的转化。细胞通过粘附于ECM而导致细胞内传导通路的激活，继而细胞由G1期进入S期。我们就细胞粘附调节细胞周期的关键机制及决定这一调节的信息传递等方面的进展作一综述。
细胞周期最关键的调控点是G1与S期之间的调控点(restriction point, R点)。其中心是视网膜母细胞瘤蛋白(retinoblastoma protein, Rb)，它受细胞周期蛋白(cyclin)与细胞周期蛋白依赖性激酶(cyclin dependent kinase,CDK)复合物及对这些复合物的功能进行调控的CDK活化激酶(CDK activating kinase, CAK)和CDK抑制物(CDK inhibitor, CKI)的调节。磷酸化的Rb通过释放其结合并抑制的蛋白E2F，导致靶基因表达，从而使细胞由G1期进入S期[1]。生长因子刺激周期蛋白D、E的表达，继而激活CDK，使Rb磷酸化。随着人们对生长因子与细胞周期之间分子信息传递的了解，细胞粘附对细胞的刺激效应也逐渐被认识。
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1 细胞粘附对细胞周期调控元件的影响
1.1 细胞粘附可诱导、翻译周期蛋白D1 mRNA表达：Zhu等[2]用Nothern blot检测NIH-3T3细胞在粘附状态和悬浮状态下周期蛋白D1 mRNA水平，发现其在前者比后者高3～5倍，晚G1期细胞在悬浮时周期蛋白D1不表达而在粘附时表达阳性。为进一步研究周期蛋白D1与Rb磷酸化在细胞由G1期进入S期中的关系，Zhu等[2]又将带有周期蛋白D1基因的逆转录病毒载体转染NIH-3T3细胞，使其持续表达周期蛋白D1。即使将转染后的NIH-3T3细胞置于悬浮状态下，其强迫表达的周期蛋白D1能使Rb保持磷酸化状态，且能克服失去粘附引起的G1期阻滞而进入S期。粘附依赖性周期蛋白D1的表达能诱导持续性细胞外信息激酶(extracellar signal-regulated kinase,ERK)活性，而生长因子仅诱导瞬间ERK活性[3]。
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1.2 细胞粘附可激活周期蛋白E-CDK2活性：悬浮状态下周期蛋白E-CDK2激酶活性较粘附状态下明显减低，这一效应不能用周期蛋白E或其复合物水平变化来解释，因为周期蛋白E及CDK2的表达是非粘附依赖性的，但与其结合的CKI:P21和P27则受粘附影响。Western blot法分析发现悬浮状态下P21、P27水平较粘附状态下高3倍和2倍。因此，粘附依赖性周期蛋白E-CDK2活性是通过调节P21和P27来实现的[2，3]。
1.3 周期蛋白A mRNA的表达依赖于细胞粘附：NRK、NIH-3T3以及胚胎纤维母细胞在悬浮状态下不表达周期蛋白A，因此进入S期必须的周期蛋白A表达也需要细胞粘附。在正常细胞中周期蛋白A的表达始于周期蛋白D、E和CDK表达之后，其mRNA及蛋白质于G1末期开始出现。周期蛋白A基因的启动子包含细胞周期调控区域(cell cycle responsive element or cell cycle dependent element，CCRE/CDE)，即E2F结合位点，它的表达使Rb磷酸化，释放E2F，诱导E2F依赖基因的转录[2，4]。
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1.4 生长因子与ECM协同作用促进Rb磷酸化：Rb的磷酸化依赖于生长因子，G1期细胞Rb磷酸化与细胞周期由生长因子依赖向非生长因子依赖转变有关，因此，Rb是生长因子控制细胞周期进程的关键分子。但若将人类成纤维细胞置悬浮状态，即使用可溶性丝裂原物质内皮生长因子(EGF)刺激仍不能完成G1到S期的转化。G1期细胞Rb磷酸化同时需要生长因子和ECM的作用。在人类成纤维细胞及NIH-3T3细胞中，单独一种刺激不足以使Rb磷酸化。细胞生长因子诱导c-myc和c-fos表达，使细胞由G0期进入G1期，而粘附则诱导晚G1期细胞组蛋白H4和胸腺嘧啶脱氧核苷酸酶(TK)的表达以进入S期[5]。
2 细胞粘附调控细胞周期的信息传递
整合素(Integrin)是ECM主要成分纤维粘连蛋白(Fn)及层粘连蛋白(LN)间相互作用的膜受体，它是由α、β亚基组成的跨膜蛋白，β亚基胞内区则与细胞骨架蛋白α-actin、Talin、Vinculin相连，这些骨架蛋白又与同其一起分布于细胞膜、相对分子质量为125×103的粘着斑激酶(foacal adhesion kinase，FAK)相互作用。这样，当细胞与ECM粘连，整合素聚集成簇后，将ECM与细胞内骨架蛋白相连，FAK磷酸化，并产生一系列SH2区域的调节蛋白，如Paxillin、Crk、Grb-2等，Grb2和Crk能激活丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)传导通路，继而转录、翻译周期蛋白D1 mRNA[6，7]。
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3 粘附失调导致细胞周期调节失控
表皮细胞需要粘附于ECM才能存活，一旦与ECM脱离，将发生凋亡。Frisch等将这种凋亡命名为Anoikis(希腊语无家可归)。FAK持续磷酸化细胞是粘附抑制凋亡的关键[8]。而细胞的肿瘤源性生长表现为非生长因子、粘附依赖性。肿瘤基因编码的蛋白是细胞正常生长调节通路中的一员，而当其过表达或突变则导致这些通路不可逆的激活。这些肿瘤基因编码的蛋白同样激活整合素介导的传导通路而使细胞转化为非粘附依赖性，如Ibc,dbl[7]。而肿瘤抑制基因drs的下调与肿瘤源性非粘附依赖性相关，并导致周期蛋白A表达异常[9]。
4 细胞粘附对造血的影响及展望
造血干/祖细胞的增殖、分化必须与基质细胞、细胞外基质密切接触才能实现。VLA4/VCAM-1(vascular cell adhesion molecule-1)和骨髓成纤维细胞分泌的基质细胞衍生因子(stroma cell-derived factor, SDF-1)在造血干细胞经内皮迁移和归巢于骨髓的过程中起重要作用[10]。目前认为SDF-1刺激整合素介导CD34+细胞粘附到血管内皮上[11]。进一步的研究将有助于了解造血干细胞移植骨髓重建机制。此外，再生障碍性贫血发病机制之一的“土壤学说”与基质粘附密切相关；白血病细胞(K562)的肿瘤源性与VLA5粘附减弱有关[12]；血小板的释放与GPⅠb/Ⅰx通过诱导P21引起G1期阻滞、巨核细胞凋亡有关[13]，并且生长因子对造血的作用是通过转变整合素粘附方式来调节的[14]。因此，粘附对细胞周期的调控是血液系统研究中新的领域。
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参 考 文 献
1，McIntyre M, Desdouets C, Senamaud-Beaufort C, et al. Differential expression of the cyclin-dependent kinase inhibitor P27 in primary hepatocyte in early-mid G1 and G1/S transition. Oncogene, 1999, 18: 4577-4585.
2，Zhu X, Ohtsubo M, Bohmer RM, et al. Adhesion-dependent cell cycle progression linked to the expression of cyclin D1, activation of cyclin E-CDK4, and phosphorylation of the retinoblastoma protein. J Cell Biol， 1996, 133: 391-403.
, http://www.100md.com
3，Roovers K, Davey G, Zhu X,et al. Alpha 5 beta l integrin controls cyclin D1, expression by sustaining mitogen-activated kinase activity in growth factor treated cell. Mol Biol Cell, 1999,10:3197-3204.
4，Philips A, Huet X, Plet A, et al. Anchorage-dependent expression of cyclin A in primary cell requires a negative DNA regulatory element and a functional Rb.Oncogene, 1999,18:1819-1825.
5，Geginat J, Bossi G, Bender JR, et al. Anchorage dependence of mitogena-induced G1 to S transition in primary T lymphocytes. J Immunol, 1999,162:5085-5093.
, 百拇医药
6，Verfaillie CM, Hurley R, Lundell BI, et al. Integrin-mediated regulation of hematopoiesis: do bcr/abl-induced defects in integrin function underlie the abnormal circulation and proliferation of CML progenitors Acta Haematol, 1997, 97: 40-52.
7，Kumar CC. Signaling by integrin in receptors. Oncogene， 1998， 17: 1365-1373.
8，Kim HR, Lin HM, Biliran H, et al. Cell cycle arrest and inhibition of anoikis by galectin-3 in human breast epithelial cell. Cancer Res, 1999,59:4148-4154.
, 百拇医药
9，Yamashita A, Hakura A, Inoue H. Suppression of anchorage independent growth of human cancer cell line by drs gene. Oncogene, 1999,18:4777-4787.
10，Imai K, Kobayashi M, Wang JX, et al. Selective transendothelial migration of hematopoietic progenitor cells: a role in homing of progenitor cells. Blood, 1999，93:149-156.
11， Peled A, Grabovsky V, Habler L, et al.The chemokine SDF-1 stimulates integrin-mediated arrest of CD34+cell on vascular endothelium under shear flow. J Clin Invest，1999,104:1199-1211.
, 百拇医药
12，Levesque JP, Leavesley DI,Niutta S, et al. Cytokines increase human hemopoietic cell adhesiveness by activation of very late antigen (VLA)-4 and VLA-5 integrins. J Exp Med,1995,181:1805-1815.
13，Klemke RL, Cai S, Cianini AL, et al. Regulation of cell motility by mitogen-activated protein kinase. J Cell Biol, 1997,137: 481-492.
14，Fang S,Christodoulides N, Kroll MH. The glycoprotein Ⅰb/Ⅰx complex regulate cell proliferation. Blood,1999，93：4256-4263.
(收稿日期：1999-06-04), 百拇医药
单位：430030 武汉，同济医科大学附属同济医院
关键词：
中华血液学杂志000722 细胞生长及存活大多需要粘附于细胞外基质(ECM)，若阻止细胞粘附，则引起细胞生长阻滞或凋亡。而细胞由粘附依赖性向非粘附依赖性的转变意味着肿瘤源性的转化。细胞通过粘附于ECM而导致细胞内传导通路的激活，继而细胞由G1期进入S期。我们就细胞粘附调节细胞周期的关键机制及决定这一调节的信息传递等方面的进展作一综述。
细胞周期最关键的调控点是G1与S期之间的调控点(restriction point, R点)。其中心是视网膜母细胞瘤蛋白(retinoblastoma protein, Rb)，它受细胞周期蛋白(cyclin)与细胞周期蛋白依赖性激酶(cyclin dependent kinase,CDK)复合物及对这些复合物的功能进行调控的CDK活化激酶(CDK activating kinase, CAK)和CDK抑制物(CDK inhibitor, CKI)的调节。磷酸化的Rb通过释放其结合并抑制的蛋白E2F，导致靶基因表达，从而使细胞由G1期进入S期[1]。生长因子刺激周期蛋白D、E的表达，继而激活CDK，使Rb磷酸化。随着人们对生长因子与细胞周期之间分子信息传递的了解，细胞粘附对细胞的刺激效应也逐渐被认识。
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1 细胞粘附对细胞周期调控元件的影响
1.1 细胞粘附可诱导、翻译周期蛋白D1 mRNA表达：Zhu等[2]用Nothern blot检测NIH-3T3细胞在粘附状态和悬浮状态下周期蛋白D1 mRNA水平，发现其在前者比后者高3～5倍，晚G1期细胞在悬浮时周期蛋白D1不表达而在粘附时表达阳性。为进一步研究周期蛋白D1与Rb磷酸化在细胞由G1期进入S期中的关系，Zhu等[2]又将带有周期蛋白D1基因的逆转录病毒载体转染NIH-3T3细胞，使其持续表达周期蛋白D1。即使将转染后的NIH-3T3细胞置于悬浮状态下，其强迫表达的周期蛋白D1能使Rb保持磷酸化状态，且能克服失去粘附引起的G1期阻滞而进入S期。粘附依赖性周期蛋白D1的表达能诱导持续性细胞外信息激酶(extracellar signal-regulated kinase,ERK)活性，而生长因子仅诱导瞬间ERK活性[3]。
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1.2 细胞粘附可激活周期蛋白E-CDK2活性：悬浮状态下周期蛋白E-CDK2激酶活性较粘附状态下明显减低，这一效应不能用周期蛋白E或其复合物水平变化来解释，因为周期蛋白E及CDK2的表达是非粘附依赖性的，但与其结合的CKI:P21和P27则受粘附影响。Western blot法分析发现悬浮状态下P21、P27水平较粘附状态下高3倍和2倍。因此，粘附依赖性周期蛋白E-CDK2活性是通过调节P21和P27来实现的[2，3]。
1.3 周期蛋白A mRNA的表达依赖于细胞粘附：NRK、NIH-3T3以及胚胎纤维母细胞在悬浮状态下不表达周期蛋白A，因此进入S期必须的周期蛋白A表达也需要细胞粘附。在正常细胞中周期蛋白A的表达始于周期蛋白D、E和CDK表达之后，其mRNA及蛋白质于G1末期开始出现。周期蛋白A基因的启动子包含细胞周期调控区域(cell cycle responsive element or cell cycle dependent element，CCRE/CDE)，即E2F结合位点，它的表达使Rb磷酸化，释放E2F，诱导E2F依赖基因的转录[2，4]。
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1.4 生长因子与ECM协同作用促进Rb磷酸化：Rb的磷酸化依赖于生长因子，G1期细胞Rb磷酸化与细胞周期由生长因子依赖向非生长因子依赖转变有关，因此，Rb是生长因子控制细胞周期进程的关键分子。但若将人类成纤维细胞置悬浮状态，即使用可溶性丝裂原物质内皮生长因子(EGF)刺激仍不能完成G1到S期的转化。G1期细胞Rb磷酸化同时需要生长因子和ECM的作用。在人类成纤维细胞及NIH-3T3细胞中，单独一种刺激不足以使Rb磷酸化。细胞生长因子诱导c-myc和c-fos表达，使细胞由G0期进入G1期，而粘附则诱导晚G1期细胞组蛋白H4和胸腺嘧啶脱氧核苷酸酶(TK)的表达以进入S期[5]。
2 细胞粘附调控细胞周期的信息传递
整合素(Integrin)是ECM主要成分纤维粘连蛋白(Fn)及层粘连蛋白(LN)间相互作用的膜受体，它是由α、β亚基组成的跨膜蛋白，β亚基胞内区则与细胞骨架蛋白α-actin、Talin、Vinculin相连，这些骨架蛋白又与同其一起分布于细胞膜、相对分子质量为125×103的粘着斑激酶(foacal adhesion kinase，FAK)相互作用。这样，当细胞与ECM粘连，整合素聚集成簇后，将ECM与细胞内骨架蛋白相连，FAK磷酸化，并产生一系列SH2区域的调节蛋白，如Paxillin、Crk、Grb-2等，Grb2和Crk能激活丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)传导通路，继而转录、翻译周期蛋白D1 mRNA[6，7]。
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3 粘附失调导致细胞周期调节失控
表皮细胞需要粘附于ECM才能存活，一旦与ECM脱离，将发生凋亡。Frisch等将这种凋亡命名为Anoikis(希腊语无家可归)。FAK持续磷酸化细胞是粘附抑制凋亡的关键[8]。而细胞的肿瘤源性生长表现为非生长因子、粘附依赖性。肿瘤基因编码的蛋白是细胞正常生长调节通路中的一员，而当其过表达或突变则导致这些通路不可逆的激活。这些肿瘤基因编码的蛋白同样激活整合素介导的传导通路而使细胞转化为非粘附依赖性，如Ibc,dbl[7]。而肿瘤抑制基因drs的下调与肿瘤源性非粘附依赖性相关，并导致周期蛋白A表达异常[9]。
4 细胞粘附对造血的影响及展望
造血干/祖细胞的增殖、分化必须与基质细胞、细胞外基质密切接触才能实现。VLA4/VCAM-1(vascular cell adhesion molecule-1)和骨髓成纤维细胞分泌的基质细胞衍生因子(stroma cell-derived factor, SDF-1)在造血干细胞经内皮迁移和归巢于骨髓的过程中起重要作用[10]。目前认为SDF-1刺激整合素介导CD34+细胞粘附到血管内皮上[11]。进一步的研究将有助于了解造血干细胞移植骨髓重建机制。此外，再生障碍性贫血发病机制之一的“土壤学说”与基质粘附密切相关；白血病细胞(K562)的肿瘤源性与VLA5粘附减弱有关[12]；血小板的释放与GPⅠb/Ⅰx通过诱导P21引起G1期阻滞、巨核细胞凋亡有关[13]，并且生长因子对造血的作用是通过转变整合素粘附方式来调节的[14]。因此，粘附对细胞周期的调控是血液系统研究中新的领域。
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参 考 文 献
1，McIntyre M, Desdouets C, Senamaud-Beaufort C, et al. Differential expression of the cyclin-dependent kinase inhibitor P27 in primary hepatocyte in early-mid G1 and G1/S transition. Oncogene, 1999, 18: 4577-4585.
2，Zhu X, Ohtsubo M, Bohmer RM, et al. Adhesion-dependent cell cycle progression linked to the expression of cyclin D1, activation of cyclin E-CDK4, and phosphorylation of the retinoblastoma protein. J Cell Biol， 1996, 133: 391-403.
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3，Roovers K, Davey G, Zhu X,et al. Alpha 5 beta l integrin controls cyclin D1, expression by sustaining mitogen-activated kinase activity in growth factor treated cell. Mol Biol Cell, 1999,10:3197-3204.
4，Philips A, Huet X, Plet A, et al. Anchorage-dependent expression of cyclin A in primary cell requires a negative DNA regulatory element and a functional Rb.Oncogene, 1999,18:1819-1825.
5，Geginat J, Bossi G, Bender JR, et al. Anchorage dependence of mitogena-induced G1 to S transition in primary T lymphocytes. J Immunol, 1999,162:5085-5093.
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6，Verfaillie CM, Hurley R, Lundell BI, et al. Integrin-mediated regulation of hematopoiesis: do bcr/abl-induced defects in integrin function underlie the abnormal circulation and proliferation of CML progenitors Acta Haematol, 1997, 97: 40-52.
7，Kumar CC. Signaling by integrin in receptors. Oncogene， 1998， 17: 1365-1373.
8，Kim HR, Lin HM, Biliran H, et al. Cell cycle arrest and inhibition of anoikis by galectin-3 in human breast epithelial cell. Cancer Res, 1999,59:4148-4154.
, 百拇医药
9，Yamashita A, Hakura A, Inoue H. Suppression of anchorage independent growth of human cancer cell line by drs gene. Oncogene, 1999,18:4777-4787.
10，Imai K, Kobayashi M, Wang JX, et al. Selective transendothelial migration of hematopoietic progenitor cells: a role in homing of progenitor cells. Blood, 1999，93:149-156.
11， Peled A, Grabovsky V, Habler L, et al.The chemokine SDF-1 stimulates integrin-mediated arrest of CD34+cell on vascular endothelium under shear flow. J Clin Invest，1999,104:1199-1211.
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12，Levesque JP, Leavesley DI,Niutta S, et al. Cytokines increase human hemopoietic cell adhesiveness by activation of very late antigen (VLA)-4 and VLA-5 integrins. J Exp Med,1995,181:1805-1815.
13，Klemke RL, Cai S, Cianini AL, et al. Regulation of cell motility by mitogen-activated protein kinase. J Cell Biol, 1997,137: 481-492.
14，Fang S,Christodoulides N, Kroll MH. The glycoprotein Ⅰb/Ⅰx complex regulate cell proliferation. Blood,1999，93：4256-4263.
(收稿日期：1999-06-04), 百拇医药