作者：李立 唐罗生
作者单位：（410011）中国湖南省长沙市，中南大学湘雅二医院眼科
【摘要】细胞间隙连接蛋白是机体固有的、与细胞生长发育及增殖分化等密切相关的膜表面分子，是维持机体组织器官正常结构及功能的基础。因此，它的异常与某些先天性发育畸形或功能障碍性疾病以及癌症等的发生发展密切相关。本文即就Cx分子的结构、功能以及与某些疾病尤其与肿瘤的关系等进行概述，进而探讨它在医学研究及应用中的价值。
【关键词】 细胞间隙连接蛋白 肿瘤
Connexin and tumor
Li Li, Luo-Sheng Tang
Department of Ophthalmology, the Second Affiliated Xiangya Hospital, Central-South University, Changsha 410011, Hunan Province, China
AbstractConnexins are natural membrane moleculars of organism which play important role in cellular growth, proliferation and differentiation. They are the bases of maintaining normal construction and function of organs and tissues. Their abnormalities have great effects on some diseases of congenital deformity and dysfunction as well as cancer. We reviewed molecular construction, function and the relation with some diseases especially with tumor in the present paper to explore their value in medical study and application.
· KAYWORDS: connexin; tumor
0引言
细胞间隙连接蛋白（connexin, Cx）是存在于细胞之间的负责物质及信息交换的通道蛋白，对细胞增殖、分化及机体的生长发育至关重要。近年来研究发现，Cx功能复杂多样，在许多生理及病理过程中都有参与，更具意义的是，它与肿瘤的发生发展密切相关，被誉为“第二类抑癌基因”。现就Cx的分子特性及其与肿瘤关系的研究进展做一综述。
1细胞间隙连接蛋白
1.1 概述 生物体内相邻细胞间主要通过细胞间隙连接通道互相传递离子、代谢物质极小的信号分子等，从而控制细胞间的协调生长。这种由间隙连接介导的细胞间物质、能量及信息的交换活动称为间隙连接细胞间通讯（gap junction intercellular communication, GJIC）。它是细胞生物学行为的重要调控方式，在细胞增殖、分化、内环境稳定及机体的新陈代谢、生长发育等生理过程中起重要作用。间隙连接蛋白即为组成间隙连接通道的结构蛋白，是进行细胞间通讯的物质基础。Cx的正常或异常表达，可直接影响到细胞及组织、器官的功能状态，最新研究还发现它与肿瘤的发生发展密切相关。
1.2 Cx分子的结构、分布及功能 Cx属于多基因家族，各家族成员的基因序列具有高度同源性。依据该家族基因编码的蛋白质分子量对各成员进行命名，如Cx26、Cx32等。目前从脊椎动物中至少已分离克隆出20种Cx基因，在人类组织中发现有13种。Cx是一种整合膜蛋白，6个哑铃形Cx亚单位寡聚化形成单侧膜通道，称连接子(connexon)，相邻细胞的连接子衔接形成细胞间膜通道，即间隙连接通道，属于跨膜亲水性通道结构。连接子的亚单位可以相同或不同，如此，各种Cx分子在数量和空间上的不同组配可形成多种连接子，不同连接子又相互组配从而形成种类庞多的间隙连接。结构决定功能，可见细胞间通道的性质和功能复杂而多样。例如通透性，不同的通道具有各自的分子选择性，主要取决于孔径的大小。由Cx32组成的连接子可通过cAMP和cGMP，而由Cx32 和Cx26组成的异源连接子却只能透过部分cGMP以及更少的cAMP。
Cx基因在生物体内的表达具有以下几个特点：(1)组织特异性和交叉反应性。例如，Cx32是小鼠和大鼠肝组织的主要连接蛋白，但人肝、肾中也有表达；Cx43主要表达于上皮和间叶组织；Cx26在多种组织上皮中广有表达。(2)时空效应：在人胚胎发育期，同胚胎期不同器官组织中Cx基因的表达种类和强度不同，而同器官组织在不同发育阶段其表达也有差异。类似现象还见于某些肿瘤的发生及演进过程中。(3)某些Cx分子的共表达是维持器官组织正常形态和功能的条件。正常晶状体纤维中同时存在Cx46和Cx50两种连接蛋白，缺失Cx46小鼠表现为渐进性老年性核性白内障，但晶状体生长发育正常[1]；缺失Cx50小鼠则形成小晶状体及白内障[2]。可见，保证晶状体的生理状态稳定需要Cx46和Cx50的共同表达。(4)在某些恶性肿瘤中，一种Cx分子表达的降低可引起与之结构相似的另一Cx分子表达升高，这可能是肿瘤自身的保护性反应[3]。
Cx以其构成细胞间隙连接进行GJIC从而调控细胞生物学行为的基本功能，对多种生命活动具有影响，其表达异常与某些先天性或遗传性疾病以及肿瘤的发生有关。目前已发现的有：(1) Cx26是小鼠绒毛膜合体滋养细胞转运葡萄糖的必需分子，敲除后可导致小鼠胚胎发育11d后死亡[4]；在人体，Cx26与内耳中钾离子向内淋巴的回流有关，其突变不会导致胚胎死亡而是引起遗传性无综合症耳聋[5]。(2) Cx32具有维持雪旺氏细胞正常功能的作用, 缺失Cx32基因的人和小鼠均可引起遗传性周围神经脱髓鞘疾病[6]。它还是小鼠肝脏的主要连接蛋白，敲除后小鼠肝癌发生率明显增加[7]。(3) Cx43是间隙连接家族中分布最广的分子，几乎对所有组织细胞具有生长调控的作用，其功能也最为复杂和重要。Cx43是哺乳动物心脏中最主要的连接蛋白，在心脏形态发育中具有重要作用。Cx43功能异常可影响胚胎期神经瘠细胞的迁移，导致以圆锥动脉干畸形为主的心脏发育异常[8]。某些先天性心脏病类型，如内脏异位综合症、左心发育不良综合症等，也存在Cx43基因突变的个别病例。另外，缺失Cx43基因还可导致小鼠性腺发育障碍、精子及卵细胞发育异常。
2细胞间隙连接蛋白与肿瘤
最初在1964年，Stoker[9]报道，某些细胞分子可以通过间隙连接通道在细胞间扩散和传递信息，抑制多瘤病毒转化细胞的增殖。这很容易使人联想到肿瘤细胞的无限制生长特性可能与间隙连接结构异常而丧失对细胞的生长调控有关。1966年，Loewenstein W.R.等[10]根据自己的系列研究提出大胆假说：由间隙连接介导的细胞间通讯活动与细胞的生长控制及肿瘤的发生密切相关。假说的提出，引起了肿瘤学家的极大兴趣，一度掀起了相关研究的热潮。1979年，Loewenstein[11]正式发表文章阐述上述观点，该论文也成为相关研究领域的标志性文献。迄今，大量研究已证实这一假说的科学性，Cx的表达与肿瘤的生物学全过程包括细胞转化、肿瘤发生、生长及演进等都密切相关。
2.1 Cx与肿瘤发生 在Loewenstein论文发表同年，由Murray和Yotti分别领导的两个实验小组先后对Loewenstein假说的合理性进行了验证[12,13]。他们发现用于诱发啮齿类动物皮肤癌的致癌剂佛波酯（TPA）具有强效、可逆性抑制各类培养细胞的GJIC功能的作用，提示在癌前阶段（肿瘤形成前期）GJIC功能的抑制可能是导致癌细胞克隆性无限制增殖的重要因素。此后又发现了许多影响Cx基因表达的促癌剂，如：cAMP、维甲酸、安妥明、苯巴比妥等。经致癌剂作用的肿瘤细胞常常表现为Cx分子的表达或定位异常及GJIC功能缺陷。另外，某些活化的癌基因也可使Cx基因表达降低及GJIC下调[14]。这些均间接证明Cx基因及GJIC的下调与肿瘤的发生有关，致癌剂部分通过调节Cx表达和GJIC而发挥作用。Cx分子异常表达在肿瘤形成中究竟有何意义？GJIC功能缺陷与肿瘤细胞的过度增殖之间孰因孰果？目前尚不清楚，但至少可以肯定，在肿瘤形成过程中，GJIC功能的抑制对早期肿瘤细胞的克隆性增殖具有促进作用[15]。对某些组织细胞而言，特异性Cx基因的缺失或敲除可以使之增殖加快或加速恶性转化，提高肿瘤的发生率。
2.2 Cx与细胞转化
Cx与细胞的表型转化关系密切。Mehta等[16]对C3H10T1/2细胞进行两步法转化后，采用染料转移技术检测到转化细胞之间缺乏细胞间通讯； 但Enomoto等[17]则发现转化的BALB/C3T3细胞与正常细胞间无细胞通讯活动，但转化细胞之间却仍然存在； Mesnil等[18]报道，在转化大鼠肝上皮细胞的过程中，它们与非转化细胞之间的通讯功能逐渐丧失。在体内肿瘤组织中同样存在Cx和GJIC的异常。Krutovskikh等[19]用致癌剂诱导建立大鼠肝癌模型，发现肝癌细胞与癌周组织细胞间无细胞间通讯活动存在。人肝癌组织也存在相同现象[20]。但人和鼠产生此异常的分子机制不同：前者是因为Cx表达部位异常（胞质），而后者则是由于Cx基因表达在转录水平受阻。
既然多数肿瘤组织中存在瘤细胞之间或瘤细胞与正常细胞之间的通讯功能障碍，推测如果恢复GJIC功能有可能逆转瘤细胞表型使之良性化。
加拿大西安大略大学由Naus CC、Zhu D等组成的研究小组多年来一直从事有关间隙连接与脑神经性疾病关系的研究，他们曾将Cx43 cDNA转染神经胶质瘤细胞C6提高该细胞Cx43蛋白的表达水平，结果发现在导致C6细胞增值率降低的同时部分细胞的胞质中出现了肌动蛋白张力丝，且细胞体积变大、形态扁平，恶性表型特征变模糊，有向良性转化趋势[21]。
目前研究显示大多数转化细胞或肿瘤细胞表现为Cx表达减低和GJIC功能抑制或丧失，但也有表现增强者，如大鼠膀胱癌组织 [22]。不同种类细胞其异常程度也不同：或完全缺乏，或仅轻度减低。总之，尽管细胞的恶性转化与GJIC功能的完全缺乏之间并无必然联系，但是，抑制GJIC确实可以增加细胞的恶性转化倾向。即便是Cx表达增强的大鼠膀胱癌组织，虽然较正常膀胱上皮细胞具有更好的GJIC功能，转染突变型Cx基因或采用反义RNA技术抑制GJIC后仍然使癌细胞的恶性转化倾向更加明显[23]。
3 Cx与肿瘤抑制
最初，研究者在应用化学药物试图恢复转化细胞与正常细胞间GJIC功能时偶然发现部分细胞的恶性表型发生了逆转。1986年，Mehta等[16]对培养的鼠成纤维细胞进行恶性转化，然后用维甲酸或cAMP处理一段时间（二者是可上调GJIC的抑癌剂），发现转化灶内细胞重新恢复了与其周围正常细胞之间的信息通讯功能，同时转化灶消失。Yamasaki H等[24]同法研究BALB/c 3T3细胞也得出一致结论。但这尚不能说明细胞的表型转化是间隙连接功能恢复的结果。若要对二者的因果关系做更加清楚的研究，最理想的方法就是将Cx cDNA转染动物或人的恶性转化细胞。1991年，Eghbali等[25]率先报道将Cx32c DNA转染人肝癌细胞株后可使细胞由“零GJIC状态”转为“正常化”，同时细胞生长明显受抑。后来，Naus 等[26]发现转染Cx43基因可抑制体外培养的大鼠C6神经胶质瘤细胞株的生长，其体内生成肿瘤的能力也丧失；Hellmann等[27]将多种Cx基因转染恶性滋养层细胞系Jeg- 3，发现所有转染正常Cx基因的细胞生长均受到抑制，而转染功能结构突变之Cx基因的癌细胞生长则不受影响，而且不同的Cx分子对癌细胞增殖、分化的抑制效应各不相同。
通过转染或基因干扰等方法调节Cx基因表达从而抑制某些转化细胞或肿瘤细胞的恶性行为甚至逆转其恶性表型，Cx基因的这种特性在某种程度上极其类似肿瘤抑制基因的功能。然而，Cx与肿瘤抑制的关系并非如此简单。例如，肿瘤细胞Cx表达及GJIC功能的恢复并不一定伴随着细胞表型的“正常化”。最为典型的是Hela细胞[28]。对Hela细胞转染任何一种Cx基因都会重现或上调细胞间连接结构，但除Cx26以外其余Cx均不具有抑制Hela细胞生长和形成肿瘤的能力；进一步将突变的Cx26cDNA转入已经由Cx26基因转染而“正常化”的Hela细胞，结果却使细胞表型重新“恶化”。这说明Cx26是真正与Hela细胞生长抑制有关的肿瘤抑制因子。这个发现使人们对Cx基因的功能有了新的认识：Cx是一种具有相对特异性的抑癌因子，其肿瘤抑制效应的发挥依赖于细胞类型，这类细胞在正常生理条件下即应有Cx分子的固有表达。类似的还有神经胶质细胞，正常该细胞中有Cx43的固有表达而缺乏Cx32，结果对转化的胶质瘤细胞转染Cx32基因即未获得像转染Cx43那样强有力的抑制效应[29]。有关特异性Cx基因与肿瘤抑制之间的确切关系需要我们进行更为深入地研究求证。
4 Cx的抑瘤机制
虽然对Cx的研究已有40余年，但至今对其抑瘤机制尚无明确认识。他们调控细胞间通讯的本质是什么？这种通讯活动如何能够调控细胞的表型转化及生长与分化？我们仅发现少数几种分子可以通过间隙连接通道，其中大多与细胞的基础生理活动及新陈代谢途径有关，如ADP等，这很难将之与Cx的抑瘤机制相联系；其它分子如第二信使cAMP和IP3在信息传递方面相对具有较大意义，似乎可以部分解释细胞间隙连接与组织的自身稳态和细胞间激素等分子信息的弥散有关，但这种推测仍然缺乏有力支持。
我们还可以假设这种效应并非由Cx介导的GJIC功能恢复引起。一个具有一致表型的细胞克隆群体， 仅通过恢复其细胞间隙连接结构及GJIC功能即可实现表型的正常化逆转，这本身即令人十分奇怪。在这些完全相同的细胞之间传递的“正常化”信息分子是什么？来源于哪里？通过转染Cx基因使之过表达从而增加细胞间的接触位点即可引发“机械性效应”而降低细胞增殖率，那么细胞的生长抑制应该与GJIC功能的诱导无关。Huang等[30]也报道用Cx43cDNA转染人脑胶质瘤细胞后，转染细胞生长速度减慢，表型转良，但GJIC功能不恢复。9L和C6两种鼠神经胶质瘤细胞株均具有较强的增殖能力和成瘤性，但9L细胞的GJIC功能却基本正常[31]； Chen等[32]用Cx43转染狗肾脏上皮转化细胞，发现Cx43基因表达的改变涉及细胞周期调节，即在转染细胞中，细胞周期素A、D1、D2以及细胞周期素依赖性激酶CDK5、CDK6减少，且细胞周期G1期和S期延长。可见，Cx基因的作用机制极为复杂，既可以是GJIC调节剂，又能不依赖于GJIC而调控细胞生长。
[1] [2] 下一页 |
