CD44分子的研究现状
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CD44分子的研究现状
马丹张珍祥徐永健
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【摘要】CD44分子是广泛表达于细胞膜上的跨膜蛋白多糖分子,是一个典型的单考贝基因多种表
型的蛋白,曾经认为它的主要功能在于细胞和细胞、细胞和基质之间的相互作用,而近年来的研究表明它通
过组成跨膜复合体、利用肌动蛋白和细胞骨架形成成信号级联来参与信号转导。
了解炎症细胞、平滑肌细
胞和肿瘤细胞上CD44分子的作用有助于我们深化对呼吸系统疾病的认识并为呼吸系统疾病研究开拓一
个新的方向。
【关键词】CD44;黏附分子;信号传导
CD44分子属于黏附分子,可介导多种细胞与细胞、细胞与细胞外基质(ECM),促进T、B细胞分化以及T细胞活化。
生物体早期器官的发育、神经轴突的发生以及造血均为CD44依赖,因而参与调控生物体的生长、生存和分化。
然而,近年来的研究表明,CD44分子除了上述功能外,更重要的是通过自身特殊的分子结构来主动感受细胞周围微环境的变化,参与信号的传导,从而改变细胞的生物学功能。
1CD44分子的结构特征
人类CD44基因是一种高度保守的单考贝基因,位于第1l号染色体短臂上(11p13),由20个高度保守的外显子构成,包括10个组成型外显子和lO个变异区(V区)变异性拼接的外显子。
组成型外显子的转录片段存在于所有CD44转录子中,仅含有组成型外显子的CD44转录子为标准型CD44转录子(CD44s)。
V区外显子在转录时可以随机拼接,也可以跳跃的方式拼接,这些有变异型拼接外显子插入的CD44转录子为变异型CD44(CD44v)转录子。
理论上讲,CD44的这种变异性拼接可产生1000多种CD44的变异分子。
CD44分子是广泛表达于细胞表面的I类跨膜单链糖蛋白。
可分为胞外区段、跨膜区段和胞内区段三个区段。
其胞外区段又可分为保守区段和非保守区段。
前者氨基端为一个B环结构域,可以和数种ECM结合。
后者为一段有多种变异的茎状结构,它由CD44变异性外显子编码表达。
组成型外显子中插入不同变异型外显子编码拼接的蛋白质为CD44v。
没有茎状结构的CD44为标准型CD44或血液型CD44(CD44s或CD44H)。
CD44分子的这种多态性,使得它的分子质量在80~200ku变化。
作者单位:430056武汉,江汉大学医学与生命科学学院(马丹);430030武汉,华中科技大学同济医学院附属同济医院呼吸内科(张珍祥、徐永健)跨膜段含有两个早老因子依赖的蛋白酶切位点,近胞浆一侧的位点水解后胞内段脱落形成CD44的胞内区段(CD44-ICD),该区段可穿过核膜进入细胞核调控转录。
近胞外一侧的位点水解后使胞外段脱落形成CD44p肽[1’2]。
胞内段又称尾部,有一个锚蛋白(ankyrin)的结合基序,该蛋白可介导细胞骨架和膜收缩蛋白(spectrin)相互作用。
CD44分子的多态性除了上述的蛋白质结构变异外,还表现在蛋白质的翻译后修饰,CD44分子和黏多糖(GAG)的亲和力依赖于这种修饰,且这种翻译后修饰可影响CD44分子和透明质酸糖胺多糖(hyaluronan,HA)结合的不同状态。
标准型CD44分子(CD44s)含有363个氨基酸,理论分子质量37000,实测分子质量CD44s多为80~90000,主要原因就是蛋白质的翻译后修饰。
2CD44功能的分子机制
2.1配体结合受体细胞在细胞外基质中的黏附和/或移行是由CD44分子作为细胞表面受体和ECM中的HA结合这一功能决定的。
HA为一线状多聚黏多糖分子,是组成ECM的成份,它以高分子(106u)形式存在于所有组织中。
在CD44的B环上至少有三个HA的结合位点,它们分别由外显子2和外显子5所编码。
CD44和HA结合的亲和力由细胞调控。
此外,这种亲和力还受CD44分子细胞外区段糖基化和细胞内尾部某些丝氨酸磷酸化的调控。
调控CD44和HA结合的另外一种机制是CD44分子的细胞外区段为金属基质蛋白酶(MMPs)水解脱落而形成可溶性CD44(sCD44),这一机制现在已经成为细胞移行和肿瘤细胞侵袭转移的基础[3]。
此外,CD44同时还参与HA的代谢。
HA经CD44摄取、内化和降解可能和肿瘤细胞的侵袭、转移能力以及炎症的消退有密切的关系。
2.2平台功能有人形象的将CD44分子比喻为一个特殊的平台,一些酶(如MMPs)和底物的相互
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作用以及MMPs和生长因子的相互作用均发生在这个平台上,离开这个平台这些相互作用就不能实现。
Yu等[43在小鼠乳腺癌细胞系和黑色素瘤细胞系中发现CD44可将MMP一9锚定在细胞表面,用可溶性CD44来抑制CD44功能时发现细胞表面锚定的MMP一9功能也减弱,用荧光抗体标记的方法发现CD44和MMP一9共同定位在细胞表面,且这种共同定位有助于MMP一9对TIMP一1的抵抗,有助于胶元IV的降解促进肿瘤细胞的侵袭。
Yu等[5]进一步研究发现被CD44锚定于细胞表面的MMP-9还可使无活性的TGF—p前体活化,TGF—B活化则是新生血管生长所必须的生长因子。
CD44v3通常为硫酸肝素侧链所修饰,这种CD44为硫酸肝素蛋白多糖(HSPG),肝素结合表皮生长因子(HBEGF)的前体和HSPG结合同时募集MMP_7到HSPG上,使得MMP一7得以和HBEGF的前体相互作用,使HBEGF的前体水解为活化的HBEGF,而活化的HBEGF通过和其高亲和力受体ERBB4(ERBB受体酪氨酸激酶或HER4)结合使其活化从而启动生存信号,抑制凋亡[6]。
2.3共受体功能信号传导理论认为,在信号传导过程中不仅需要受体酪氨酸激酶,而且还需要一些没有激酶结构域的蛋白质或受体的参与形成复合体,这些蛋白质可影响受体酪氨酸激酶的活化、调节激酶的活性,这就是所谓的共受体(CO—receptor)理论。
CD44就是这种参与信号传导的共受体。
在一些大鼠癌细胞、人类癌细胞、细胞系和原代培养的角化细胞中,c-Met和其高亲和力受体结合配体——分散因子/肝细胞生长因子(SF/HGF)结合活化的过程中必须要有’CD44v6的参与[7],生长因子受体c—Met和CD44v6结合形成共受体后,在其配体SF/HGF和共受体中的e-Met结合的前题下激活Ras信号通道。
CD44作为共受体分子还可和受体酪氨酸激酶家族的ERBB结合使其活化[8]。
2.4分子开关功能在跨膜段和锚蛋白结合基序之间有可分别和磷酸化的ERM蛋白以及去磷酸化的merlin蛋白结合的基序,从而分别形成促进生长转移复合物或抑制生长转移复合物,这是分子开关功能的结构基础。
细胞在生长接触性抑制中merlin起着关键的作用[9]。
在细胞生长到高密度时,merlin被快速去磷酸化而活化并取代ERM直接结合到CD44尾部形成抑制生长转移复合物并抑制细胞增殖。
反之,细胞在低密度的对数生长期阶段,merlin被磷酸化后经ERM结合到CD44尾部形成促进生长转移复合物。
在细胞的低密度生长阶段,如果将CD44的胞外段结合ECM中的高分子质量HA或抗体可诱导细胞内merlin快速去磷酸化形成抑制生长转移复合物,从而抑制信号经Ras、Raf、MEK和Erk传导,进而抑制细胞的增殖。
3CD44分子的研究现状
3.1CD44分子的表达调控CD44的诱导、表达以及和HA的结合是单核细胞向炎症和损伤组织移行中的重要事件,研究这一事件的调控对炎症治疗中靶位的选择有着重要意义。
目前已有许多有关细胞因子参与CD44表达的报告,如在哮喘相关的嗜酸细胞炎症中IL-5能增强人嗜酸粒细胞CD44的表达[1叩;在人T细胞中IL一12和IL-18能调控CD44和HA的相互作用[11];肿瘤坏死因子a(TNF—a)是CD44表达的强烈诱导剂,单核细胞中脂多糖(LPS)诱导CD44的表达以及CD44和HA的相互作用中,TNF-a是一个正向调节因子口引。
Mishra等[1胡报道TNF—Ct和LPS分别经由两个相互独立、互不干扰的信号通道调控CD44的表达;转录因子AP一1活化钙调蛋白或钙调蛋白激酶II(CaM/CaMK—II),而CaM/CaMK—II调控TNF—a诱导的CD44表达;转录因子Egr一1则活化c-Jun氨基端激酶(JNK),而JNK可调控LPS所诱导的CD44表达。
3.2和凋亡的关系Fujii等口43在类风湿关节炎患者的滑膜细胞中发现Fas表达的上调是CD44依赖的。
实验说明在诸多黏附分子中,只有D44能明显上调Fas的表达,且这种上调作用发生3小时内,远比IL_1和TNF—o【快,CD44能够放大Fas所介导的细胞早期凋亡,此外,HA也参与放大Fas所介导的细胞早期凋亡。
然而在某些CD44高表达的肺癌细胞中CD44的单克隆抗体或HA片段可降低Fas的表达从而导致癌细胞的免疫逃逸[15|。
Hauptschein等[16]最近报道用荧光载体辅助光灭活法(FALI)配合半胱一天冬氨酸蛋白酶(caspase)检测,在人纤维肉瘤细胞HT-1080上用96个单链抗体可变区基因片段(scFv)筛选发现,在经FALI蛋白打靶后有三个scFv可引起caspase的减少,其中一个就是CD44,在FALI蛋白打靶中用CD44单克隆抗体也可引起类似的抗Fas凋亡逃逸;CD44的FALI蛋白打靶还可在多种细胞系中导致凋亡逃逸的发生,包括I型和Ⅱ型Fas信号细胞,并且还可产生抗TNF死亡受体家族其它配体的作用;CD44的FALI蛋白打靶还可抑制死亡诱导信号复合体的形成和活化,因此CD44在死亡受体所介导的凋亡中是一个重要的调节因子。
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3.3肿瘤的发生和发展CD44分子和肿瘤的关系主要表现在促进肿瘤的发生、发展和侵袭、转移两个方面。
Yu等n71用小鼠乳腺癌细胞转染表达的可溶性CD44来阻断CD44功能后,在体移植瘤模型肿瘤的生长受到抑制,同时发现模型中肿瘤细胞出现大量凋亡。
虽然有报道称在结肠肿瘤的发生中CD44的表达上调是早期事件,但是Weber等口8]用CD44基因敲除鼠和APC(adenomatouspolyposiseoli)基因突变鼠及p53基因的tml突变鼠(p53州恤1)杂交发现CD44在促进肿瘤的转移方面所起的作用要比促进肿瘤发生方面关键得多。
3.4肿瘤的侵袭和转移对于CD44促进肿瘤转移的早期认识来自于对淋巴细胞移行功能的研究。
早期研究者对非转移性的大鼠胰腺癌细胞分别转染表达CD44s和CD44v的质粒载体,表达外显子v6和v7序列的肿瘤细胞具有转移能力。
Yu等H3在小鼠乳腺癌细胞中用可溶性CD44阻断CD44功能后还可使其丧失锚定MMP-9的作用,从而使肿瘤细胞的侵袭和转移能力降低;此外又由于这一机制导致TGF—j3前体活化降低,从而抑制了肿瘤组织新生血管生长和组织重构邸]。
最近的研究进一步证实了CD44v的表达和肿瘤转移表型的关系。
Barbour等[17]选择人肝细胞癌细胞系SKHepl作为研究对象,这种肝癌细胞表达CD44s而不表达CD44v,在小鼠皮下接种的移植瘤不产生自发性肺转移。
将表达CD44v2—10的载体转染到该细胞后,转染对皮下接种移植的原发瘤的生长无影响,但却产生了41%(7/17)的肺转移,而对照组的肺转移为0(0/16)。
表达CD44v2—10的SKHepl细胞结合硫酸肝素(HS)和肝素结合生长因子(HBGF)的能力增强。
将CD44v2-10中的v3突变,使其失去HS和HBGF的结合能力,其细胞的转移表型也随即丧失。
Voort等[20]对有关机制的研究时发现CD44v3的硫酸肝素侧链可和SF/HGF结合,而SF/HGF同时又是受体酪氨酸激酶c—Met的高亲和力配体,因此CD44v3和c-Met共同形成SF/HGF共受体(co-receptor)。
3.5关于炎症CD44除了和肿瘤的发生、侵袭和转移有关外,目前对其研究的另一个方向就是CD44在炎症中的作用[21|。
CD44分子可通过活化巨噬细胞进而诱导Thl细胞因子和抑制Th2细胞因子来参与宿主的防御。
Teder等[22]用博莱霉素在CD44基因敲除鼠(CD44十)中建立急性肺损伤模型并且和野生型鼠比较时发现,75%的CD44√一鼠在14天死亡,和野生型比较CD44./。
鼠主要表现为炎症的消退障碍,在诸多进行性发展的炎症因素中,十分突出的是受损部位HA片断进行性堆积和清除障碍、凋亡细胞堆积和清除障碍、转移生长因子(TGF—B,)的活化障碍;而25%存活的CD44√。
鼠却和野生型相似的表现为HA下降;用CD44+同窝鼠骨髓来重组经辐射形成的CD44√’鼠以形成重组的野生型嵌合鼠发现,在经博莱霉素激发14天后,嵌合鼠的生存率恢复,支气管肺泡灌洗液中HA水平和野生型鼠无差异。
Wittig等比副用CD44v6、v7基因敲除小鼠(CD44v6/v7√一)和结肠炎倾向小鼠(IL一10手)杂交并和野生型鼠比较,在用硫酸三硝基苯激发后,CD44v6/v7十鼠结肠的炎症反应明显减轻。
速发型变态反应是一种Th2炎症反应,炎症部位的白细胞的渗出也是CD44依赖的。
Gonda等[241用基因敲除技术和活体显微视频技术在小鼠卵清蛋白腹膜内致敏模型中观察到了这一现象。
他们比较了CD44基因敲除鼠(CD44KO)、CD62L(1一selectin)基因敲除鼠(CD62LKO)、两者同时基因敲除鼠(CD44/CD62LK0)和野生型鼠(WT),在卵清蛋白致敏后用活体显微视频技术在耳朵处观察荧光标记的白细胞的渗出和黏附,发现CD44KO鼠和CD44/CD62LKO鼠的白细胞黏附明显减少,在耳朵的组织学检查中也发现CD44KO鼠和CD44/CD62LKO鼠的白细胞渗出明显减少,说明在Th2炎症反应中白细胞的渗出和黏附是CD44依赖的。
3.6血管病变Cuff等[25]用CD44基因敲除鼠(CD44十)和动脉粥样硬化倾向鼠(apoE手)杂交并与野生型鼠比较发现,CD44√一鼠的主动脉损伤比杂合型鼠减少50%,比野生型鼠减少70%,且损伤区募集的巨噬细胞明显减少、平滑肌细胞的增殖和去分化也明显减少。
Johnson等[261在研究血管重构中MMP一2、MMP-9和平滑肌细胞的关系时发现,MMP-9是细胞和基质之间的“桥”,而细胞表面CD44分子是细胞利用MMP-9的平台。
Krettek等[273在研究动脉慢性炎症性疾病时发现CD44(CD44s和CD44v)的表达水平为动脉粥样斑块>腹主动脉瘤≥纤维斑块>未受影响的动脉,并且和巨噬细胞数相关;用抗CD44v3和抗CD44v6可减少内皮细胞的增殖,但不影响凋亡;用白介素1B(IL-18)和肿瘤坏死因子(TNF)处理内皮细胞后其CD44s和CD44v6的表达增加;巨噬细胞是CD44的主要来源,它不仅表达CD44s,而且表达CD44v4/5、CD44v6和CD44v7/8,这些CD44v的表达受前炎因子的调控;几种细胞因子还可诱导巨噬细胞和内皮细胞表面CD44的脱落形成可溶性的CD44
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(sCD44),而sCD44又可刺激内皮细胞表达IL-Ip,如此形成一个正反馈环,放大CD44的表达。
糖尿病的大血管病变中血管的HA增加是一个重要特征。
Schuhz等[28]在人主动脉血管平滑肌细胞(SMCs)离体试验中对葡萄糖、胰岛素、胰岛素样生长因子I(IGF-I)和人生长激素(hGH)对CD44的影响进行了研究,结果显示葡萄糖、胰岛素和IGF—I能够刺激SMCs移行,抗CD44抗体能抑制这种移行;胰岛素浓度在100~1000弘U/mL能增加HA的结合,而CD44的表达只有在胰岛素浓度为lOOO弘U/mL时才能提高;hGH在2ng/mL时CD44表达减少,而hGH在16ng/mL时CD44表达提高;葡萄糖和IGF—I能减少CD44v3的表达,但不影响总体CD44的量;人动脉SMCs未发现CD44v6的表达。
3.7感染性疾病RANTES(受激活作用调节的正常T细胞表达并可能分泌的蛋白质,CCL5)是CC-趋化因子家族成员之一,它可传导多种细胞内信号。
和所有趋化因子一样,RANTES通过和其同源趋化因子受体相互作用来刺激G蛋白偶联受体(GPCR)活性。
此外,RANTES还可活化一个非GPCR依赖的信号通道。
Rosecie—Mrkic等[2叼报道了这一非GPCR依赖的信号通道的活化是由CD44的黏多糖(GAG)链和RANTES相互作用所介导的。
他们的实验证明在这种相互作用中,RANTES不论是在低的生理浓度还是在高的超生理浓度都可诱导产生由CD44、Src激酶和连接蛋白(adapter)分子形成的信号复合体。
这一信号复合体可使p44/p42MAPK通道活化。
而这一信号通道的活化正是RANTES在一定实验条件下增强HIV一1感染所依赖的。
他们用RNA干扰技术(RNAinterference,RNAi,siRNA)减少CD44的表达发现RANTES活化p44/p42MAPK信号通道需要高水平的CD44表达,在HeLa—CD4细胞中使CD44沉默可肪止p44/p42MAPK信号通道的活化,进而减少HIV一1感染。
3.8临床诊断早在十多年前人们就开始尝试将CD44用于肿瘤的临床诊断和预后评价,但由于CD44的多态性,因此始终没有发现和肿瘤有关的特异CD44表型。
值得注意的是,体液中CD44的检测使得某些肿瘤的的诊断和预后的判断达到较高的水平。
另有一些研究者在体液中发现可溶性CD44(sCD44)浓度和某些肿瘤有关,并且和治疗的反应相关。
sCD44的形成机制一般认为是肿瘤细胞在CD44转录中误加工的结果,这些误加工包括内函子滞留(intronretention)、外显子跳读(exonskipping)和隐性拼接位点(crypticsplicesites)的利用。
因此也有研究者用检测异常滞留内函子的方法来诊断肿瘤。
对肿瘤细胞利用隐性拼接位点的解释是肿瘤细胞中由于蛋白不正确的折叠或配位使得正确的拼接位点不能利用,从而导致细胞对拼接事件的第二次选择,是肿瘤细胞中CD44选择性拼接机制发生妥协的结果。
4小结
综上所述,CD44虽只是一个单考贝基因,但它所表达的蛋白却是一个庞大的家族,相应的功能也是多种多样,是人类单考贝基因和多种表型的最好例证。
研究CD44及其相关的复合体调控对于认识疾病、寻找新的治疗靶点有重要意义。
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(收稿El期:2005-10—11)
第四届中青年呼吸医师论坛征文通知
由中华医学会中华医学杂志英文版主办、青海省医学会协办的“第四届中青年呼吸医师论坛”(国家级继续医学教育项目),定于2007年6月28日~7月1日在青海省西宁市召开。
欢迎广大中青年呼吸科医师踊跃投稿,积极参会。
此次论坛由钟南山院士担任名誉主席,王辰教授担任主席。
论坛将安排大会报告、专题报告、论文交流、疑难病例讨论等。
论坛将延续在北京和杭州召开的第一届和第三届论坛的风格,分专题、分会场进行。
为了提高国内呼吸科医生英文交流的能力,论坛继续保留“英文分会场”。
论坛将对参会论文进行评比,优秀论文将被推荐在中华医学杂志英文版发表。
来稿要求:①800字左右中文或英文摘要1份,附软盘(最好用Email投稿)。
摘要为结构式,包括背景、方法、结果、结论四部分。
参加优秀论文评比的代表,除摘要外,需同时附中文或英文全文一份。
②未公开发表。
③需写清联系地址和邮编,并注明通讯作者的联系电话、手机号、Email等。
④来稿请寄:北京市东四西大街42号中华医学杂志英文版编辑部刘欢收,邮编100710。
电话:010—85158318。
传真:010—85158333。
Email:liuhuanxy@cma.org.cn。
信封上请注明“呼吸征文”字样。
论坛欢迎用Email投稿。
截稿日期:2007年4月1日。
论坛也欢迎没有提交论文的呼吸科和相关学科医生参会交流。
请提前把参会回执邮寄、传真或发电子邮件给本刊刘欢编辑。
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中华医学会
中华医学杂志英文版
2006年10月 万方数据。