Syndecan_1分子研究进展

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15 Tsukii K et al .Biochem Biophys Res Commun,1998;246:
337
16 Br ndstr m H et al .Biochem Biophys Res Commun,1998;
248:454
17 Thomas RJ et al .Endocr i nology,1999;140:445118 Huang L et al .Am J Pathol,2000;156:76119 T akai H et al .J Bio Chem,1998;273:2709120 Capparelli C et a l .Cancer Res,2000;60:783
(2000-04-05 收稿)
Syndecan -1分子研究进展*
李新燕综述 张学光审阅
苏州医学院免疫学研究室(苏州,215007)
摘要 syndecan -1分子(CD138)属粘附分子整合素跨膜粘结蛋白(heparan sulfate proteoglycan,HSPG)家族成员,可与多种因子结合,参与组织器官分化发育、血管形成、组织再生等一系列生理过程的调节,并与肿瘤细胞归巢及转移等过程有关,也是判断某些肿瘤预后的指标。

关键词 syndecan -1; 粘附分子
*
国家自然科学青年科学基金资助(No.39700130)
syndecan -1(C D138)来自于希腊文syndein ,其意是指将细胞微环境成分与细胞骨架结合起来。

它属于粘附分子整合素跨膜粘结蛋白聚糖家族成员,通过其分子表面的硫酸肝素侧链可结合一系列配基如细胞粘附分子、基质成分、生长因子、酶和酶抑制物等,以共受体(as cel-l surface co -receptors)方式调节细胞与微环境之间的相互作用,参与组织器官分化发育、血管形成、组织再生等一系列生理过程的调节[1]。

其可溶性syndecan -1分子在组织损伤修复中可作为bFGF 的拮抗剂或激动剂,参与损伤修复过程[2],同时也具有抑制肿瘤细胞增殖的作用[3]。

随着研究的深入,人们发现syndecan -1分子的表达在控制恶性肿瘤细胞生长和转移等过程中具有重要作用,而且可作为判断肿瘤预后的指标,指导临床诊断与治疗。

1 syndecan -1分子的结构
syndecan -1分子属于I 型跨膜蛋白,含有N 末端信号肽。

小鼠syndecan -1分子定位于12号染色体,人则定位在第2号染色体(2p23),基因全长含有5个外显子,分别编码分子量为3.5kD 单链结构的核心蛋白。

依据核心蛋白与细胞膜的关系,可将syndecan -1分子分为胞外段、跨膜段和胞浆段。

111 胞外段
由234个氨基酸组成,含有5个丝氨酸-甘氨酸
重复序列,连接糖胺聚糖(glycosaminoglycan,GAG)侧链结构,即3条硫酸乙酰肝素(heparan sulfate,HS)和2条硫酸软骨素(chondroitin sulfate,CS)侧链,此外还有一个潜在的N -糖基化部位。

在靠近跨膜区结构域有一个蛋白水解酶作用部位,用于从细胞表面释放syndecan -1分子的胞外段结构(ectodomain)。

GAG 是syndecan -1分子与细胞外配体结合的位点所在,对syndecan -1分子的作用至关重要。

对GAG 种类(硫酸化或乙酰化)的选择决定了syndecan -1分子的功能,因为尽管CS 带有很多负电荷,但HS 却与细胞外基质配体具有更大的亲和力。

而HS 侧链硫酸化程度不同,也影响syndecan -1分子与胶原之间的亲和力。

Sanderson 等研究发现[4]
,骨髓瘤细胞株MPC -11和P3细胞表达几乎相等密度的synde -can -1分子,其分子量、核心蛋白、HS 链的大小也相似,但MPC -11细胞由于其N -硫酸化、2-O 硫酸化程度较P3细胞高,而6-O 硫酸化程度较底,故MPC -11细胞表面的syndecan -1分子能介导该细胞同I 型胶原的粘附,而P3细胞则不能,表明syndecan -1分子胞外段GAG 决定细胞与基质粘附的基本特性。

112 疏水的跨膜结构
由25个氨基酸构成,含有一对规律排列的甘
氨酸残基,与肌动蛋白微纤维相互作用,可作为细胞骨架和细胞外基质作用的桥梁,具有维持细胞形
态和信号传导的功能。

113胞浆结构域
位于羧基末端,含有34个氨基酸。

其中包括4个保守的酪氨酸残基。

此序列高度保守,人、大鼠、小鼠、兔等种属此段序列都相同,但其确切的功能尚不清楚。

2syndecan-1分子的表达及其调节
成年小鼠体内仅上皮细胞表达syndecan-1分子。

除最表浅的终末分化细胞,几乎所有的人上皮细胞都表达syndecan-1分子。

单层和复层上皮、内皮细胞、纤维母细胞、复层角质细胞都表达synde-can-1分子,CD34+造血祖细胞、定向分化的造血干细胞、T细胞则不表达。

对于人B细胞,syndecan-1的表达与B细胞和细胞外基质相互作用的时间和部位有关:前B细胞表达syndecan-1分子,而成熟B 细胞一旦释放入外周血循环,syndecan-1分子则缺失;当成熟B细胞在外周淋巴组织分化为浆细胞时,细胞又重新表达syndecan-1分子。

最新研究表明,鼠B细胞的发育受I L-7严格调控,早期前B祖细胞若无IL-7存在,即发生凋亡。

另外低浓度IL-7有助于已分化的B细胞成熟,而基质细胞以及前B 细胞表面的HS作为IL-7的共受体,对于前B细胞在骨髓特定部位的定居及定向发育具有重要作用[5]。

由此可见,syndecan-1分子对于介导B细胞在骨髓部位定居、生长、分化具有重要的作用。

研究表明,syndecan-1表达受细胞发育、组织损伤修复及新生物的形成等调控。

胚胎形成过程中,尤其间质--上皮相互作用的关键时期,各种间质细胞表达syndecan-1分子明显增加,这是间质细胞在牙齿、肾、肢体、子宫、眼、鼻等部位积聚所必需。

并且syndecan-1分子也是维持正常上皮形态所必需。

培养的上皮细胞经胰酶去除其表面syndecan-1分子,可使细胞失去原有的粘附特性,表现为多形性,并呈/锚定0非依赖性生长;通过转基因技术,将syndecan-1全长cDNA序列整合到上述细胞,使之表达syndecan-1,则细胞重新恢复上皮形状和生长特性;宫颈癌早期不典型增生细胞其syndecan-1表达缺失,从而也表明syndecan-1分子与上皮形态和分化有关[6]。

由此可见,syndecan-1分子对组织器官发育也具有重要作用。

在机体恶性实体肿瘤形成过程中,肿瘤细胞表面syndecan-1分子的表达可以缺失,如头颈部及肺部鳞状上皮癌细胞syndecan-1分子的表达水平降低并与肿瘤恶性程度、瘤体积、淋巴结肿大、临床分期及预后呈负相关,若肿瘤细胞表面高表达syndecan-1分子,则预后良好[7]。

Matsumoto等对肝组织分析研究显示:肝炎和胆囊炎时,肝细胞及肝内胆管上皮细胞都表达syndecan-1分子,而57例肝癌(HCC)标本中,39例syndecan-1分子表达阴性,82.4%分化差的HCC标本中syndecan-1均阴性。

另外肝外转移的肿瘤细胞其syndecan-1表达明显降低,提示肝癌细胞syndecan-1分子表达缺失是肝癌细胞具有高度转移性的一个特征,即syndecan-1分子是肝癌细胞的转移抑制因子[8]。

Bayer-Garner等[9]分析来自于鳞状细胞癌的23个皮肤标本,发现syndecan-1表达缺失,伴随鳞状细胞失粘附增加,从而使得细胞间和细胞与细胞外基质的粘附减弱,促进恶变细胞侵入皮肤。

Stanley等[10]研究表明:乳腺浸润性导管癌细胞较之正常乳房导管上皮细胞,syndecan-1表达明显减少,而周围结缔组织和基质细胞表面syn-decan-1分子表达增加;反之,正常乳房结缔组织不表达syndecan-1分子。

由于syndecan-1分子能与纤维母细胞生长因子(bFGF)结合,故肿瘤基质synde-can-1分子的积聚有助于血管形成和基质增生。

因此,恶性细胞表面syndecan-1分子表达的缺失和基质细胞高表达syndecan-1,是促进乳腺浸润性导管癌转移的关键。

由此可见,syndecan-1分子的表达在控制恶性实体瘤细胞生长和转移中同样具有重要作用。

血液系统肿瘤细胞syndecan-1分子表达变化则相反。

Sebestyen等[11]证实,来源于慢性B细胞白血病的浆细胞和淋巴细胞性淋巴瘤的浆细胞表面都表达syndecan-1分子。

肿瘤细胞通过syndecan-1分子的HS链使整合素介导的细胞因子(如MIP-1、IL-8等)固定在ATL细胞表面,介导细胞同血管内皮细胞的粘附,从而有利于肿瘤细胞穿过血管内皮,发生组织浸润和转移。

不同临床症状和活动期的ATL患者,其细胞表面HS密度不同,并与肿瘤的髓外浸润特性有关。

人多发性骨髓瘤的浆细胞表达高水平syndecan-1分子,且可作为临床分离肿瘤细胞的标志。

有待证实的是syndecan-1与骨髓微环境中多种生长因子、细胞因子结合,是否可能促进造血细胞的恶性增殖?
多种上皮细胞表达syndecan-1,并可被组织再生及器官形成等多种生理过程调节。

这种调节作用均受某些生长因子及其它因素在基因转录水平以及转录后修饰水平调控。

如FGF诱导成纤维细
胞syndecan-1的表达,EGF、KGF诱导角质细胞syn-decan-1的表达。

对3T3成纤维母细胞,bFGF诱导syndecan-1表达,而PDGF或血管紧张素II诱导血管平滑肌细胞表达syndecan-1。

鼠或人类,TNF-A在体内能下调syndecan-1的表达。

因此,各种再生、发育和恶变过程中,syndecan-1的表达变化与TNF-A 有关[12]。

在组织损伤修复过程中,角质细胞表达syndecan-1可受皮肤局部炎症细胞释放的抗微生物多肽PR39影响。

PR39是富含脯氨酸的内源性抗微生物多肽,可诱导syndecan-1合成。

具有高度转移潜能的人肝癌细胞,其syndecan-1的表达减少。

将PR-39基因转染低表达syndecan-1的肝癌细胞株HLF,可使syndecan-1表达增加,但细胞侵入I型胶原的能力被抑制。

Kumar-Singh[13]等研究表明,鼠syndecan-1基因的启动子序列中含有几个W T1的潜在结合位点,其表达可被W T1上调。

小鼠乳腺上皮细胞株NOG-8经诱导表达Ha-Ras后,其细胞形态发生变化,并在悬浮培养条件下呈克隆样生长。

而变形细胞表面syndecan-1表达明显减少,核心蛋白的合成被抑制,但syndecan-1mRNA水平无变化。

表明在这种转化过程中,syndecan-1缺失,并非基因表达障碍所致,而是发生于肿瘤转化过程中的一个关键事件。

肝素酶对syndecan-1分子的作用值得注意[14]。

肝素酶又称内源性HS分解糖苷酶,正常机体多种血细胞(如血小板、中性粒细胞、单核细胞、活化的T、B细胞)以及培养的内皮细胞、平滑肌细胞等都具有肝素酶活性。

炎症状态下,肝素酶通过降解细胞表面与基质相互作用的HS链,有助于细胞通过基底膜,移行至炎症部位。

同时,通过肝素酶释放基质中与HS结合的生长因子,使之在损伤修复和血管形成中发挥重要作用。

新生血管的形成以及肿瘤细胞穿透基底膜及细胞外基质是肿瘤发生转移的基本过程,肝素酶可参与该过程的调节。

肿瘤发生转移的患者,其尿液及血清中含有高水平肝素酶,用肝素酶抑制剂(如低分子肝素)治疗实验动物,可明显降低肺癌转移的发生率。

因此,肿瘤细胞表面syndecan-1表达减少或缺失,可能与肿瘤状态下肝素酶活性增高,降解syndecan-1分子胞外HS 链有关,并进而影响预后,值得进一步研究。

鉴于syndecan-1分子的表达与多种生理过程以及肿瘤发生密切相关,因此阐明这些基因转录的启动子及调控元件,无疑对阐明syndecan-1的表达调节机理及功能具有重要意义。

3Syndecan-1分子的免疫及生化特性
311识别syndecan-1分子的单克隆抗体
用syndecan-1分子全长cDNA转染C OS细胞,经单抗检测分析表明,有4株单抗可特异性识别syndecan-1分子的核心蛋白或胞外段,即B-B4、B-B2、1D4、MI-15。

其中B-B4、1D4和MI-15能识别完整的sydnecan-1分子或核心蛋白。

交叉阻断实验表明,这三株单抗识别相同或相近的syndecan-1分子表位。

但MI-15不能识别被B-B4识别的Western blot蛋白条带,表明两者识别相似但不完全相同的抗原表位。

通过免疫共沉淀分析,B-B2和B-B4可分别识别95和200kD的蛋白分子,MI-15识别67 kD的蛋白分子。

分子量的不同乃因由于不同形式GAG和不同实验条件下GAG降解程度不同所致,与单抗的识别特性无关。

312可溶性syndecan-1分子(soluble syndecan-1)
可溶性syndecan-1分子含有完整的胞外段GAG 结构,能够与细胞外配体如bFGF及相应抗体结合[2]。

内皮细胞的培养上清中,可检出一定水平的可溶性syndecan-1分子。

我们分析了58例正常人外周血清可溶性syndecan-1分子水平,其中位数是64ng/ml,均值80ng/ml。

正常生理条件下,细胞表面syndecan-1分子胞外段以基本的速率从胞膜表面自发释放、脱落,并受生理过程所调控。

培养的粘附细胞以一定的速度释放可溶性syndecan-1分子,但一旦细胞呈悬浮状,这个过程即被加速。

当细胞经E GF和TRAP处理后,8h内syndecan-1升高2~3倍,而细胞表面分子无变化,mRNA水平亦无增加。

表明syndecan-1脱落增加是膜表面syndecan-1分子翻转,或翻译水平增加,或细胞内池耗尽所致。

在这个过程中,细胞表面syndecan-1分子保存至少50%,从而维持细胞的正常形态。

若细胞表面syn-decan-1分子明显减少,B1整合素重排,则细胞骨架肌动蛋白异常,细胞形态可发生变化[15]。

人皮肤损伤液中可检出一定水平可溶性synde-can-1,通过免疫共沉淀和Western-blot证实,皮肤损伤液中的可溶性syndecan-1与细胞表面脱落的syn-decan-1分子具有相同的分子量和与抗体结合特性。

损伤部位的内皮和纤维母细胞是可溶性syndecan-1的来源,损伤的修复伴随细胞破坏、蛋白酶活化、生长因子释放,这些过程都可加速syndecan-1分子的脱落。

但无论是自发分泌还是加速产生的可溶性syndecan-1分子,其核心蛋白相同。

SVEC-40是鼠
SV40转化的内皮细胞株,其细胞表面表达一定水平的syndecan-1分子,并且在有无血清的条件下,都能存活、生长。

PMA、EGF、HB-EGF等都能加速该细胞膜表面syndecan-1分子的脱落,这种加速作用与血清无关;同时血浆酶、凝血酶、上皮生长因子家族成员也可加速培养内皮细胞表面syndecan-1分子的脱落,但这种作用却可完全被含有血清的培养体系抑制,表明血清中含有阻止蛋白酶发挥作用的抑制因子,或血清抑制因子抑制了受体活化所需的蛋白酶活性。

实验证实,凝血酶可以直接通过对synde-can-1核心蛋白的水解作用或受体的活化而加速syndecan-1分子胞外段的脱落。

由此可见,可溶性syndecan-1的产生与机体的生理状态有关,并受诸多因素(如血清的存在等)调节。

313可溶型syndecan-1分子的作用
可溶性syndecan-1分子的生理效应可不同于细胞表面syndecan-1分子。

通过实验模型证实,细胞膜表面syndecan-1的表达可促进细胞的增殖。

293T 细胞是来自人胚胎肾脏的上皮细胞,其细胞表面不表达syndecan-1分子。

当将鼠全长cDNA序列转染293T细胞,使之高表达syndecan-1分子,在含10%血清的培养体系中,细胞生长速度较之对照明显加快。

当血清浓度降低至0.02%时,高表达syndecan-1分子的细胞不能存活;中等程度表达的细胞能够存活,但生长速度明显减慢。

表明在低浓度血清培养条件下,syndecan-1的表达与生长能力呈负相关,即血清中含有与syndcan-1结合的促生长因子。

当可溶性syndecan-1分子从细胞表面释放,作为多种因子的共受体,它的功能不断发生变化。

因此作为活化剂的细胞表面分子,可以成为可溶性抑制剂。

Mali等学者用syndecan-1的突变体研究证实,synde-can-1的胞外段能够抑制肿瘤细胞生长,刺激肌动蛋白聚合,诱导鼠乳腺肿瘤S115细胞上皮化。

来自转染syndecan-1S115细胞或正常鼠腺体(NMuMG)细胞的可溶性syndecan-1分子都能抑制S115肿瘤细胞的生长(nM水平),同样也能抑制其它肿瘤细胞株(如CarB和MCF-7)的生长。

另外可溶性syndecan-1分子可抑制破骨细胞的形成和促进成骨细胞的分化,从而影响骨细胞的分化和肿瘤微环境中肿瘤细胞的生物行为。

通过基因工程,使细胞表达syndecan-1分子,然后注射到SCI D小鼠体内,结果肿瘤的发展及其相关症状都得以缓解[16]。

由此可见,可溶性syndecan-1分子以旁分泌形式或系统性作用,对调节肿瘤的发生与发展具有很重要作用。

众所周知,bFGF具有丝裂原样作用,参与损伤修复、炎症反应、血管形成、血管出芽和肿瘤生长、转移等一系列生理和病理过程。

FGF需要双受体系统介导其细胞内效应。

信号传导是通过FGF受体(FGFR),另外的一个受体是细胞表面的硫酸乙酰(HS)粘结聚糖,后者主要来源于syndecan-1分子。

syndecan-1分子胞外段脱落是一个被高度调控的过程,可被组织损伤部位释放的生长因子和蛋白酶加速,并在皮肤损伤液中积聚。

但其作用却依赖于HS链硫酸化程度:当可溶性syndecan-1分子HS 链处于低硫酸化状态时,可作为肝素介导bFGF丝裂原活性的潜在抑制剂。

当经炎症或损伤部位释放的肝素酶作用降解其低硫酸化HS链,可溶性syndecan-1分子则能活化bFGF的丝裂原活性[17]。

选择来源于B前体细胞稳定转染FGFR1、但无HS 结构的F32细胞进行研究,发现可溶性syndcan-1以与可溶性FGFR相似的方式发挥作用,而FGFR竞争性与细胞表面多种FGF结合[18]。

因此,不同生理条件下可溶性syndecan-1分子可分别作为bFGF 的拮抗剂或激动剂,发挥不同的生物学效应。

参考文献
1Liu W et al.J Bi ol Chem,1998;273:22825
2Masato K et a l.Nature Medicine,1998;4:691
3Mail M et al.J Biol Chem,1994;269:27795
4Sanderson RD et al.J Immunol,1992;148:390
5Gupta P et al.Blood,2000;95:147
6Inki P et al.J Pathol,1994;174:349
7Anttonen A et al.Br J Cancer,1999;89:558
8Matsumoto A et al.Int J Cancer,1997;74:482
9Bayer-Garner IB et al.J Cutan Pathol,1999;26:386
10Stanley MJ et al.Am J Clin Pathol,1999;112:377
11Seberstyen A et al.Br J Heamatol,1999;104:412
12Syrokou A et al.Biochimie,1999;87:733
13Kumar-Singh S et al.J Pathol,1998;186:300
14Vlodasky I et a l.Nat Med,1999;5:793
15Iheche NS et al.J Cellu Physio,1996;468:625
16M adhav V et al.Blood,1998;91:2679
17Filla MS et al.J Cell Physol,1998;174:310
18Liekens S et al.J Cell Pharmacol,1999;56:204
(2000-02-26收稿)。