细胞内吞的研究进展

医学信息 2013 年 8 月第 26 卷 3(中) Medical Information. Aug. 2013. Vol. 26临 床 医 学 收稿日期：2013-06-25 在细胞的新陈代谢过程中，不断有各种物质进出细胞，这些物质包括一些 离子，小分子物质，大分子物质及一些颗粒物质。 大分子物质及颗粒性物质不 能穿过细胞膜, 是以另外一种特殊方式来进行跨细胞膜转运的, 即物质在进 出细胞的转运过程中都是由膜包裹、形成囊泡、与膜融合或断裂使细胞外物质 进入细胞内。 这就是目前公认的生物体摄取生物大分子的主要途径-内吞作 用。 内吞作用被广义地分为两类,吞噬作用和胞饮作用，后者又根据胞吞物质 的大小包括 4 种。 网格蛋白依赖的内吞；小凹蛋白依赖的内吞；巨胞饮；网格 蛋白和小凹蛋白非依赖的内吞。 目前的研究发现内吞作用的异常表达可能参与了某些疾病的发生机制, 与糖尿病、神经性疾病等有关系，也与细胞的恶性转化紧密相关。 在这一领域 的深入研究,有助于我们认识这些疾病,从而发现新的治疗方法。 本文就细胞 的内吞途径和调控机制作一综述。 1吞噬作用 吞噬作用是指内吞大的颗粒物质( 250 nm) , 它为宿主提供了消化外源 性物质的直接途径,是最重要的免疫防护机制之一。 在哺乳动物体内吞噬作用 只能由特化的细胞来完成, 如巨噬细胞和中性粒细胞。 吞噬细胞通过免疫球 蛋白的 Fc 受体、 补体受体分别识别包裹病原体的免疫球蛋白 Fc 段及补体, 通过模式识别受体 PRRs 识别保守的病原体相关基序。 当细胞膜表面受体与 相应配体结合后即可启动下游信号转导, 引起摄入部位质膜下肌动蛋白聚合, 肌动蛋白收缩使吞噬细胞的质膜突出形成伪足包绕病原体, 伪足融合形成囊 泡。在胞质内,动力蛋白在囊泡颈部装配成环, 并水解与其结合的 GTP, 动力蛋 白收缩使囊泡自颈部与细胞膜断离形成吞噬体, 吞噬体再与溶酶体融合, 溶 酶体的酸性水解酶对病原体进行消化处理。 除吞噬病原体外, 吞噬细胞中的 巨噬细胞还能通过配体- 受体模式吞噬异物; 识别和杀伤肿瘤细胞; 识别和 清除变性的血桨蛋白、 脂类等大分子物质; 清除衰老与损伤了的细胞和细胞 碎片。 2胞饮作用 胞饮作用是指内吞细胞外液体及溶解在液体中的溶质的摄入过程。 2.1 网格蛋白依赖的内吞 由网格蛋白包被形成的小泡直径在 100150 nm 之 间。 网格蛋白在调控质膜蛋白组成中起重要作用,研究它对明确细胞和周围环 境是如何相互作用; 促有丝分裂信号的转导;细胞对营养的摄取;建立细胞外 环境细胞特性包括与免疫系统的作用和维持细胞内环境的稳定性有重要的意 义。 2.1.1 网格蛋白与衔接蛋白 网格蛋白为包被液泡外面骨架蛋白, 是蛋白质和 脂类、营养物质、抗体和生长因子等从质膜运到胞内的方式,也是蛋白质和脂 类从反式高尔基网状物(TGN) 到核内体的载体. 网格蛋白形似蜘蛛,由 3 根大 链在顶部聚合而成,也称为三脚复合蛋白(triskelion)1。 衔接蛋白位于包被液泡 的内部, ,具有膜结合与定位、识别分类信号和结合肌醇磷酸化的功能。现在已 发现 4 种衔接蛋白(AP124) ,分别能识别 6-磷酸甘露糖受体、转铁蛋白、低密 度脂蛋白和表皮生长因子受体、酪蛋白酶和脱唾液酸受体。 2.1.2 作用机制 网格蛋白从招募到终解离是非常短暂的过程. 主要分为: 在 质膜受体胞质尾区分类信号和停靠蛋白(docking protein) 的作用下,招募 AP2 复合体到高活性、易酶解位点,启动网格蛋白包被液泡在质膜的形成1；在活体 内, 内吞包被液泡不同程度的弯曲， 网格蛋白包被液泡的芽殖需要含有 GTP 酶的动力蛋白 dynamin, dynamin 在体外形成指环形或管形, 它是液泡从膜上 解离的扳机；包被液泡的脱壳，需要 hsc70、辅助蛋白和 ATP。 网格蛋白的大链 有两个位点与衔接蛋白相互作用，hsc70 与网格蛋白也在这两个位点相互作 用破坏网格蛋白与衔接蛋白间的作用。 过表达 hsc70 突变型,阻断转铁蛋白受 体的循环,使装配-拆卸平衡向装配方向移动。 在体外 hsc70 介导网格蛋白 从包被液泡上解离。 2.2 小凹蛋白依赖的内吞 caveolae 是细胞表面特异性内陷结构， 亦称细胞质 膜微囊。 由小凹蛋白(caveolin)包被形成的小泡直径在 50100nm 之间。 主要由 脂类和蛋白质组成。 caveolin 是 caveolae 的主要的表面标志蛋白, 是构成 caveolae 的完整膜蛋白。 主要存在于膜上的囊泡、高尔基体和部分可溶的脂蛋 白复合物中。 如果敲除 Caveolin 的基因, 即不能形成 Caveolae, caveolae/ caveolins 介导了许多物质的内吞,是非网格蛋白依赖的内吞途径的主要形式。 2.2.1Caveolae早在 1950 年, 日本学者 Yamada 采用透射电子显微镜首次观 察到细胞质膜上存在一些小囊泡(Caveolae) ,这些囊泡单独或成串出现,以内陷 的形式连接在细胞质膜上,呈现典型的脂质双层结构2。 目前认为 Caveolae 是 信号转导中心， 许多与信号转导有关的受体、 激酶和联接蛋白质在 Caveolae 区域高度富集。 在 caveolae 胞吞作用的调节过程中酪氨酸激酶依赖信号的激 活是一个重要步骤。 2.2.2caveolin 是修饰于 caveolae 内表面的膜整合蛋白,分子量 2125 kD,由 N 末端区、跨膜区和 C 末端区组成,N 末端和 C 末端均面向胞质面,其肽链似发 夹状结构。 在 Caveolae 的组装过程中 Caveolin 及胆固醇起关键作用,是许多信 号分子的支架蛋白和负性调节蛋白,属于高度保守的完整膜蛋白家族3。Frank 等4通过实验证实了 Caveolin1 是 Caveolae 细胞转胞吞作用的关键分子。 迄今 为止,在哺乳动物已发现 Caveolin 的 4 种异构体: Caveolin1、1、2 和 3。 它们 是不同基因编码的产物, 大多数细胞主要表达 Caveolin1 和 Caveolin2 ， 尤以 终末分化的细胞, 如脂肪细胞、 内皮细胞和成纤维细胞中含量丰富,而 Caveolin3 主要存在于各种肌细胞(如心肌细胞、骨骼肌细胞及横纹肌细胞)中 与肌细胞的合成密切相关5。 Caveolae 作为信号分子发挥作用的平台, 参与信号转导，Caveolin1 则处 于各个信号通路的中心位置。 Caveolin 在正常的信号转导通路中抑制信号分 子的激酶活性，作为信号分子的支架蛋白和负性调节蛋白。 Caveolin2 的骨架 区域无抑制活性, 可能 Caveolin2 存在其它的信号分子活性抑制区域。 Caveolin- 3 在肌细胞中参与了能量代谢。 Caveolin 还参与胆固醇平衡, Caveolin1 与胆固醇具有极强的亲和力, 因此 Caveolae 中胆固醇的含量远高于 其他生物膜。 Caveolin 与肿瘤的相关性问题已成为肿瘤生物学研究的热点之一, 其中, 对 Caveolin1 与肿瘤发生、转移关系的研究最为深入。 Caveolin1 基因 CAV 定 位于可疑肿瘤抑制位点(D7S522 ;7q31.1),此位点在多种肿瘤中(如肝癌、卵巢 癌、乳腺癌、子宫肌瘤、胃腺癌等)出现缺失或断裂7。 此外,用反义 Caveolin1 诱 导正常的 NIH 3T3 细胞,裸鼠内肿瘤细胞移植见肿瘤形成,表明 Caveolin1 具 有肿瘤抑制因子的功能,CAV 或 CAV1 可能是一种抑癌基因。 在许多癌症和 活化的癌基因转染的细胞中,Caveolin1 的 mRNA 和蛋白水平表达下降或缺失 8。 体内实验证实 Caveolin1 的突变或缺失能导致乳腺上皮细胞的过度增殖, 促进乳腺癌的发生9。 Caveolin1 在大多数肿瘤形成中可能发挥抑癌基因样作 用。 此外, Caveolins 在高胆固醇血症、糖尿病等疾病中表达增加6,还参与阿尔 茨海默病10,肌肉病变11与心肺疾病的发生。 3巨胞饮 在某些因素刺激下, ,通常在伸展细胞的边缘的细胞膜皱褶形成大且不规 则的原始内吞小泡, 被称为巨胞饮体。 巨胞饮体大小不一， 直径一般为 0.5 2m。 巨胞饮在巨噬细胞和树突状细胞中发挥主要作用,在许多肿瘤细胞中也 存在。 巨胞饮体没有网格蛋白或小凹蛋白包被, 其在早期形成阶段与肌动蛋白 密切相关， 为非选择性内吞细胞外营养物质和液相大分子提供了一条有效的 途径。吞噬过程中,由肌动蛋白富集的伪足吞噬大的颗粒物质形成吞噬体,而巨 胞饮体则没有。 它们受到多种蛋白的调节,如肌动蛋白、Scar 蛋白、AP21 连接 复合体,RabB。 细胞膜皱褶形成的程度不同,导致了巨胞饮产生的速率不同。 巨胞饮体的形成能显著地被细胞松弛素 D 和秋水仙碱抑制, 提示微管和 微丝在这个过程中扮演重要角色。 其机制可能为多种因素的刺激,相应的受体 酪氨酸激酶被激活,激活的受体快速自我磷酸化。 磷酸化的残基招募 PI3 激酶 并激活之,活化的 PI3 激酶促使 Rac1 的激活。 活化的 Rac1 可能通过两条途径 引起微丝的重构:活化的 Rac1 激活 PAK1,活化的 PAK1 调节肌球蛋白轻链 的磷酸化状态。 肌球蛋白与肌动蛋白的相互作用又受到磷酸化状态的肌球蛋 白轻链的调节。 肌球蛋白与肌动蛋白相互作用促进微丝的重构,细胞膜皱褶的 产生, 巨胞饮的形成; 活化的 Rac1 结合到其靶蛋白 IRSp53 的氨基末端, IRSp53 的羧基末端的 SH3 区域与 WAVE 结合形成三分子复合体 12, 从而激 活 WAVE 蛋白, 活化的 WAVE 进一步激活肌动蛋白相关蛋白 Arp2 /3 复合 体。活化的 Arp2 /3 复合体刺激微丝成核,促使微丝的重构,细胞膜皱褶的形成, 巨胞饮的产生。 4细胞膜微域 它和 caveolae 有相似的脂质组成但是不通过 caveolins 发挥作用。 此途径 通过发动蛋白和 Rho A 依赖的机制发挥作用， 或通过网格蛋白非依赖、 dynamin-2 非依赖、Cdc4 介导的胞饮途径内吞糖化磷脂酰己醇锚定的蛋白质。 细胞内吞的研究进展 张 珦，李紫燕 （南京中医药大学附属医院，江苏 南京210029） 摘要：内吞作用是细胞膜通过变形运动将细胞外物质转入细胞内的过程，这个过程并不是一连串蛋白依照严格的时间顺序按部就班进行的简单过程,而是一个有 许多成员参加的、受到精密调控的复杂过程。 细胞内吞作用被广义地分为两类,吞噬作用(phagocytosis)和胞饮作用(pinocytosis)。 许多蛋白参与内吞中的不同阶段发 生的事件，并在各个环节都扮演着很重要的角色。 内吞作用的异常表达可能参与了某些疾病的发生。 关键词：内吞作用；网格蛋白；小凹蛋白；信号传导 655 医学信息 2013 年 8 月第 26 卷 3(中) Medical Information. Aug. 2013. Vol. 26临 床 医 学 该途径在内吞 IL-2 中发挥作用。 5结论 在过去数十年对内吞进行的研究中, 已经发现了许多参与这一过程的分 子,并使我们对内吞的过程和机制都有了初步了解。 随着越来越多新的研究手 段在这一领域的应用,我们将能更全面地认识细胞内吞机制。 将进一步解决肿 瘤细胞是否通过增加内吞比正常细胞获得更多的能量和营养物质呢? 是否通 过增加生长因子的内吞而增大自身体积呢？ 是否通过诱导肿瘤细胞内吞特异 性药物而达到治疗肿瘤的目的？ 等一系列的问题。 参考文献： 1Kirchhausen T. Clathrin J . Annual Review Biochemistry, 2000, 69: 699-727. 2Kiss AL, Turi A, Muller N, et al. Caveolae and caveolin isoforms in rat peritoneal macrophages J . Micron, 2002 , 33(1) :75-93. 3 Rajjayabun PH, Garg S, Durkan GC, et al. Caveolin-1 expression is associated with high- grade bladder cancer J .Urology ,2001 ,58(5) :8112814. 4 Frank PG, Woodman SE, Park DS, et al. Caveolin, caveolae and endothelial cell function J . Arterioscler Thromb Vasc Biol, 2003, 23 (7): 1161-1168 5Krajewska WM, Maslowska I. Caveolins: structure and function in signal transductionJ. Cell Mol Biol Lett, 2004, 9(2): 195. 6 Pascariu M, Bendayan M,Ghitescu L. Correlated endothelial caveolin overexpression and increased transcytosis in experimental diabetesJ. J Histochem Cytochem,2004,52(1):65. 7 Fra AM, Pasqualetto E, Mancini M, et al. Genomic organization and transcriptional analysis of the human genes coding for caveolin-1 and caveolin2J . Gene,2000 ,243 :75283. 8 Cameron PL ,Liu C ,Smart DK,et al. Caveolin1 expressionis maintained in rat and human astroglioma cell lines J .Glia ,2002 ,37 (3) :275-290. 9 Williams TM, Cheung MW, Park DS, et al. Loss of Caveolin1 gene expression accelerates the development of dysp lastic mammary lesions in tumor prone transgenic mice J . Molec Biol Cell, 2003, 14 (3): 1027-1042 10 Gaudreault SB, Dea D Poirier J Increased caveolin-1 expression in Alzheimers disease brain J . Neurobiol Aging,2004, 25 (6) : 753-759 11Mller JS, Piko H, SchoserBG, et al. Novel splice site mutation in the caveolin-3 gene leading to autosomal recessive limb girdle muscular dystrophy J . NeuromusculDisord, 2006,16 (7) : 432-436. 12 Miki H, Yamaguchi H, Suetsugu S, et al. IRSp53 is an essential intermediate between Rac andWAVE in the regulation of membrane ruffling J . Nature, 2000, 408: 732 735. 编辑/许言 收稿日期：2013-06-20 维生素 D （ VitD）在人体生理学过程中起着极其重要的作用，它主要影响的 是钙磷平衡和骨代谢的生理过程。 维生素 D 受体 （ VDR）广泛存在于人体各组 织内，尽管维生素 D 经典的作用部位是骨骼肌系统，但它同时也作用于心血 管系统、全身的炎症反应、氧化应激、免疫调节等方面。 实际上，在许多流行病 学研究中， 维生素 D 缺乏已不是传统意义上的与维生素 D 及有机物代谢相 关，而被认为是许多疾病 （ 如肿瘤、心血管疾病、高血压、糖尿病）的危险因素。 一个观察性研究的荟萃分析显示 VitD 浓度达到最高时与其较低浓度时相比， 心血管代谢障碍会减少 43%。 这个荟萃分析表明中老年人群保持较高的维生 素 D 水平与大量减少心血管疾病、2 型糖尿病和代谢综合症的发生密切相关 1。 也有证据表明低血清维生素 D 水平与冠心病发病相关，并呈负相关，维生 素 D 缺乏可能通过影响收缩压与血糖水平而成为冠心病的潜在危险因子2。 帕立骨化醇是维生素 D 衍生物， 具有与活性维生素 D 相似的生物学活性，是 选择性维生素受体激动剂。 本文仅对选择性维生素受体激动剂帕立骨化醇对 心血管系统保护作用综述如下。 1维生素D对心血管系统的作用机制 维生素 D 和心血管系统的关系及其作用机制尚不明确。 一些人指出许多 动脉粥样硬化的较高危因素普遍存在于维生素 D 缺乏状态下，如糖尿病和高 血压患者。其中也包括维生素 D 对心血管系统造成的直接影响。也就是说，这 些影响是无机物和骨代谢以外的，由心血管系统中广泛存在的 VDR （ 心肌、血 管平滑肌细胞、内皮细胞）产生的作用结果。 维生素 D 可以刺激 VDR 对心血 管系统造成直接影响。 包括它对炎症、内皮功能紊乱、血管顺应性、细胞增殖 和分化的影响，以及激活抑制动脉钙化和粥样化的细胞因子，抑制了动脉钙化 相关的蛋白质，防止血栓的形成，也包括它对甲状旁腺素和肾素-血管紧张素 系统的影响。 后两者参与了内皮损伤和动脉粥样硬化的开始和进程中。 并有研究认为，VDR 同样存在于内皮细胞， 维生素 D 缺乏不仅可以减少 循环内皮祖细胞 （ EPCs）的数量，还能减弱其增殖和形成血管能力,进而减弱其 参与维持内皮功能的作用，促进动脉粥样硬化发生发展，进而影响到心血管疾 病的发生发展，低水平的维生素 D 浓度是冠心病风险增加的独立危险因素(风 险比：054，95CI：034084，P=0007)3。 余华，等4研究发现，稳定性心绞痛患 者血清维生素 D 浓度明显低于正常水平，且维生素 D 浓度下降到一定程度可 以引起循环 EPCs 水平的下降，血清维生素 D 浓度降低是循环 EPCs 水平下降 的独立危险因素，推测血清维生素 D 浓度的下降也可以预测心血管危险事件 发生的风险，而补充足够的维生素 D 还可能增加体内循环 EPCs 水平，进而预 防并减少心血管急性事件的发生。 从动物模型得到的数据也表明了维生素 D 对心脏及血管结构有直接影 响。 有研究表明，VDR 激动剂可能是通过减少心脏的氧化应激作用来抑制心 肌肥厚和纤维化，从而达到心脏保护作用的5。 2选择性维生素D受体的激活 由于维生素 D 可以引起血钙和磷水平的升高，人们对维生素 D 可能造成 的副作用表示担忧。 高磷血症和高钙血症会促使血管、心肌和心脏瓣膜的钙 化。在维生素 D 用药环境中，磷在促进血管钙化的进程中起到了关键作用。更 新的维生素 D 衍生物被认为可减少高钙和高磷血症的风险。 目前三代的维生 素 D 衍生物帕立骨化醇在这方面就优于骨化三醇。 在同样的血钙和磷浓度 下，帕立骨化醇比骨化三醇产生血管钙化的作用更小。帕立骨化醇有作用于细 胞核 VDR 的特性，故被成为选择性 VDR 激活剂。与主要作用在肠道和骨质的 骨化三醇相比帕立骨化醇则更多的作用于分子水平，故具有更高的选择性，并 使血中钙磷保持较低水平。这种选择性 VDR 激活剂具有抗炎、抗血栓作用，能 抑制血管平滑肌细胞增殖、肾素-血管紧张素系统、血管钙化和硬化，并能逆 转左室肥厚。 3帕立骨化醇和心脏保护作用 帕立骨化醇是三代维生素 D 衍生物，它可通过抑制钙化诱导物及激活钙 化抑制因子减缓血管钙化的进程。 帕立骨化醇有数个作用机制， 其作用于 VDR 并干预了心血管疾病的形成路径，包括抗增殖作用、抗纤维化作用，减少 血管紧张素、肾素、肾素受体、血管内皮生长因子信使核糖核酸 （ mRNA）水平， 从而影响了心血管系统， 并具有潜在的防止动脉粥样硬化病理过程的作用。 Meems，等6报道了帕立骨化醇的在动物模型中的抗纤维化作用，帕立骨化醇 减少了心肌纤维化，由于左心室的压力负荷与此相关，因此使左心室的舒张功 能得以维持。 数据表明维生素 D 衍生物有效的阻止心肌肥厚的进展，其原因 一部分是由于抑制了肾脏和心脏的肾素水平。 另外，它也通过上调 VDR 抑制 了左心室肥大的进展、心肌和血管的纤维化、心脏动脉管壁的增厚。 4结论 帕立骨化醇高选择性的作用于细胞核的 VDR， 使血中钙磷保持较低水 平，因此在不增加血管、心肌和心脏瓣膜钙化风险的同时，能更好的发挥其抗 炎、抗血栓、抑制血管平滑肌细胞增殖和肾素-血管紧张素系统、防止血管钙 化和粥样硬化、逆转左室肥厚的作用。 然而，选择性 VDR 激动剂对心血管系 统、炎症反应和氧化应激的选择性作用机制尚不明确。虽然有研究测试了帕立 骨化醇对心脏功能的影响，但研究对象大多是慢性肾病患者。未来研究重点可 能会是冠心病患者、心力衰竭伴有或不伴有慢性肾脏疾病患者，帕立骨化醇用 药对心脏功能、内皮功能、血管形态学、炎性标记物和氧化应激的影响。帕立骨 化醇通过提供了额外的心、 肾保护作用使心力衰竭尤其是心肾综合症患者得 到比单纯常规治疗更佳的疗效。 另外，进一步深入研究维生素 D 缺乏与冠心 病发病及其与冠心病危险因素的关系，将对防治冠心病具有深远影响。 参考文献: 1 Parker J, Hashmi O, Dutton D, et al. Levels of vitamin D and cardiometabolic disorders: systematic review and meta-analysis. Maturitas. 2010;65:225-236. 2林苗 黄旭梅 杨丽翠等，维生素D水平与冠心病及其危险因素的关系J.中国现代医 生，2011，49（18）：77-79 3 Shanker J，Arvind P，Dash D，et al Role of vitamin D levels and vitamin D receptor polymorphisms in relation to coronary artery disease：the Indian atherosclerosis research studyJ Cornn Artery Dis，2011，22(5)：324-332 4余华，肖方毅，张怀勤等.稳定型心绞痛患者的血维生素D浓度和循环内皮祖细胞的关 系J.医学研究杂志，2012，41（11）：154-158 5 Meems LM, van der Harst P, van Gilst WH, de Boer RA. Vitamin D biology in heart failure: molecular mechanisms and systematic reviewJ. Curr Drug Targets.2011;12:29-41. 6 Meems LM, Cannon MV, Mahmud H, et al. The vitamin D receptor activator paricalcitol prevents fibrosis and diastolic dysfunction in a murine model of pressure overload J.J Steroid Biochem Mol Biol. 2012;132:282-289.编辑/许言 选择性维生素 D 受体激动剂帕立骨化醇对心血管系统保护作用 杨 琦 （天津市胸科医院心内科，天津300051） 摘要：人体内无处不在的维生素D受体维持了维生素D受体的多效性。 我们根据新的试验来讨论选择性维生素D受体激动剂帕立骨化醇对心血管系统的有利影 响。 关键词：维生素D；心血管系统；冠心病；帕立骨化醇 656 细胞内吞的研究进展细胞内吞的研究进展 作者：张珦， 李紫燕 作者单位：南京中医药大学附属医院,江苏 南京,210029 刊名： 医学信息 英文刊名：Medical Information 年，卷(期)：2013(20) 被引用次数：2次 参考文献(12条)参考文献(12条) 1.Kirchhausen T Clathrin 2000 2.Anna L. Kiss;Agnes Turi;Nandor Muller;Orsolya Kantor;Erzsebet Botos Caveolae and caveolin isoforms in rat peritoneal macrophages外文期刊 2002(1) 3.Raj ayabun PH;Garg S;Durkan GC Caveolin-1 expres ion is as ociated with high-grade bladder cancer 2001(05) 4.Frank PG;Woodman SE;Park DS Caveolin,caveolae and endothelial cel functio