鈣黏蛋白在胰島功能維持和糖尿病視網(wǎng)膜病變發(fā)生中的研究進(jìn)展▲

何騰飛 閆婉玉 張小用 劉凱歌

(西安醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院消化內(nèi)科，陜西省西安市 710004，電子郵箱：htf927927@163.com)

【提要】 鈣黏蛋白作為介導(dǎo)細(xì)胞間黏附連接的鈣依賴(lài)性黏附分子，與腫瘤的分化、細(xì)胞黏附、凋亡、血管生成、侵襲和轉(zhuǎn)移等方面密切相關(guān)。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，鈣黏蛋白與糖尿病患者的胰島功能維持及糖尿病視網(wǎng)膜病變的發(fā)生有密不可分的關(guān)系，可能是糖尿病微血管病變的預(yù)警因子。本文對(duì)鈣黏蛋白的分子結(jié)構(gòu)、生物學(xué)功能及其與胰島功能維持、糖尿病視網(wǎng)膜病變之間的關(guān)系的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

2型糖尿病是一種慢性、非傳染性、累及多個(gè)系統(tǒng)的疾病，長(zhǎng)期高血糖可導(dǎo)致微血管系統(tǒng)功能受損，最終誘發(fā)糖尿病腎病、糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy,DR)和糖尿病神經(jīng)病變等并發(fā)癥，影響患者的生活質(zhì)量和總體預(yù)期壽命。DR的發(fā)病機(jī)制目前尚未完全清楚，普遍認(rèn)為由高血糖、血流動(dòng)力學(xué)障礙、蛋白質(zhì)的非酶促糖基化、凝血機(jī)制異常、氧自由基形成異常及多種血管增殖因子異常表達(dá)等多種因素協(xié)同作用所致[1]。DR是糖尿病最常見(jiàn)的微血管并發(fā)癥之一，也是成人致盲的主要眼病，其早期病理特征是視網(wǎng)膜微血管周細(xì)胞凋亡、血管滲透性增加、進(jìn)行性血管閉塞。DR的發(fā)病率較高，我國(guó)約33%的糖尿病患者并發(fā)DR，其中約8%的DR患者最終喪失視力[2]。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究表明，鈣黏蛋白與糖尿病患者的胰島功能維持及DR的發(fā)生有密不可分的關(guān)系，特別是N-鈣黏蛋白、E-鈣黏蛋白、VE-鈣黏蛋白可能是DR患者微血管病變的預(yù)警因子。故本文就鈣黏蛋白的特點(diǎn)，以及其在胰島功能維持和視網(wǎng)膜病變發(fā)生中的作用進(jìn)行綜述。

1 鈣黏蛋白的概述

1.1 鈣黏蛋白的分類(lèi) 鈣黏蛋白是一組介導(dǎo)同型細(xì)胞之間黏附連接的鈣依賴(lài)性Ⅰ型跨膜糖蛋白，是由114個(gè)鈣依賴(lài)性黏附蛋白組成的超家族，是細(xì)胞黏附分子之一[3]，參與形成及維持正常細(xì)胞間的連接和極性，對(duì)細(xì)胞分化、發(fā)育及腫瘤細(xì)胞侵襲、轉(zhuǎn)移具有重要作用。鈣黏蛋白根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為經(jīng)典型鈣黏蛋白、橋粒、原始鈣黏蛋白、非經(jīng)典型鈣黏蛋白，在大多數(shù)高等生物中，經(jīng)典型鈣黏蛋白是鈣黏蛋白家族的一個(gè)主要亞類(lèi)，可進(jìn)一步細(xì)分為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型經(jīng)典型鈣黏蛋白。Ⅰ型經(jīng)典型鈣黏蛋白有5個(gè)主要成員，包括上皮細(xì)胞鈣黏蛋白1(E-鈣黏蛋白)、神經(jīng)元細(xì)胞鈣黏蛋白2(N-鈣黏蛋白)、胎盤(pán)鈣黏蛋白3(P-鈣黏蛋白)、視網(wǎng)膜鈣黏蛋白4(R-鈣黏蛋白)和鈣黏蛋白15(M-鈣黏蛋白)；Ⅱ型經(jīng)典型鈣黏蛋白由血管內(nèi)皮細(xì)胞鈣黏蛋白5(VE -鈣黏蛋白)和腎鈣黏蛋白6(K-鈣黏蛋白)等蛋白質(zhì)組成；Ⅲ型經(jīng)典型鈣黏蛋白的胞外結(jié)構(gòu)域具有一個(gè)保守的重復(fù)區(qū)域，稱(chēng)為原始經(jīng)典鈣黏蛋白結(jié)構(gòu)域，位于鈣黏蛋白重復(fù)序列和跨膜螺旋之間；Ⅳ型經(jīng)典型鈣黏蛋白有7個(gè)胞外結(jié)構(gòu)域[4]。

1.2 鈣黏蛋白的結(jié)構(gòu) 鈣黏蛋白含有5個(gè)鈣黏蛋白結(jié)構(gòu)域，自N端開(kāi)始分別被稱(chēng)為EC1、EC2、EC3、EC4和EC5。鈣黏蛋白由胞外區(qū)、跨膜區(qū)和胞內(nèi)區(qū)組成，其中胞內(nèi)區(qū)由一個(gè)折疊區(qū)域組成，它直接與p120連環(huán)蛋白和β-連環(huán)蛋白相互作用，間接與α-連環(huán)蛋白相互作用，調(diào)節(jié)細(xì)胞間的黏附，參與各種細(xì)胞生理過(guò)程的信號(hào)通路[4]。p120連環(huán)蛋白、β-連環(huán)蛋白與鈣黏蛋白形成復(fù)合物，參與調(diào)節(jié)胰島素囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)[4]。

1.3 鈣黏蛋白的生物學(xué)功能

1.3.1 N-鈣黏蛋白及E-鈣黏蛋白的生物學(xué)功能：20世紀(jì)80年代初，幾個(gè)研究小組于雞胚神經(jīng)管中發(fā)現(xiàn)了一種相對(duì)分子質(zhì)量為135 000的細(xì)胞表面蛋白，即N-鈣黏蛋白，是鈣黏蛋白家族中最早發(fā)現(xiàn)的成員。既往研究顯示，N-鈣黏蛋白與E-鈣黏蛋白在多種人類(lèi)惡性腫瘤中異常表達(dá)，與腫瘤的分化、細(xì)胞黏附、凋亡、血管生成、侵襲和轉(zhuǎn)移等方面密切相關(guān)[5]，通常在神經(jīng)元、內(nèi)皮細(xì)胞、心肌細(xì)胞、周細(xì)胞、上皮細(xì)胞(胰腺細(xì)胞)等多種細(xì)胞中表達(dá)。N-鈣黏蛋白最初發(fā)現(xiàn)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，可以促進(jìn)神經(jīng)元生長(zhǎng)、調(diào)節(jié)軸突和樹(shù)突生長(zhǎng)，誘導(dǎo)軸突的生長(zhǎng)錐沿著先驅(qū)纖維生長(zhǎng)[6]。N-鈣黏蛋白和E-鈣黏蛋白除了具有黏附功能，還參與多種信號(hào)通路的轉(zhuǎn)導(dǎo)，最為經(jīng)典的是與β-連環(huán)蛋白結(jié)合后參與經(jīng)典Wnt信號(hào)通路的轉(zhuǎn)導(dǎo)[7]。此外，N-鈣黏蛋白和E-鈣黏蛋白還可以增加細(xì)胞間的黏附性，從而抑制細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移[8]。在心肌細(xì)胞中，N-鈣黏蛋白的表達(dá)異常與縫隙連接蛋白的表達(dá)降低有關(guān)，易誘發(fā)心律失常[9]。在胰腺細(xì)胞中，N-鈣黏蛋白和E-鈣黏蛋白對(duì)于胰島的形成和胰島素的分泌均具有重要意義[10]。N-鈣黏蛋白還可以在內(nèi)皮細(xì)胞及周細(xì)胞中表達(dá)，促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞與周細(xì)胞的相互作用，在微血管的成熟和穩(wěn)定中起到至關(guān)重要的作用[11]。

1.3.2 VE-鈣黏蛋白的生物學(xué)功能：VE-鈣黏蛋白是內(nèi)皮細(xì)胞的特異性鈣黏蛋白，由Suzuki等[12]最先在腦組織中發(fā)現(xiàn)，其是定位于血管內(nèi)皮細(xì)胞上的一個(gè)跨膜蛋白，相對(duì)分子質(zhì)量約為140 000，由784個(gè)氨基酸組成，在維持血管內(nèi)皮細(xì)胞的生理功能、完整性及血管形成等方面均發(fā)揮重要作用。目前認(rèn)為，VE-鈣黏蛋白/聯(lián)蛋白復(fù)合體酪氨酸磷酸化及去磷酸化是調(diào)節(jié)VE-鈣黏蛋白功能的主要方式。多種物質(zhì)均可誘導(dǎo)VE-鈣黏蛋白發(fā)生酪氨酸磷酸化，導(dǎo)致血管通透性增加。VE-鈣黏蛋白還與動(dòng)脈粥樣硬化、高血壓、糖尿病、腫瘤、自身免疫性疾病等的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)[13]。

2 鈣黏蛋白與胰島功能維持的關(guān)系

胰島是胰腺內(nèi)的異質(zhì)細(xì)胞群，主要由分泌胰島素的β細(xì)胞、分泌胰高血糖素的α細(xì)胞和分泌生長(zhǎng)抑素的δ細(xì)胞組成，這些細(xì)胞排列成緊密的三維群集，它們同步工作以維持正常的血糖水平。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，從胰島中分離出的單個(gè)β細(xì)胞所分泌的胰島素比完整胰島內(nèi)的β細(xì)胞所分泌的胰島素更少，表明鈣黏蛋白在胰島細(xì)胞間的接觸和胰島分泌胰島素中具有重要作用[14]。

在健康人群中，血糖升高會(huì)被胰腺β細(xì)胞釋放的胰島素迅速抵消，并促進(jìn)周?chē)M織對(duì)葡萄糖的吸收和儲(chǔ)存。2型糖尿病發(fā)生機(jī)制之一是β細(xì)胞功能的緩慢喪失[15]。研究發(fā)現(xiàn)，2型糖尿病患者的胰島β細(xì)胞功能指數(shù)較正常人明顯降低，提示2型糖尿病患者的胰島功能較差[16]。研究表明，在胰島β細(xì)胞之間存在鈣黏蛋白介導(dǎo)的黏附連接，這已被證實(shí)與調(diào)節(jié)胰島素分泌有關(guān)[17]。鈣黏蛋白除了可通過(guò)黏附作用維持胰島結(jié)構(gòu)，對(duì)促進(jìn)胰島細(xì)胞的存活、增殖和分泌功能也同樣重要。

已有研究報(bào)告，經(jīng)典型鈣黏蛋白家族的一些成員，如E-鈣黏蛋白和N-鈣黏蛋白在人類(lèi)胰島中表達(dá)，N-鈣黏蛋白在β細(xì)胞中優(yōu)先表達(dá)，而E-鈣黏蛋白在α細(xì)胞和β細(xì)胞中的表達(dá)水平相近[14]。E-鈣黏蛋白對(duì)于胰島的正?？臻g結(jié)構(gòu)和β細(xì)胞的聚集形成假性胰島是必需的[18]。假性胰島類(lèi)似于天然胰島的細(xì)胞團(tuán)，較分散的細(xì)胞具有更好的胰島素分泌功能，并可影響胰島其他功能，胰島細(xì)胞中E-鈣黏蛋白和N-鈣黏蛋白的減少會(huì)促進(jìn)β細(xì)胞的凋亡[10]。有學(xué)者將胰島β細(xì)胞與E-鈣黏蛋白、N-鈣黏蛋白融合，證實(shí)了這兩種蛋白參與促進(jìn)人胰島β細(xì)胞的胰島素分泌[14]。Falc?o等[19]給予小鼠高脂肪飲食構(gòu)建糖尿病模型，發(fā)現(xiàn)小鼠胰島β細(xì)胞數(shù)量增加，葡萄糖刺激的胰島素分泌水平降低，胰島細(xì)胞間連接處的 E-鈣黏蛋白、N-鈣黏蛋白水平也顯著降低，同時(shí)觀察到糖尿病小鼠胰島中VE-鈣黏蛋白水平顯著增加。以上研究結(jié)果說(shuō)明鈣黏蛋白在胰島的細(xì)胞結(jié)構(gòu)維持、細(xì)胞間黏附和胰島素分泌方面均具有重要的調(diào)控作用。

3 鈣黏蛋白與DR的關(guān)系

DR是糖尿病微血管病變中嚴(yán)重的并發(fā)癥之一，其發(fā)生與血管相關(guān)細(xì)胞的凋亡有關(guān)，包括Müller細(xì)胞、周細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞。這些細(xì)胞的丟失與氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)有關(guān)，可導(dǎo)致血-視網(wǎng)膜屏障破壞，從而引起視網(wǎng)膜水腫、視網(wǎng)膜新生血管、視網(wǎng)膜功能障礙及失明。研究表明，在DR患者中，周細(xì)胞是最早被影響的血管細(xì)胞，周細(xì)胞的凋亡可引發(fā)內(nèi)皮細(xì)胞的改變，存在于內(nèi)皮細(xì)胞之間的鈣黏蛋白主要是VE-鈣黏蛋白和N-鈣黏蛋白，這些蛋白在維持血-腦屏障和內(nèi)皮細(xì)胞成熟中發(fā)揮重要作用[20]。這說(shuō)明N-鈣黏蛋白、VE-鈣黏蛋白在糖尿病微血管病變中可能發(fā)揮預(yù)警的作用，有可能成為篩查及治療糖尿病微血管病變的靶向目標(biāo)。

3.1 VE-鈣黏蛋白與DR的關(guān)系 周細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞的黏附由VE-鈣黏蛋白完成，且VE-鈣黏蛋白主要控制視網(wǎng)膜血管通透性。Deng等[21]研究發(fā)現(xiàn)，DR患者血清VE-鈣黏蛋白水平明顯高于健康人群，給予雷珠單抗治療后患者血清VE-鈣黏蛋白水平明顯降低，說(shuō)明VE-鈣黏蛋白參與DR的發(fā)生。Yoon等[22]在小鼠中使用化學(xué)抑制劑調(diào)節(jié)內(nèi)皮Notch信號(hào)，敲除小鼠內(nèi)皮特異性Jagged1基因，發(fā)現(xiàn) VE-鈣黏蛋白和N-鈣黏蛋白的表達(dá)水平降低。研究表明，N-鈣黏蛋白調(diào)控VE-鈣黏蛋白上游的血管生成相關(guān)因子，敲除N-鈣黏蛋白基因后，VE-鈣黏蛋白表達(dá)水平顯著降低，反之則沒(méi)有影響，表明VE-鈣黏蛋白表達(dá)水平下調(diào)可能與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控有關(guān)[23]?？傊珼R發(fā)生后，機(jī)體內(nèi)VE-鈣黏蛋白和N-鈣黏蛋白水平會(huì)明顯升高。VE-鈣黏蛋白和N-鈣黏蛋白是保護(hù)血管內(nèi)皮細(xì)胞完整性的重要鈣黏蛋白，在一定程度上兩者均可間接反映微血管內(nèi)皮細(xì)胞功能損傷和血管通透性增加的程度。Abu El-Asrar等[24]研究發(fā)現(xiàn)，增殖性DR患者的玻璃體液中VE-鈣黏蛋白水平顯著高于非糖尿病患者。血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子是一種血管生成因子，隨著糖尿病的進(jìn)展，其在視網(wǎng)膜中表達(dá)上調(diào)。血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子通過(guò)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子/血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子受體2/Src/VE-鈣黏蛋白信號(hào)通路，介導(dǎo)VE-鈣黏蛋白的磷酸化，導(dǎo)致血-視網(wǎng)膜屏障的破壞[25]。動(dòng)物及細(xì)胞實(shí)驗(yàn)均已證實(shí)了N-鈣黏蛋白和VE-鈣黏蛋白與DR的發(fā)生有關(guān)，并呈現(xiàn)時(shí)間依賴(lài)性[26]。

3.2 N-鈣黏蛋白和 E-鈣黏蛋白與DR的關(guān)系 上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)的重要特征是N-鈣黏蛋白上調(diào)及E-鈣黏蛋白下調(diào)，這已在纖維化疾病、肺動(dòng)脈高壓和腫瘤疾病中得到證實(shí)[27]。研究顯示，EMT在DR的發(fā)展中起著重要作用，而鈣黏蛋白在上皮細(xì)胞(如晶狀體上皮細(xì)胞、視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞、Müller細(xì)胞)的EMT中起著關(guān)鍵作用[28]。研究表明，在增殖性玻璃體視網(wǎng)膜病變、DR和老年性黃斑變性患者的玻璃體中，細(xì)胞因子(如轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β)升高，可誘導(dǎo)視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞N-鈣黏蛋白高表達(dá)、E-鈣黏蛋白低表達(dá)，并促使EMT發(fā)生[28]。Zhou等[29]研究表明，高葡萄糖條件可以增加Müller細(xì)胞中N-鈣黏蛋白、E-鈣黏蛋白的表達(dá)。以上研究表明，N-鈣黏蛋白、E-鈣黏蛋白可能通過(guò)介導(dǎo)EMT，參與DR的發(fā)生和發(fā)展。

4 展 望

鈣黏蛋白是一組介導(dǎo)同型細(xì)胞之間黏附連接的黏附蛋白，與腫瘤的血管生成、侵襲和轉(zhuǎn)移等方面密切相關(guān)。在糖尿病患者中，長(zhǎng)期的高血糖狀態(tài)會(huì)逐漸使鈣黏蛋白在細(xì)胞間的黏附作用降低，除了不能維持胰島結(jié)構(gòu)，還會(huì)促進(jìn)胰島細(xì)胞的凋亡、減少和胰島素分泌障礙。DR是糖尿病常見(jiàn)且嚴(yán)重的微血管病變并發(fā)癥之一，鈣黏蛋白與DR的發(fā)生密切相關(guān)，并與視網(wǎng)膜病變的嚴(yán)重程度相關(guān)。鈣黏蛋白參與胰島細(xì)胞的功能維持、胰島素分泌、糖尿病微血管內(nèi)皮損傷等，這可為糖尿病及糖尿病并發(fā)癥的治療提供新思路。VE-鈣黏蛋白作為評(píng)估血管內(nèi)皮功能的可靠生物標(biāo)記物,在糖尿病慢性微血管并發(fā)癥中起重要作用，其已應(yīng)用于糖尿病的臨床篩查和治療[30]。但目前大部分有關(guān)E-鈣黏蛋白和N-鈣黏蛋白在內(nèi)皮細(xì)胞、胰島功能中的作用研究，局限于細(xì)胞實(shí)驗(yàn)及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，在臨床上篩查及治療2型糖尿病的效果還需要進(jìn)一步明確?？傊?，鈣黏蛋白或可成為糖尿病慢性微血管并發(fā)癥的預(yù)警指標(biāo)，用于篩查、預(yù)防糖尿病及糖尿病微血管并發(fā)癥，將體內(nèi)鈣黏蛋白水平調(diào)節(jié)至正常水平或可成為治療糖尿病及DR的新方法。