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细胞屏障中缝隙连接的重要性及其相关疾病
发布时间:2020-07-18

  摘    要: 缝隙连接由连接蛋白组成,介导相邻细胞间通讯、心肌协调去极化、胚胎发育、微血管传导反应以及细胞增殖、迁移和分化等。在多种屏障(如,血脑屏障、血睾屏障、肠上皮屏障)失调相关疾病中,均可观察到缝隙连接组装和连接蛋白表达的改变。采用药物、合成阻断肽和基因手段调节连接蛋白表达或缝隙连接的形成有助于屏障功能的恢复,缝隙连接蛋白有望成为屏障失调相关疾病的治疗靶点。本文综述缝隙连接在细胞屏障中的作用及其与疾病发生发展的相关性。

  关键词: 缝隙连接; 血脑屏障; 血睾屏障; 肠上皮屏障;

  细胞连接介导相邻细胞间的黏附和通讯,不仅维持细胞屏障的完整性还限制分子的细胞旁路转运,其主要有三种类型,即紧密连接、黏附连接和缝隙连接。其中缝隙连接(gap junction,GJ)又称为细胞间缝隙连接信号传递(gap junction intercellular communication,GJIC),通过协调离子、氨基酸、葡萄糖、核苷酸、代谢物和第二信使(如Ca2+、cAMP、cGMP、IP3)的细胞间转移,介导细胞间的信息传递[1,2]。GJ参与调控胚胎发育、细胞增殖和分化、心肌及平滑肌收缩等生理过程,其相关蛋白表达异常可导致多种屏障功能缺损。本文综述GJ在细胞屏障中的作用及其与疾病发生发展的相关性。

  一、GJ的组成和功能

  每个GJ由两个半通道(或连接子)组成,后者由连接蛋白基因家族编码的同源或异源六聚体连接蛋白亚型构成,一个细胞质膜中的连接子与紧邻质膜的连接子对接,在六个连接蛋白的中间形成一个缝隙或通道,允许离子、小分子代谢物等在细胞间通过[1,2,3,4]。哺乳动物中已发现20余种不同的连接蛋白(connexins,Cxs),其中Cx43是GJ组成中的主要连接蛋白[5,6]。Cxs具有四个跨膜结构域,形成两个胞外环和一个胞内环,氨基端和羧基端均位于细胞内[7]。Cxs可与不同的蛋白质相互作用,包括细胞骨架蛋白(如微管、肌动蛋白、肌动蛋白结合蛋白等)、黏附连接蛋白(如钙粘蛋白、α,β-连环蛋白)以及紧密连接蛋白(claudins、occludins、ZO-1等)等,它们还与激酶、磷酸酶以及其他蛋白相互作用[8]。Cxs的表达具有组织特异性,如脑血管内皮细胞表达Cx37、Cx40和Cx43[9],睾丸表达Cx26、Cx33和Cx43(Cheng等.2012),而结肠表达Cx26、Cx31、Cx32、Cx36、Cx40、Cx43和Cx45等[7]。

  GJ参与和介导心肌的协调去极化、胚胎发育、微血管传导反应以及细胞增殖、迁移和分化等生理活动[2]。其功能调节机制复杂多样,Cxs表达为主要影响因素,Cxs亚型的缺失或突变会导致不同的表型和病变(Pfenniger等.2011)。此外,GJ在细胞屏障完整性的维持中发挥不可或缺的作用,如Cx43表达或定位异常可导致多种细胞屏障的功能缺损。疾病状态下,Cx43蛋白表达升高与血脑屏障和肠上皮屏障的通透性增加呈正相关,而与血睾屏障的通透性增加呈负相关。
 

细胞屏障中缝隙连接的重要性及其相关疾病
 

  二、GJ与血脑屏障的完整性

  血脑屏障是一种高度复杂的动态屏障,其完整性是由脑血管内皮细胞中一个独特的连接复合体负责维持,包括紧密连接、黏附连接和GJ。在正常生理条件下,这些复合体形成一个稳定的屏障,防止内皮细胞旁路渗透并保护大脑免受毒素和病原体的侵害,维系脑内稳态[9,10,11,12]。

  在发育过程中,GJ有助于维持血脑屏障的结构完整性,但在以组织炎症为特征的疾病状态,GJ可能促进炎症介质的释放,增加血脑屏障的渗透性[11,13]。有证据表明,小鼠大脑皮层星形胶质细胞中Cx43和Cx30表达缺失可破坏血脑屏障的完整性,导致屏障通透性增加(Ezan等.2012)。然而疾病状态下,血脑屏障功能障碍与脑血管内皮细胞膜上Cx43的积聚和GJ形成增加相关,Cx43激活了介导屏障渗透性的信号通路并促进屏障渗漏[10]。

  家族性脑海绵状血管瘤III型(f CCM3)是一种脑血管系统疾病,由致病基因CCM3的突变引起,导致毛细血管扩张,易出血。出血前,病变以高渗血脑屏障为特征[9]。在f CCM3小鼠模型中,免疫荧光染色发现Cx43蛋白表达升高,血脑屏障渗透性增加;在体外CCM3敲减的单层细胞中,Cx43蛋白表达升高(RNA水平无差别),GJ通讯增强,细胞渗透性增加。利用si RNA转染降低Cx43蛋白表达后,恢复了CCM3敲减单层细胞的完整性;给予Cx43介导的GJ特异性多肽抑制剂GAP27后,完全恢复CCM3敲减单层细胞的渗透性。表明Cx43介导的GJ对CCM3敲减细胞的屏障渗透性具有病理学意义[9]。此外,共聚焦显微镜发现,与正常细胞相比,CCM3敲减单层细胞中ZO-1、Claudin-5定位发生改变,由原来的优先定位于紧密连接处,转为在Cx43介导的GJ处积聚,紧密连接显示片段化染色(解聚)。给予GAP27后,紧密连接蛋白恢复到紧密连接结构(紧密连接相关片段延长),进而封闭屏障[9]。以上说明,GJ通过诱导紧密连接蛋白的错误定位而升高屏障渗透性,影响屏障功能。此外,在脑缺血再灌注损伤模型大鼠,Cx43蛋白表达升高,血脑屏障通透性增加,而通过运动预处理,Cx43蛋白表达减少且血脑屏障通透性显着降低[14]。

  三、GJ与血睾屏障的完整性

  血睾屏障是睾丸血管与输精管之间的一种物理屏障(Lee等.2007),由位于基底膜附近的相邻支持细胞(sertoli cells)之间的特殊连接构成,主要包括紧密连接、基底外质特化、GJ和桥粒,其中基底外质特化是一种非典型的黏附连接[15]。血睾屏障的主要功能是限制水、电解质、离子、营养物质、激素和旁分泌因子等通过支持细胞上皮进入顶腔,控制生殖细胞生长的腔内环境,并阻止细胞毒性物质进入输精管,维持生殖细胞的发育和运动[16]。

  血睾屏障需要细胞间连接蛋白的适当定位,以促进输精管基底膜附近形成连续的带状结构,以维持屏障的稳态[17]。血睾屏障破坏是男性不育的重要原因,表现为支持细胞中的紧密连接屏障功能失调,精子形成障碍、精原细胞丢失等(Wong等.2004,Mok等.2011)。有研究表明,GJ在精子形成过程中对紧密连接在血睾屏障的重组起着至关重要的作用,且相邻支持细胞间GJ和桥粒的减少会导致血睾屏障的破坏,如紧密连接优先降解,屏障渗透性增强(Lee等.2007,Li等.2012)。

  Cx43介导的GJ有助于维持血睾屏障功能,恢复屏障渗透性。Li等从出生20天大鼠睾丸中分离出支持细胞,并暴露于全氟辛烷磺酸(PFOS)24小时,建立血睾屏障损伤模型。结果显示,PFOS降低Cx43 m RNA和蛋白表达(P2、P1亚型),减弱GJ通讯,使Cx43、claudin 11、ZO-1、N-cadherin和β-catenin等连接蛋白定位紊乱,而过表达Cx43可逆转细胞间GJ通讯障碍,适度促进连接蛋白的正确定位,使屏障渗透性恢复到接近正常水平。进一步研究发现,Cx43过表达介导的GJ可维持睾丸支持细胞之间的正常通讯,这种重新建立的GJ功能反过来促进细胞骨架的重组,维持支持细胞中紧密连接介导的屏障功能[18]。Li等(2010)在体外试验中证实,双酚基丙烷(BPA)可诱导大鼠睾丸支持细胞的细胞间连接瓦解,细胞间GJ通讯减弱。移除BPA后,细胞间连接重组,且连接蛋白(包括occludin、N-cadherin、ZO-1、α-catenin和β-catenin)重新分布于细胞-细胞连接处,但采用si RNA转染敲减Cx43则抑制细胞间连接重组以及连接蛋白的重新分布。以上研究表明,Cx43介导的GJ可通过协调其他胞间连接维持细胞间的黏附功能,保证血睾屏障的完整性。

  四、GJ与肠上皮屏障的完整性

  肠上皮屏障的完整性依赖于紧密的上皮细胞间连接,肠上皮将外界环境(肠腔内容物)与机体分隔开,既可阻止有害物质,如外来抗原、毒素和微生物的进入[19],又可作为一个选择性过滤器,促进机体从肠道内吸收营养、电解质、水和各种其他有益物质(Groschwitz等.2009)。

  肠上皮屏障功能紊乱是炎症性肠病(inflammatory bowel disease,IBD)的病理特征之一,主要表现为屏障通透性增加,肠腔内炎症物质渗透,引起异常的炎症反应[20,21]。体外研究发现,炎症性肠上皮细胞的屏障通透性可能与Cx43表达上调及其与连接复合体相关蛋白的顶端再分布相关。但亦有文献报道,过表达Cx26增强其介导的GJ有助于维持肠上皮屏障功能,降低细胞旁路渗透性。而在IBD患者的回肠组织和葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎小鼠的结肠组织中,Cx43表达明显降低(Leaphart等.2007,Sedhom等.2013),即Cx43表达呈现体内体外的不一致性。

  前炎因子混合物(TNF-α、IL-1β和MCP1)诱导Caco-2单层细胞中Cx43、E-cadherin表达升高,细胞屏障通透性增加及ZO-1、Cx43等关键连接蛋白重新分布[22]。Al-Ghadban等[8]报道,炎症条件下培养的肠上皮细胞(Caco-2和HT29细胞株)中连接蛋白Cx26和Cx43表达增加,GJ通讯增强。但Cx43过表达的Caco-2细胞中连接复合体缺失,主要表现为E-cadherin和ZO-1共定位减少及其在顶端分布改变。与此相反,Morita等证实Cx26介导的GJ有助于恢复油酸和牛磺胆酸导致的肠上皮屏障破坏,过表达Cx26的Caco-2细胞单层的甘露醇渗透量比对照组明显降低,但GJ阻断剂(18α-glycyrrhetinic acid,AGA)使细胞单层的甘露醇渗透量增加;且过表达Cx26的Caco-2细胞单层的跨膜电阻值比对照组明显升高,而AGA则降低跨膜电阻值。此外,过表达Cx26的Caco-2细胞中,紧密连接蛋白claudin-4的表达升高,提示Cx26介导的GJ可能通过上调肠上皮细胞claudin-4蛋白表达水平降低细胞旁路渗透性,进而增强肠上皮细胞的屏障功能(Morita等.2004)。以上研究表明,GJ蛋白可通过影响紧密连接蛋白表达和调节连接复合体形成等方式调节肠上皮细胞及其屏障功能。GJ还可调节肠上皮细胞迁移,促进肠损伤创面愈合。坏死性肠炎的特点是肠上皮屏障的破坏以及干扰素-γ的释放,敲减Cx43或以油酸酰胺或AGA抑制其介导的GJ可显着抑制肠细胞的体内和体外迁移,导致坏死性肠炎的恢复能力减弱(Leaphart等.2007)。而敲减结肠上皮细胞的Cx43,可消除Toll样受体(TLR2)介导的屏障修复功能,延迟急性炎症应激性肠损伤的创面愈合(Ey等.2009)。

  五、结语

  GJ通过与紧密连接蛋白相互作用等途径调节细胞屏障功能,参与脑血管疾病、不孕不育和炎症性肠病等疾病的发生与发展。越来越多的研究表明,利用药物、合成阻断肽和基因手段等调控Cxs表达及GJ形成对屏障相关疾病具有改善作用,Cxs有望成为屏障相关疾病的治疗靶点。有关GJ在维持屏障功能中的确切作用及机制值得深入研究。

  参考文献

  [1] Solan JL,Lampe PD.Spatio-temporal regulation of connexin43 phosphorylation and gap junction dynamics.Biochim Biophys Acta Biomembr,2018,1860:83~90.
  [2] Wong P,Laxton V,Srivastava S,et al.The role of gap junctions in inflammatory and neoplastic disorders(Review).Int J Mol Med,2017,39:498~506.
  [3] Chen ZY,Wang R,Huang F,et al.Inhibition of gap junctions relieves the hepatotoxicity of TNF-α.Genet Mol Res,2015,14:11896~11904.
  [4] Beyer EC,Berthoud VM.Gap junction gene and protein families:Connexins,innexins,and pannexins.Biochim Biophys Acta Biomembr,2018,1860:5~8.
  [5]刘诺,王真真,陈乃宏.缝隙连接蛋白Connexin43参与神经精神疾病发病机制的研究进展.中国药理学通报,2019,35:156~159.
  [6] Ghasemi TF,Gupta M,Myers V,et al.Role of Bcl2-associated athanogene 3 in turnover of gap junction protein,connexin43,in neonatal cardiomyocytes.Sci Rep,2019,9:7658.
  [7] Maes M,Crespo YS,Willebrords J,et al.Connexin and pannexin signaling in gastrointestinal and liver disease.Transl Res,2015,166:332~343.
  [8] Al-Ghadban S,Kaissi S,Homaidan FR,et al.Cross-talk between intestinal epithelial cells and immune cells in inflammatory bowel disease.Sci Rep,2016,6:29783.
  [9] Johnson AM,Roach JP,Hu A,et al.Connexin 43 gap junctions contribute to brain endothelial barrier hyperpermeability in familial cerebral cavernous malformations type IIIby modulating tight junction structure.FASEB J,2018,32:2615~2629.
  [10] Stamatovic SM,Johnson AM,Keep RF,et al.Junctional proteins of the blood-brain barrier:New insights into function and dysfunction.Tissue Barriers,2016,4:e1154641.
  [11] Daneman R,Prat A.The blood-brain barrier.Cold Spring Harb Perspect Biol,2015,7:a020412.
  [12]罗岚瑞,丛馨.血脑屏障通过P-糖蛋白将药物“挤出”.生理科学进展,2019,50:24.
  [13] De BM,Leybaert L,Giaume C.Connexin channels at the glio-vascular interface:gatekeepers of the brain.Neurochem Res.2017,42:2519~2536.
  [14]梁碧莹,朱路文,唐强,等.运动预处理对大鼠脑缺血再灌注损伤后血脑屏障通透性的影响.中国康复理论与实践,2019,25:302~306.
  [15] Stanton PG.Regulation of the blood-testis barrier.Semin Cell Dev Biol,2016,59:166~173.
  [16]陈楸蕗,刘明,陈德宇.血睾屏障中支持细胞间紧密连接结构和功能的研究进展.癌变·畸变·突变,2018,30:486~489.
  [17] Li XY,Zhang Y,Wang XX,et al.Regulation of bloodtestis barrier assembly in vivo by germ cells.FASEB J,2018,32:1653~1664.
  [18] Li N,Mruk DD,Chen H,et al.Rescue of perfluorooctanesulfonate(PFOS)-mediated sertoli cell injury by overexpression of gap junction protein connexin 43.Sci Rep,2016,6:29667.
  [19] Khan N,Asif AR.Transcriptional regulators of claudins in epithelial tight junctions.Mediators Inflamm,2015,2015:219843.
  [20] Uwada J,Yazawa T,Islam MT,et al.Activation of muscarinic receptors prevents TNF-α-mediated intestinal epithelial barrier disruption through p38 MAPK.Cell Signal,2017,35:188~196.
  [21]沈羽嘉,卞兆连,邵建国.炎症性肠病肠黏膜屏障功能受损机制与修复治疗的研究进展.山东医药,2019,59:90~93.
  [22] Chotikatum S,Naim HY,El-Najjar N.Inflammation induced ER stress affects absorptive intestinal epithelial cells function and integrity.Int Immunopharmacol,2018,55:336~344.

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