細胞生物學/細胞連接

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細胞連接與細胞黏附 - 細胞連接 - 細胞黏附
人和多細胞動物體內除結締組織和血液外,各種組織的細胞之間按一定排列方式,在相鄰細胞表面一些特殊的蛋白質形成一些特殊結構把細胞連接在一起,以加強細胞間的機械聯繫和維持組織結構的完整性、協調性,有一些細胞通過細胞膜上的特殊蛋白與細胞外基質結合在一起,這種細胞表面與其他細胞或細胞外基質結合的特化區稱為細胞連接。
細胞連接是維繫細胞間相對穩定的特化連接結構,也是相鄰細胞之間協同作用的重要結構基礎。細胞連接有多種類型,根據其結構和功能特點可分為三大類,即封閉連接(occluding junction)、錨定連接(anchoring junction)和通訊連接(communicating junction)。

緊密連接[編輯]

1、緊密連接的概念 人和脊椎動物體內的封閉連接只有一種,稱為緊密連接(tight junction)。廣泛分布於各種上皮細胞,如消化道上皮、膀胱上皮、睪丸曲細精管生精上皮的支持細胞基部和腺體的上皮細胞管腔面的頂端側面區域;此外,腦毛細血管內皮細胞之間也存在緊密連接結構。透射電鏡顯示,在緊密連接處,兩個相鄰細胞質膜以斷續的點狀結構連在一起,點狀接觸部位細胞間隙消失,非點狀接觸處尚有10~15nm的細胞間隙。冰凍斷裂復型技術顯示,緊密連接區域是一種「焊接線」樣的帶狀網絡。焊接線又對嵴線,掃描電鏡顯示,兩個相鄰細胞膜上的暗線由成串排列的特殊穿膜蛋白質顆粒構成,這種在相鄰細胞膜上形成的特徵性結構稱為封閉索(sealing strand), 封閉索相互交錯成網狀,呈帶狀環繞每個上皮細胞的頂部,將相鄰細胞緊密連接在一起,封閉細胞間隙。
2、參與緊密連接的分子 現已證明有40餘種蛋白質參與了緊密連接的形成與功能。這些蛋白質主要是穿膜蛋白和胞質外周蛋白(cytoplasmic peripheral protein)。從緊密連接皓線中至少確定了兩類穿膜蛋白:一類稱為閉合蛋白(occludin), 是一種表觀分子量為65kD的4次穿膜蛋白;另一類稱為密封蛋白(claudin), 也是一種4次穿膜的蛋白,表觀分子量較小,為20~27kD的(至少24種此類蛋白得以鑑定),是形成崝線的主要成分。兩類穿膜蛋白的C末端和N末端均伸向細胞質,C末端具有能與其他緊密連接蛋白結合的區域,通過與其他緊密連接蛋白的相互作用,參與緊密連接的形成。胞質外周蛋白有多種,包括PDZ蛋白、ZO家族、PATJ、PAR-3和PAR-6等,它們幫助穿膜蛋白與細胞骨架相連,還能將蛋白激酶、磷酸酶、小GTP酶和轉錄因子等調節蛋白聚集到緊密連接處發生作用。近年來發現,密封蛋白 claudin-1和閉合蛋白還是C型肝炎病毒(hepatitis C viru, HCV)入侵細胞所必需的受體,提示緊密連接很可能和HCV入侵細胞的過程有關。
3、緊密連接的主要功能 緊密連接有以下兩個功能。
(1) 封閉上皮細胞的間隙,形成一道與外界隔離的封閉帶,保證組織內環境的穩定。防止細胞外物質無選擇地通過細胞間隙進入組織,或組織中的物質回流入腔中。如小腸上皮細胞的緊密連接結構,對腔內大部分物質起著阻隔作用。腦毛細血管內皮以及睪丸支持細胞之間的緊密連接構成了血腦屏障(blood-brain barrier)和血睪屏障(blood-testis barrier), 保護這些重要器官和組織免受異物侵害。
(2) 形成上皮細胞質膜蛋白與膜脂分子側向擴散的屏障,從而維持上皮細胞的極性。如小腸上皮細胞游離面質膜上含有大量吸收葡萄糖分子的協同運輸載體,完成Na+驅動的葡萄糖同向轉運;而基底面含有執行被動運輸的葡萄糖轉運載體,將葡萄糖轉運到細胞外液,從而完成葡萄糖的吸收和轉運功能。正是由於緊密連接限制了膜蛋白和膜脂分子的流動性,從而保證了小腸上皮細胞物質運轉的方向性。緊密連接還具有將上皮細胞聯合成整體的機械連接作用。
4、緊密連接與醫學 有人發現在活動期的炎症性腸病,緊密連接的完整性被破壞,ZO-1和閉鎖蛋白以及閉合蛋白-1和2 的表達均降低。低糖皮質激素治療多發性硬化症,主要是通過保持閉合蛋白-l、5以及閉鎖蛋白的表達水平,維待緊密連接的完整性,增強血腦屏障的功能來實現的。

錨定連接[編輯]

錨定連接是一類由細胞骨架纖維參與、存在於細胞間或細胞與細胞外基質之間的連接結構。其主要作用是形成能夠抵抗機械張力的牢固黏合。錨定連接廣泛分布於動物各種組織中,在上皮、心肌和子宮頸等需要承受機械力的組織中分布尤為豐富。其重要功能是參與組織器官形態和功能的維持、細胞的遷移運動以及發育和分化等多種過程。
根據參與連接的細胞骨架纖維類型不同,鈾定連接可分為兩大類:一類是肌動蛋白絲參與的錨定連接,稱為黏著連接(adhering junction),黏著連接又可分為兩類:細胞與細胞之間的黏著連接稱為黏著帶(adhesion belt);細胞與細胞外基質間的黏著連接稱為黏著斑(focal adhesion)。另一類是中間纖維參與的錨定連接,稱為橋粒連接(desmosome junction), 橋粒連接也分為兩類:細胞與細胞之間的連接稱為橋粒(desmosome);細胞與細胞外基質間的連接稱為半橋粒(hemidesmosome)。
鈾定連接主要由兩類蛋白構成:一類是細胞內錨定蛋白(intracellular ancho1 protein), 這類蛋白在細胞質面一端與特定的細胞骨架成分(肌動蛋白絲或中間纖維)相連,另一端與穿膜黏著蛋白連接;第二類蛋白統稱穿膜黏著蛋白(transmembrane adhesion protein), 是一類細胞黏附分子,其胞內部分與胞內錨定蛋白相連,胞外部分與相鄰細胞特異的穿膜黏著蛋白或細胞外基質蛋白相連。

黏著連接是由肌動蛋白絲參與的錨定連接[編輯]

1、黏著帶
(1)黏著帶的概念及分子組成特點:位於上皮細胞緊密連接的下方, 是相鄰細胞之間形成的一個連續的帶狀結構。透射電鏡顯示,在黏著帶處相鄰細胞質膜之間的間隙約15~30nm, 間隙兩側的質膜通過伸出的穿膜黏著蛋白相互黏合。參與形成黏著帶的穿膜黏著蛋白稱為鈣黏著蛋白(cadherin), 是一類Ca2+依賴性細胞黏附分子。鈣黏著蛋白在質膜中形成同源二聚體,相鄰細胞的鈣黏著蛋白胞外結構形成胞間橫橋相連,其胞內區域通過錨定蛋白與肌動蛋白絲相連;從而使細胞間的連接與胞內的微絲束網絡連接在一起,細胞間牽拉的張力通過微絲束網絡得以緩解。胞內錨定蛋白包括α、β、γ聯蛋白(catenin)、黏著斑蛋白(vinculin)、斑珠蛋白(plakoglobin)和α-輔肌動蛋白(α-actinin)等,形成複雜的多分子複合體,起錨定肌動蛋白絲的作用。
(2)黏著帶的功能:①黏著帶在維持細胞形態和組織器官完整性方面具有重要作用,特別是為上皮細胞和心肌細胞提供了抵抗機械張力的牢固黏合。②發育中影響形態發生。由於微絲束具有收縮功能,在動物胚胎發育過程中黏著帶可以使上皮細胞內陷形成管狀或泡狀原基,從而對形態發生起重要作用。
2、黏著斑 (1)黏著斑的概念及結構特點:位於上皮細胞基底部,是細胞通過局部黏附與細胞外基質之間形成的黏著連接。參與黏著斑連接的穿膜黏著蛋白是整聯蛋白(integrin)(大多數為α5β1),其胞外區與細胞外基質(主要是纖連蛋白與膠原)成分相連,胞內部分通過鈾定蛋白與肌動蛋白絲相連,從而介導細胞與細胞外基質的黏著。黏著斑部位的錨定蛋白有:踝蛋白(talin)、α-輔肌動蛋白、細絲蛋白(filamin)和紐蛋白等。由於整聯蛋白是纖連蛋白的受體,因此,細胞通過整聯蛋白與細胞外基質之間的連接是受體與配體之間的識別和結合。
(2)黏著斑的相關生物學功能:①參與肌細胞與肌健的連接。黏著斑在肌細胞與肌腱(主要是膠原)形成的連接中很常見。②體外培養細胞常通過黏著斑貼附在培養基質上,它的形成與解離對於細胞的鋪展和遷移具重要意義。③黏著斑還參與細胞信號轉導,整聯蛋白的胞內部分與蛋白激酶,如黏著斑激酶(FAK)結合,當整聯蛋白與胞外配體結合後可以激活這些激酶,引起連鎖反應,促進與細胞生長和增殖相關基因的轉錄。

橋粒連接是由中間纖維參與的錨定連接[編輯]

橋粒連接廣泛分布於承受機械力的組織中,如皮膚、心肌、食管、膀胱、子宮和陰道等處的上皮細胞之間,為其提供機械支持力,維持組織完整性。根據其分布位置不同,可以分為橋粒和半橋粒兩種。
1、橋粒
(1)橋粒的概念及結構特點:位於上皮細胞黏著帶的下方,是相鄰細胞間的一種斑點狀的錨定連接結構,結構中含有橋粒斑(desmosomal plaque)。電鏡下,橋粒連接處相鄰細胞質膜之間的間隙約20~30nm, 質膜的胞質側各有一緻密的胞質斑(cytoplasmic plaque), 稱為橋粒斑。其直徑約0.5μm, 是由多種胞內錨定蛋白包括橋粒斑珠蛋白和橋粒斑蛋白(desmoplakin)構成的複合物,是中間纖維附著的部位,許多成束的中間纖維伸向橋粒斑,被更細的纖維繫牢在胞質斑上,然後折返形成拌狀結構。在不同類型細胞中附著的中間纖維也不同,如上皮細胞中主要是角蛋白絲(keratin filaments), 心肌細胞中則為結蛋白絲(desmin filaments)。橋粒質膜處的穿膜黏著蛋白為橋粒黏蛋白(desmoglein和)橋粒膠蛋白(desmocollin),均屬於鈣黏著蛋白家族。其胞內部分與橋粒斑相連,胞外部分與相鄰細胞的穿膜黏著蛋白相連,通過依賴Ca2+的黏附機制將兩個相鄰細胞連接在一起。相鄰細胞中的中間纖維通過橋粒斑和穿膜黏著蛋白構成了貫穿整個組織的整體網架,增強了細胞抵抗外界壓力與張力的機械強度。
(2)橋粒的功能及穩定性:橋粒是一種堅韌、牢固的細胞連接結構,對上皮細胞結構的維持非常重要。胰蛋白酶、膠原酶、透明質酸酶和Ca2+鰲合劑(如乙二胺四乙酸)等均能夠破壞橋粒結構。
(3)橋粒與醫學:一些皮膚病與橋粒結構的破壞有關。臨床上一種自身免疫性疾病一天皰瘡(pemphigus), 就是由於患者體內產生了抗橋粒穿膜黏著蛋白抗體,破壞了橋粒結構,導致上皮細胞橋粒連接喪失,組織液通過細胞間隙進入表皮,引起嚴重的皮膚水疤病,如不及時治療,嚴重者可危及生命。良性家族性天皰瘡(Hailey-Hailey病)跟橋粒斑組分的細胞內化、分子被破壞及橋粒數量減少密切相關。
2、半橋粒 (1)半橋粒的概念及結構特點:半橋粒是上皮細胞基底面與基膜之間的連接結構,因其結構僅為橋粒的一半而得名。形態上與橋粒類似,但功能與化學組成不同。半橋粒的胞質斑是由一種稱為網蛋白(plectin) 胞內錨定蛋白組成,可與細胞內的中間纖維相連。半橋粒部位的穿膜黏著蛋白一種是整聯蛋白(α6β4),另一種是穿膜蛋白BP180,通過一種特殊的層粘連蛋白(錨定纖維)與基膜相連,從而將細胞與基膜牢固地柳在一起。這些整聯蛋白也從細胞外基質向胞內傳導信號,影響著上皮細胞的形狀和活性。
(2)半橋粒的功能:半橋粒主要功能是把上皮細胞與其下方的基膜連接在一起,防止機械力造成的上皮與其下方的組織剝離。
(3)半橋粒與醫學.一種自身免疫性疾病——大泡性類天皰瘡(Bullous pemphigoid),由於患者體內產生的抗體破壞了半橋粒結構,導致表皮基底層細胞脫離基膜,組織液滲入表皮下空間,引起嚴重的表皮下水泡。層粘連蛋白和整聯蛋白α6或β4基因的突變均可引起大皰性表皮鬆解症(epidermolysis bullosa), 其症狀與大泡性類天庖瘡相似。

通訊連接[編輯]

生物體大多數組織相鄰細胞膜上存在特殊的連接方式,以實現細胞間電信號和化學信號的通訊聯繫,從而完成群體細胞間的合作和協調,這種連接形式稱為通訊連接。通訊連接除了具有機械的細胞連接作用外,還可在細胞間形成代謝偶聯或電偶聯。在動物組織細胞間通訊主要由間隙連接(gap junction)介導。存在於神經元之間或神經元與效應細胞之間的化學突觸(chemical synapse)也屬於通訊連接。

間隙連接是動物組織中普遍存在的一種細胞連接方式[編輯]

1、間隙連接的結構特點 相鄰細胞間的連接子(connexon)相對接形成微小的通道,使細胞相連接起來的方式。除骨骼肌細胞及血細胞外,幾乎所有的動物組織細胞都利用間隙連接來進行通訊聯繫。透射電鏡顯示,間隙連接部位相鄰細胞膜之間有2~3nm的縫隙,因而間隙連接也稱縫隙連接。間隙連接的基本結構單位是連接子(connexon)。每個連接子長7.5nm, 外徑6nm,由6個相同或相似的穿膜連接蛋白——連接子蛋白(connexin, Cx)環繞而成,中央形成1.5~2nm的親水性通道。相鄰質膜上的兩個連接子相對接而連在一起,通過中央通道使相鄰細胞質連通。冷凍蝕刻技術顯示,許多間隙連接單位往往集結在一起呈斑塊狀,不同細胞、不同區域內單位面積內的數顯不等,可含有幾個到數百個連接子。通過密度梯度離心技術可將質膜上的間隙連接區域的膜片分離出來。
目前已經從不同動物或不同組織中分離出20餘種不同的連接子蛋白,它們屬於同一類蛋白家族,儘管不同的連接子蛋白相對分子扯差異較大,但都具有4個保守的α-螺旋穿膜區。一個連接子可以由相同的連接子蛋白構成同源連接子,也可以由不同的連接子蛋白構成異源連接子。由不同連接子蛋白所構成的連接子,在通透性、導電率和可調性方面是不同的,它們的分布具有組織細胞特異性。如心肌細胞的連接子蛋白是Cx43,心臟電傳導系統細胞的連接子蛋白是Cx40, 當這兩種連接子蛋白形成間隙連接時,連接子之間便沒有通透功能,從而保證了心臟器官不同類型細胞功能的相對獨立。
2、間隙連接的生物學功能
(1)加強相鄰細胞的機械連接:間隙連接中相鄰細胞膜內連接子顆粒的相互融合,加強了相鄰細胞的機械連接。
間隙連接的更重要的功能是介導細胞間通訊,細胞通訊(cell communication)是指一個細胞的信息通過化學遞質或電信號傳遞給另一個細胞,協調相鄰細胞間的功能活動。間隙連接的通訊方式有兩種,即代謝耦聯(metabolic coupling)和電耦聯(electric coupling)。
(2)代謝耦聯:是指小分子質量(小於lkD)代謝物和信號分子,在相鄰細胞間通過間隙連接的傳遞。在相鄰細胞間,通過連接子形成的親水性通道,允許如無機離子、單糖、胺基酸、核苷酸、維生素、cAMP和IP3等小分子物質從一個細胞迅速進入另一個細胞,從而使細胞可以共享這些重要的物質,協調細胞群體的功能活動,這種功能在胚胎發育早期特別重要。在血液循環建立以前,同一發育區的細胞通過代謝耦聯使物質平均分配,以控制細胞的分化。當細胞分化時,細胞與其周即組織解耦聯,但每個細胞群中的細胞仍相互耦聯,以保持發育行為一致。
間隙連接的通透性是可調節的。在實驗條件下,降低細胞pH,或升高鈣離子濃度均可降低間隙連接的通透性。當細胞受損時,大量鈣離子進入,導致間隙連接關閉,以免正常細胞受到傷害。間隙連接的通透性還受胞外化學信號的調節,有助於細胞間的代謝耦聯。如胰高血糖素作用於肝細胞時,使肝細胞內cAMP濃度增高,cAMP激活了依賴於cAMP的蛋白激酶,蛋白激酶又使間隙連接蛋白磷酸化,導致其構象發生改變,從而使間隙連接通透性增加,使cAMP可以迅速從一個細胞擴散到周圍的肝細胞,最終使肝細胞共同對胰高血糖素的刺激作出應答反應。
(3)電耦聯:也稱離子耦聯(ionic coupling), 其連接子是一種離子通道,帶電的離子能通過間隙連接到達相鄰細胞,使電信號從一個細胞傳遞到另一個細胞。在興奮性組織的細胞之間,廣泛存在電耦聯現象。如電耦聯使心肌細胞同步收縮和舒張,若這種連接破壞,電耦聯消失,則心臟停止跳動;成年動物大多數平滑肌細胞僅有少數平滑肌受神經支配,其興奮傳導主要靠間隙連接,小腸平滑肌細胞通過電耦聯,使收縮和蠕動同步化。
3、間隙連接與醫學 胚胎發育中細胞間的偶聯提供信號物質的通路,從而為某一特定細胞提供它的「位置信息」,並根據其位置影響其分化。腫瘤細胞之間間隙的連接明顯減少或消失,間隙連接類似「腫瘤抑制因子」。

突觸也是一種細胞通訊連接方式[編輯]

神經元之間或神經元與效應細胞(如肌細胞)之間通過突觸(synapse)完成神經衝動的傳遞。突觸可分為電突觸(electronic synapse)和化學突觸兩種基本類型。電突觸是指細胞間形成間隙連接,電衝動可直接通過間隙連接從突觸前向突觸後傳導, 速度快而準確。而化學突觸的突觸前和突觸後細胞膜之間存在20nm寬的間隙,使電信號不能通過,因此信號傳遞時,要經過將電信號轉變為化學信號,再將化學信號轉變為電信號的過程。化學突觸信號傳遞時,神經衝動傳遞到軸突末端,引起神經遞質小泡釋放神經遞質,然後神經遞質作用於突觸後細胞,引起新的神經衝動。這種信號傳遞速度不及電突觸。電突觸對於某些無脊椎動物和魚類快速準確地逃避反射具有十分重要的意義。