Wnt、β-连环蛋白和Cadherin通路的收敛性

摘要

在胚胎发生过程中，细胞在迁移到新的位置时常常获得新的特性(1). 许多形态发生的变化是由细胞外配体及其受体引起的(1–4). 一个重要的问题是确定将基因表达的变化与细胞粘附和迁移的动态变化协调起来的信号通路。对这些途径的放松管制可能会导致细胞命运、粘附和迁移的改变，这是癌症等疾病的特征。

虽然已知几种生长因子影响基因表达和细胞迁移(三)，最近的重点是Wnt信号通路。Wnts是细胞增殖和分化的强大调节器，其信号通路涉及直接参与基因转录和细胞粘附的蛋白质。中心参与者是β-catenin，它是Wnt途径中与T细胞因子/淋巴增强因子TCF/LEF一起的转录辅因子(2)和一种结构衔接蛋白，在细胞间粘附中连接钙粘蛋白和肌动蛋白细胞骨架(5). 这篇综述探讨了Wnt和其他生长因子信号、β-连环蛋白分布和钙粘蛋白介导的细胞粘附之间有趣的联系(图1，插图）。

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图1

β-catenin在Wnt信号传导和钙粘蛋白复合物中的中心作用。β-连环蛋白以钙粘附素结合形式存在，调节粘附；在含有axin、APC和GSK-3β的复合物中，其被磷酸化并被β-TrCP靶向降解；或TCF/LEF转录因子在细胞核内。Wnt信号通过Frizzled和Arrow–LRP-5/6激活Dishevelled（Dsh），导致β-catenin从降解途径解偶联并进入细胞核，在那里它与TCF/LEF相互作用以控制转录。Wnt蛋白还可以与Derailed受体相互作用，控制轴突的路径指向。Wnt途径还受到结合Wnt（Wnt抑制因子（WIF）和Frizzled相关蛋白（FRP））或辅受体LRP（Dickkopf）的细胞外因子的广泛调控和反馈控制。插入物显示了Wnt信号和钙粘蛋白介导的粘附（虚线）之间可能的相互作用水平，以及β-连环蛋白在这两个过程中的中心作用，这是综述的重点。

Wnt信号通路与β-连环蛋白水平的控制

Wnts是分泌的脂质修饰的信号蛋白(6)影响动物发育的多种过程。哺乳动物基因组中存在19个Wnt基因，其功能的多样性通过导致发育异常（从干细胞丢失到肾脏和生殖道缺陷）的突变来证明(2). 信号是由Wnt配体与两个受体分子，即Frizzle蛋白和脂蛋白受体相关蛋白5和6（LRP-5/6）结合而启动的(图1).

传统Wnt信号导致β-catenin与调节靶基因表达的转录因子TCF/LEF复合物中的积累(图1). 在缺乏Wnt信号的情况下，β-catenin的水平通过（细胞质）β-catentin的降解保持在较低水平，β-catanin的降解超过了结合位点，例如质膜上的钙粘蛋白（见下文）。β-连环蛋白的靶向是泛素化和降解S公司通过丝氨酸/苏氨酸激酶酪蛋白激酶I（CKI）和糖原合成酶3β（GSK-3β）配对磷酸化的蛋白质组(7)与axin和腺瘤性息肉病大肠杆菌（APC）蛋白的支架复合物结合(2,8). Wnt信号的激活导致GSK-3β活性的抑制，导致细胞质（信号）β-catenin的积累，可用于结合TCF/LEF转录因子家族并诱导靶基因表达(2). 因此，β-catenin信号传导的关键因素是其在细胞质中的稳定和积累。

钙黏蛋白在细胞粘附和β-连环蛋白固定中的功能控制

除了在Wnt信号通路中的功能外，β-连环蛋白还与I型钙粘蛋白的细胞质结构域紧密结合，并通过α-连环素将钙粘蛋白连接到肌动蛋白细胞骨架，在钙粘蛋白结构组织和功能中发挥重要作用(图2)(5,9). 另一种连环蛋白p120与钙粘蛋白的膜近端结构域结合，调节钙粘蛋白复合体的结构完整性和功能(10). β-连环蛋白的钙粘蛋白结合池能否被释放并用于信号传导？为了回答这个问题，重要的是要了解β-连环蛋白与钙粘蛋白的动态相互作用是如何调节的(图2).

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图2

酪氨酸激酶和磷酸酶活性平衡对钙粘蛋白-钙粘蛋白复合物的结构和功能调节。Cadherin结合p120和β-catenin，后者反过来结合α-catenin。该复合物的完整性由受体酪氨酸激酶（RTKs）和细胞质酪氨酸激酶类（Fer、Fyn、Yes和Src）对β-连环蛋白的磷酸化负调控，这些酪氨酸激酶磷酸化β-连链蛋白（Y654、Y142）中的特异性酪氨酸残基（红色箭头），导致钙粘蛋白-钙粘蛋白复合物的离解。钙粘蛋白-钙粘蛋白复合物的完整性受到酪蛋白激酶II的β-连环蛋白磷酸化和结合p120和β-连环素的蛋白酪氨酸磷酸酶的去磷酸化的正向调节（绿色箭头）。β-catenin（底部）磷酸化状态的变化影响细胞间粘附、细胞迁移和信号β-catentin的水平。

钙粘蛋白-连环蛋白复合物的结构和功能完整性受磷酸化调节(11). β-连环蛋白的丝氨酸/苏氨酸磷酸化(12)或上皮钙粘蛋白（E-cadherin）(13)结果钙粘蛋白-钙粘蛋白复合物的稳定性增加。然而，细胞质激酶Fer对β-连环蛋白的酪氨酸磷酸化破坏了β-连环素与α-连环素的结合(14)而Src或表皮生长因子（EGF）受体的磷酸化(15)破坏β-catenin与钙粘蛋白的结合。Src对p120的磷酸化作用(15)或Fer(16)导致细胞表面钙粘蛋白复合物丢失，可能是由于β-catenin同时磷酸化的结果，或是因为p120是拮抗这些酪氨酸激酶作用的几种蛋白酪氨酸磷酸酶（PTPase）的结合位点。总的来说，酪氨酸激酶的激活导致钙粘附素介导的细胞间粘附的丧失和细胞质β-连环蛋白水平的增加(14,15)通过直接向细胞质释放β-catenin或激活钙粘蛋白内吞作用(17). 相反，PTPase的激活稳定了钙粘蛋白-钙粘蛋白复合物并导致钙粘蛋白介导的细胞间粘附增加(18–20). 虽然这些研究中有许多是用组织培养细胞进行的，但磷酸化在调节钙粘蛋白-钙粘蛋白复合物的组织和功能中的作用得到了内皮细胞研究的支持(19,21)和植入前胚胎(22).

对组织培养细胞的几项研究表明，酪氨酸激酶的激活可以增加细胞核中的β-连环蛋白信号(图3). 例如，致癌RON受体酪氨酸激酶（RTK）或肝细胞生长因子受体cMET的激活导致β-连环蛋白的酪氨酸磷酸化、β-连环素的积累和TCF介导的基因转录增加(23). 相反，EGF受体ErbB2的失活导致β-连环蛋白与钙粘蛋白的结合增加，TCF/β-连环素介导的基因转录相应减少(24). 然而，如前所述，信号β-连环蛋白的激活需要其在细胞质中的稳定和积累。事实上，胰岛素样生长因子（IGF）II型受体的激活导致β-连环蛋白转移到细胞核和TCF/LEF介导的基因转录(25)但对于I型受体，只有当β-连环蛋白首次稳定时才会发生这种情况(26). 尽管关于这些途径，特别是在组织中细胞的生理背景下，仍有很多需要了解的地方，但重要的是要考虑到钙粘蛋白复合物中β-catenin的磷酸化依赖性释放不仅调节粘附复合物的完整性和功能，但也可能是激活β-catenin信号的另一种机制。

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图3

控制Wnt/β-catenin信号传导和钙粘蛋白介导的粘附的途径的交叉。钙粘蛋白和Wnt/β-catenin信号通路之间的联系基于组织培养细胞和组织中的研究，其中一些涉及蛋白质水平和表达模式的操作（有关详细信息，请参阅正文）。这些途径及其结果之间所有可能的交叉点都以地图的形式表示，尽管个别途径可能只在特定的生理环境中发生。激活的途径用纯绿色表示，降低活性的途径用纯红表示，途径激活或失活的间接后果用虚线表示。

早老素1的新发现功能进一步证明了钙粘附素-钙调素复合物调控途径与β-连环素稳定性和信号传导的交叉(第1阶段)是导致家族性阿尔茨海默病的主要基因(27). 与axin/APC支架复合物一样，PS1似乎通过促进其被CKI和GSK-3β成对磷酸化以及随后的降解来调节β-连环蛋白的稳定性(28,29). 在来自第1阶段^−/−小鼠，β-catenin稳定并在细胞核内积聚(30)这表明在这些细胞中表达的axin/APC支架没有能力靶向所有可用的β-catenin进行降解。除了表明PS1可以直接影响β-catenin水平外，利用细胞提取物从第1阶段^−/−和第1阶段^+/+小鼠发现PS1还可以蛋白水解切割钙粘蛋白的细胞质结构域，从而导致细胞间粘附的丧失(31). 钙粘蛋白释放的细胞质片段结合CREB结合蛋白（CBP）并以其为降解目标(32). CBP是激活cAMP反应元件结合蛋白（CREB）基础转录复合物转录调节剂的支架(33)和CBP降解导致CREB介导的转录受到抑制(32). 尽管还需要进一步的研究，但PS1的这些新活性确定了一种Wnt依赖性途径，该途径调节和连接钙粘蛋白复合体和细胞核信号传递中的β-连环蛋白功能(图3).

Wnt和其他生长因子途径对钙粘蛋白表达和β-连环蛋白信号的控制

早期的研究试图检验β-catenin的钙粘附素结合池和信号池是否相互排斥(图3). 钙粘蛋白过度表达爪蟾和果蝇属胚胎将β-catenin隔离在质膜上，从而降低了其可用性，从而使其无法向细胞核发出信号(34,35). 然而，Wnt信号转导导致组织培养细胞中β-catenin水平增加，导致β-catentin在质膜上与钙粘蛋白结合饱和，细胞间粘附增加(36). 这些结果表明钙粘附素在质膜隔离信号β-连环蛋白中可能发挥作用，尽管这些实验中的一个重要警告是钙粘附素和β-连环素水平是人为操纵的。然而，根据最近的研究结果，进一步考虑这种功能是很有意思的，这些结果与E-cadherin基因转录、细胞间粘附丧失和Wnt/β-catenin信号转导的变化有关。

Slug/Snail家族的锌指蛋白是E-cadherin基因转录的阻遏物(37–39)，其表达通过I型成纤维细胞生长因子FGF-R的信号激活(40)，转化生长因子-β（TGFβ1）(41)、ErbB1和ErbB2(39). 鼻涕虫/蜗牛的表达导致细胞间粘附丧失和细胞迁移增加(三)以及可能独立于Wnt信号或与Wnt信号协同作用的信号β-catenin的积累(40). 值得注意的是，Wnt信号在Fgfr公司^−/−但通过降低E-钙粘蛋白水平可以挽救信号传导(40). Wnt信号也调节E-cadherin的表达，因为在组织培养细胞和组织中的研究表明Slug可能是TCF/β-连环蛋白复合物的靶基因(39)TCF/β-catenin复合物结合并抑制E-cadherin启动子(42). 因此，Slug/蜗牛或TCF/β-catenin复合物对钙粘蛋白表达的抑制不仅减少细胞间粘附，而且信号β-catening的伴随积累可能降低激活Wnt信号的阈值，然后放大和/或维持Wnt信号。

β-catenin对特异性基因转录的激活也通过核内TGFβ信号及其下游效应器（Smads）进行协调(图3). 由Wnt信号单独或由TGFβ和Wnt共同激活的基因是不同的(43,44). 值得注意的是，Smads、TCF/LEF和β-catenin的活性似乎协同增加基因转录，以至于任何一种蛋白质都能单独激活基础水平的转录，当这三种蛋白质都参与时，转录增加到最大值(43,45). 综上所述，这些结果表明，多种生长因子/受体途径与Wnt途径交叉，通过干扰钙粘蛋白-钙粘蛋白复合物或抑制钙粘蛋白表达来调节信号β-连环蛋白的可用性。

Wnt信号成分在细胞粘附和迁移中的替代作用

Wnt途径的组成部分参与形态发生过程，可能不直接涉及转录终点，但向组织中的细胞骨架和细胞极性发出信号。一种途径在果蝇属被称为平面极性信号传导，但它也与脊椎动物的上皮组织极性有关(46). 平面极性由Frizzled、Dishevelled和其他几个组件（包括RhoA）调节(图4A). 现有证据表明，Frizzled是由非经典类钙粘蛋白、脂肪和腊肠之间的相互作用激活的(47). 这些蛋白质与膜锚定信号分子四联体一起，负责在细胞中建立不对称性(47). 在已知的平面极性的其他参与者中，还有另一种粘附分子，火烈鸟(48)它有一个不寻常的结构，类似于钙粘蛋白的胞外结构域，之后是一个类似于七跨膜信号部分的结构域(图4A). 这些细胞粘附蛋白复合物如何控制细胞极性尚不清楚(46)，尽管该途径确实在Wnt信号通路的一些成分和细胞间粘附之间提供了进一步的联系。

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图4

Wnt信号成分、粘附蛋白和APC的其他作用。(A类)平面极性果蝇属通过Dsh、小鸟嘌呤三磷酸酶（GTPase）RhoA及其下游效应物Rho-激酶（ROCK）通过Frizzled信号调节。虽然还不知道这个过程是否依赖于Wnt，但它是由Fat-Dachsous家族的非经典类钙粘蛋白粘附分子以及火烈鸟控制的。所有这些分子都含有钙粘蛋白重复序列，在火烈鸟中，这些重复序列与七跨膜结构域相连。此处显示的钙粘蛋白重复次数是任意的。平面极性中有许多附加组件未在此处讨论(46). (B类)除了在靶向β-catenin进行降解方面发挥作用外，APC还与迁移细胞质膜上微管的plus-end相互作用。最近的研究表明，APC和微管通过结合细胞外基质的整合素的信号级联来确定细胞迁移的方向；小GTPase Cdc42；PAR复合物，包含支架蛋白Par3/PAR 6和非典型蛋白激酶C；和丝氨酸/苏氨酸激酶GSK-3β(50–52). (C类)APC还与钙粘蛋白-钙粘蛋白复合物定位在粘附结合处（AJ），这是一种主要的细胞-细胞粘附复合物，紧密结合处（TJ）位于极化上皮细胞的顶膜和侧膜之间；E-APC可能将微管连接到质膜，并可能调节AJ的组织和功能(45,53).

Wnt信号通路的另一个组成部分APC参与极化细胞迁移和细胞间粘附(图4、B和C). 早期研究表明，APC定位于迁移细胞中与微管束相关的质膜投射尖端(49). 最近，这种APC分布已经通过基于整合素的粘附作用与信号复合体的激活联系起来，这种粘附作用使细胞定向极化迁移(50–52)(图4B). 此外，一种APC同源物（E-APC）已定位于与钙粘蛋白和β-连环蛋白相关的粘附连接处；破坏E-APC定位的突变破坏细胞间粘附(53)增加细胞质β-连环蛋白水平(54)(图4C). 因此，APC是一种多功能蛋白质，在细胞间黏附和β-catenin稳定性之间提供进一步的联系，并参与与Wnt信号传导没有直接联系但有助于细胞形态发生的过程。

Wnt信号转导与细胞粘附的起源

将细胞粘附与Wnt信号联系在一起的多个节点表明这两个过程已经共同进化。尽管这种推测通常很难测试，但通过对具有更原始身体结构的物种进行研究，可能会获得一些支持。在海葵中翻译起始因子β-catenin向细胞核的移位是内胚层所必需的(55). 尽管钙粘蛋白在该系统中的作用尚未得到研究，但钙粘蛋白的过度表达减少了核β-连环蛋白并抑制了原肠胚形成(55).

双胚细胞Hydra公司具有发达的细胞粘附系统，包括钙²⁺-依赖性粘附和连环蛋白类似于脊椎动物，Wnt通路的大多数成分包括β-连环蛋白、TCF和Frizzled已在Hydra公司基因组(56). 细胞粘附和Wnt信号似乎在无性萌发期间调节体轴的形成；单个细胞的聚集需要启动TCF和Wnt的表达，从而导致极化生长和形成新的身体轴(56). 因此，在这些原始生物中，就像在哺乳动物中一样，细胞-细胞粘附和Wnt信号传导之间存在机制联系。

在考虑Wnt和粘附信号的共同来源的可能性时，应强调至少在一种生物体中，秀丽隐杆线虫，这些途径在基因上是分离的。这个秀丽线虫基因组包含三个与β-catenin相关的基因：HMP-2（仅用于粘附）和BAR-1和WRM-1（作用于Wnt信号传导）(57).

Wnt信号转导和细胞粘附在干细胞组织和癌症中的交叉点

最近的研究表明，Wnt信号和钙粘蛋白介导的细胞-细胞粘附在干细胞的组织和维持中都很重要。在果蝇属在幼虫发育后期，卵巢、体细胞和生殖系干细胞与生殖室的特殊帽细胞接触(58). Wnt在这些靠近干细胞的帽细胞中表达，Wnt信号的丢失导致体干细胞的伴随丢失(59). 另一方面，钙粘蛋白/β-连环蛋白复合物在生殖系干细胞（GSC）和帽细胞之间积累，这种复合物的丢失导致GSC丢失(60).

钙粘蛋白介导的黏附作用之一可能是调节GSC细胞分裂的方向。在果蝇属睾丸，GSC有丝分裂产生干细胞和成角细胞，需要正确的分裂面方向来维持GSC的数量。这种分裂的方向是由GSC和体细胞簇“hub”之间的粘附决定的。中枢细胞和GSC之间的粘附由钙粘蛋白-β-连环蛋白复合体和APC维持，APC结合微管和功能以定向有丝分裂纺锤体(61).

Wnt信号和钙粘蛋白介导的细胞粘附在维持哺乳动物造血干细胞（HSC）方面也很重要。β-catenin的Wnt信号和核功能是HSC增殖和限制其分化潜能所必需的(62). 骨髓中HSC生态位的维持似乎部分依赖于HSC通过神经钙粘蛋白介导的细胞-细胞粘附作用附着于纺锤形成骨细胞(63). 因此，Wnt信号转导和细胞的正确定向以及有丝分裂纺锤体通过钙粘蛋白介导的细胞-细胞粘附共同有助于调节干细胞生态位。

细胞命运、粘附和迁移的改变是癌症的特征，其中细胞忽略来自其环境的正常调节信号。未选中Wnt信号(8)和/或细胞间粘附丧失(三,64,65)参与癌症诱导和进展。癌症中的一个关键事件是失去对β-连环蛋白水平的控制，这可能是APC功能丧失突变的结果，最初发现APC是因为它们易患结直肠癌(8). 此外，激活β-catenin的突变是某些癌症的特征，这种突变会使分子折射到APC–axin–GSK-3β破坏复合物的下调(8). 钙粘蛋白表达缺失也会促进肿瘤发生(三,64–66)尽管钙粘附素缺失后β-catenin信号通路激活的联系尚不清楚。

结论

Wnt和β-catenin信号传导以及钙粘蛋白介导的细胞粘附的研究进展通常遵循不同的研究路线。然而，很明显，这些途径之间有许多联系(图1和​和3），三)尽管在解释组织培养细胞的研究和人工控制蛋白质水平的情况下可能需要一些谨慎。这些途径中的关键成分是β-catenin，关键事件是β-catanin稳定性和可用性的调节。Wnt信号通过抑制β-连环蛋白降解发挥正调节作用，从而稳定β-连环蛋白并导致其积累。APCaxin的支架复合物，可能还有PS1，在靶向β-连环蛋白降解时起到负调控作用，从而降低细胞质（信号）β-连环蛋白的总体水平。钙粘蛋白也可能作为信号β-连环蛋白的负调控因子，因为它在细胞表面结合β-连环素，从而将其与细胞核隔离。钙粘附素对信号β-catenin的负调控可能被生长因子受体和酪氨酸激酶拮抗，这些生长因子受体或酪氨酸激酶通过激活阻遏物Slug/Snail下调E-cadherin转录，或破坏细胞表面的钙粘附素-钙结合物，两者都可能导致细胞间粘附的协同减少和β-catenin信号的增加(图2和​和3）。三). 虽然还需要进一步研究，以在更复杂的生理环境中检查这些联系，但一种新的观点正在出现，即Wnt和钙粘蛋白途径的组成部分不仅通过β-连环蛋白的活性联系在一起，但也可能通过调节环相互连接，使基因表达和细胞粘附紧密协调。

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