整合素家族

摘要

历史

整合素是进化历史悠久的细胞粘附受体（Johnson等人。2009). 尽管它们有着悠久的历史，但仅在分子水平上进行了大约25年的表征。在此期间，发表了大量关于整合素作用日益复杂的文章。因此，“一目了然”地总结整合素的大量数据几乎是一项不可能的任务。然而，在目前的综述中，我们试图提供一些关于整合素的基本事实。本文将提及最近关于整合素结构和功能各个方面的优秀综述。

尝试描述整合素家族时遇到困难的一个原因是，它们的许多配体是大型多黏附细胞外基质（ECM）分子，除了结合整合素外，还结合其他蛋白质，包括ECM分子、生长因子、细胞因子和基质降解蛋白酶。一种有助于鉴定整合素的成功方法利用了阻断细胞粘附的抗体（Horwitz等人。1985; Knudsen等人。1985). 在另一种方法中，将纤维连接蛋白中的最小细胞粘附位点映射到RGDS序列，产生了特异性更强的亲和层析协议（Pierschbacher等人。1983; 鲁斯拉赫蒂和皮尔施巴赫1986). 在这些亲和性方案中，优化纯化缓冲液中的离子组成至关重要，并由此得出锰离子（Mn²⁺)增加整合素亲和力（Gailit和Ruoslahti1988). 1986年，抗体方法导致了编码鸡整合素β1亚单位的cDNA的表达克隆（Tamkun等人。1986). 命名为“整合素”是为了表示这些受体在维持细胞骨架-ECM连接（Hynes）完整性方面的重要性2004，Tamkun等人。1986). 在20世纪80年代，几个小组正在研究看似不同的细胞表面蛋白，当时称为位置特异性（PS）抗原果蝇属（Leptin等人。1987; Wilcox等人。1984)免疫细胞上的极晚期激活抗原（VLA）（Hemler等人。1985)，淋巴和髓细胞上的细胞表面受体（Springer等人。1986)和血小板糖蛋白（Parise和Phillips1985,1986). 随着编码这些蛋白的cDNA的克隆，很明显它们与使用RGD肽或细胞粘附阻断抗体分离的纤维连接蛋白受体有关，并且它们都属于所谓的细胞粘附受体整合素家族（Hynes2004; 图。​图1，1，另请参见电子辅助材料).

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图1

Integrin创始人。Erkki Ruoslahti（左）和Richard O.Hynes（右）在细胞粘附研究的早期提供了开创性的数据，从而确定了整合素家族的特征

结构

当用整合素β亚单位抗体鉴定整合素时，一些蛋白质被共同免疫沉淀，组成功能受体的亚单位数量并不明显。然而，随着整合素α亚单位抗体的出现，以及使用RGDS肽的方案能够亲和纯化纯受体，很明显功能受体是异二聚体。整合素异二聚体由非共价相关的α和β亚单位（Hynes2002). 在脊椎动物中，该家族由18个α亚基和8个β亚基组成，可组装成24种不同的异二聚体（Takada等人。2007). 整合素可以根据配体结合特性或其亚单位组成分为亚组（见表1,​,22).

表1

人整合素α亚基的特征。提供了人类整合素α链的数据，并从提交给NCBI数据库的原始数据中检索到这些数据(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/entrez)和原始出版物。有关配体特异性，请参阅正文中的参考文献(ICAM公司细胞间粘附分子，录像机血管细胞粘附分子，血管内皮生长因子血管内皮生长因子）

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表2

人整合素β亚基的特征。提供了人类整合素β链的数据，并从提交给NCBI数据库的原始数据中检索到这些数据(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/entrez)和原始出版物（见正文）

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β1整合素、β2整合素和含αv的整合素是这类分类中最大的三类（图2，另请参见电子辅助材料). α亚基和β亚基之间没有同源性，但不同的α亚基之间有相似性，就像不同整合素β亚基中有保守区域一样。

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图2

整合素家族的表示。在脊椎动物中，整合素家族包含24个异二聚体。经历了基因组复制的孤立物种（例如。，达尼奥·雷里奥)有更多的整合素家族成员。在高等脊椎动物中，整合素家族有24个原型成员

整合素α亚基

α亚基由一个七叶片的β-螺旋桨组成，该螺旋桨连接到大腿、calf-1和calf-2结构域，共同形成支撑整合素头部的腿部结构（图三，另请参见电子辅助材料). β螺旋桨的最后三个或四个叶片包含EF-hand域，它们结合Ca²⁺叶片下侧，背对配体结合面。钙²⁺与这些位点的结合会影响配体结合（Humphries等人。2003; Oxvig和Springer1998).

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图3

典型αI-结构域整合素异二聚体的表示。18条整合素α链中有9条包含αI结构域，如图所示，但所有整合素都包含β亚单位中的βI结构域。一αI结构域整合素的结构域表示(星星二价阳离子结合位点。b条膜中含αI-结构域整合素kying结构域排列的表示

九条整合素α链包含一个I结构域，也称为A结构域，是一个约200个氨基酸的结构域，插入β-推进器的叶片2和叶片3之间（Larson等人。1989). αI首先出现在脊索整合蛋白中，因此在无脊椎动物中不存在，但在脊椎动物中存在（Johnson等人。2009). αI结构域存在于整合素的β2整合素亚群、属于β1亚家族的胶原蛋白结合整合素（α1、α2、α10和α11）以及形成αEβ7异二聚体的αE整合素链中。I结构域呈现罗斯曼折叠，五个β-片被七个α螺旋包围。配体结合通过配位Mg发生²⁺所谓的金属离子依赖性粘附位点（MIDAS）基序中的离子（Lee等人。1995). 此外，具有与胶原蛋白相互作用能力的αI结构域包含一个所谓的αC螺旋（Emsley等人。1997)它被认为在胶原蛋白结合中起作用。

含αI结构域的整合素在其αI结构域中显示出相当高的同源性，但α链细胞质结构域高度分化，仅在膜近端区域共享GFFKR序列甚至核心GFFXR序列。

对于与α链细胞质尾部相互作用的蛋白质，人们知之甚少。

β亚基的杂交结构域和α亚基的β推进器的表面之间的区域似乎对整合素在转运到细胞表面之前在细胞内发生的异二聚体化至关重要（汉弗莱斯2000). 据推测，链选择的特殊性在于这些相互作用表面附近的序列。通常，细胞中存在过量的β亚单位，α亚单位的数量决定了进入细胞表面的受体数量（桑塔拉和海诺1991). 因此，细胞表面不存在游离α和β亚单位。

整合素β亚基

β亚单位包含一个丛蛋白-表面荷尔蒙整合素（PSI）结构域、一个杂交结构域和一个βI结构域（Lee等人。1995)和四个富含半胱氨酸的表皮生长因子（EGF）重复序列。βI结构域包含Mg²⁺协调MIDAS和与MIDAS（ADMIDAS）相邻的结合抑制性Ca的位点²⁺离子。此ADMIDAS站点绑定Mn²⁺导致构象变化的离子导致整合素的活性形式（Humphries等人。2003).

β整合素链在细胞质尾部具有同源性，NPX/Y基序能够结合含有PTB结构域的蛋白质。近年来，人们发现了几种与β亚基相互作用的蛋白质（Legate和Fassler2009).

一些关键蛋白质似乎对结合是必不可少的，并且在这样做的过程中，打破了与α亚基形成的盐桥，而α亚基使整合素保持在非活性构象中。最近的一项详细研究阐明了αIIb和β3亚单位跨膜结构域中的相互作用区域，表明了膜上构象介导的变化模型（Lau等人。2009). Talin 1-2和kindleins 1-3似乎通过与整合素β亚单位尾部结合而协同激活整合素（Larjava等人。2008; Senetar等人。2007; Tadokoro等人。2003)而丝氨酸A对活化起负调节作用（Kiema等人。2006). Migfilin是另一种分子开关，通过阻断丝氨酸的整合素结合区域（Ithychanda等人。2009)，可以调节整合素的活化。最近，整合素连接激酶（ILK）（Honda等人。2009)和粘着斑激酶（FAK）（Michael等人。2009)参与外-内信号传导的酶也被证明通过内-外信号传导影响整合素的激活。

整合素的构象变化

可溶性整合素异二聚体的结晶表明，整合素可以以紧凑的弯曲构象存在（Xiong等人。2002). 后来的研究表明，这种构象代表了一种非活性构象（Nishida等人。2006). 一些数据表明，整合素在不同构象之间“呼吸”和变化，其弯曲程度随个体变化而变化。此外，弯曲构象似乎并不总是不活跃的，特别是对于小配体（Askari等人。2009). 最近，已证明机械张力通过进一步拉伸构象来稳定活性构象，从而增加亲和力，从而巩固整合素接触点（Askari等人。2009; Astrof等人。2006; Friedland等人。2009). 对于整合素α5β1，机械张力诱导α5βl与纤维连接蛋白中的协同位点结合，进而导致FAK磷酸化（Friedland等人。2009). 最近在肾连接蛋白中发现了一个协同位点，该位点主要通过使RGD位点形成与高亲和力整合素结合相关的最佳构象来发挥作用（Sato等人。2009).

除了在各种激活状态下发生的亲和力调节外，由多价配体聚集的整合素，可能还改变膜流动性，导致整合素接触的亲和力变化（Carman和Springer2003).

对于需要严格控制活性的整合素，如血小板整合素αIIβ3和β2整合素来说，必须存在精确的激活机制（Luo等人。2007). 当kindlin-3突变时，白细胞和血小板中的整合素激活失效（Moser等人。2008; Svensson等人。2009)，证明了kindlin-3在这些细胞类型的整合素激活中的核心作用。

配体识别

配体结合位点形成于整合素α-链β-推进器和βI结构域交叉处的一个区域，α链是决定配体特异性的中心。带有αI域的整合素通过αI域结合配体，但由于这种配体结合会导致I域的明显构象变化，这反过来会影响β亚基的构象（Luo等人。2007). 对于某些αI结构域，甚至需要与β链的相互作用才能正确折叠αI结构区（Valdramidou等人。2008). 整合素配体的列表很长（Humphries等人。2006; 约翰逊等人。2009)包括ECM的主要组成部分。

原型整合素配体和识别序列

原型整合素配体纤维连接蛋白（fibronectin）在连接第10个纤维连连接蛋白III型重复序列中两条β链的柔性环的顶端包含氨基酸序列RGDS（Dickinson等人。1994). RGD序列也存在于玻璃体凝集素、纤维蛋白原和无活性转化生长因子-β（TGF-β）的LAP复合物部分以及许多其他ECM蛋白中（Humphries等人。2006). 优雅的研究表明，上皮细胞αvβ6和αvβ8通过在LAP中结合RGD，是体内激活TGF-β的主要整合素，要么通过TGF-？LAP（αv？6）的变构变化，要么通过诱导基质金属蛋白酶-14并导致TGF-。2009; Mu等人。2002; Munger等人。1999). 最近，已证明肌成纤维细胞β1整合素对TGF-β活化的机械应变依赖性贡献（Wipff等人。2007).

在许多生物化学和细胞生物学书籍中，RGD序列是主要整合素结合序列，但已知只有三分之一的整合素与该序列结合（表1). RGD肽可用于评估RGD结合整合素在特定事件中的参与，但RGD肽的作用不足并不排除整合素参与某一过程，因为三分之二的整合素独立地与配体RGD结合。

基底膜蛋白层粘连蛋白的某些亚型包含RGD序列，但该序列在这些亚型中不具有进化保守性，并且不被层粘连整合素结合蛋白识别。在层粘连蛋白111中，RGD位点被天然分子掩盖（Aumailley等人。1990; Schulze等人。1996)而在含有α5链的层粘连蛋白亚型中，它暴露在天然分子中（Domogatskaya等人。2008; Forsberg等人。1994; Genersch等人。2003; Sasaki和Timpl2001). 然而，αvβ1-和αvβ3-介导的与含层粘连蛋白-α5-的层粘连蛋白结合的全部生理重要性仍不清楚。如前所述，EHS产生的层粘连蛋白111是层粘连素结合整合素的不良配体。累积数据表明，层粘连蛋白异质三聚体C末端的层粘连素LG1-3结构域中存在一个主要整合素结合位点（Ido等人。2004; Kunneken等人。2004). 除了层粘连蛋白α链特异序列外，β链和γ链的C末端残基也有助于/促进整合素结合（Ido等人。2004; Kunneken等人。2004). 整合素α7胞外区的剪接影响其对某些层粘连蛋白亚型的偏好（Nishiuchi等人。2003; Taniguchi等人。2009; von der Mark等人。2002; 表1).

三螺旋纤维胶原序列中的RGD序列通常不适用于天然纤维胶原中的纤维连接蛋白受体（Davis1992; Gullberg等人。1990)，仅在变性胶原蛋白I中可用。相反，胶原蛋白结合整合素识别三螺旋GFOGER序列（Knight等人。1998)或其变体，在天然胶原蛋白中。一个关于胶原蛋白-I结合位点和突变的组装数据库使我们能够构建一个模型，其中GFOGER位点位于细胞相互作用域中，建议每个微纤丝单元暴露一次（每个微纤纤单元由五个胶原三螺旋单体组成），允许整合素聚集（Sweeney等人。2008). 然而，纤维基质中的一些成分可能会影响这些位点的可用性。有趣的是，软骨中存在的IX型胶原被证明是所有胶原蛋白结合整合素的良好配体（Kapyla等人。2004)但在体内，并非所有的胶原蛋白结合整合素都在软骨细胞中表达。在α11β1整合素的情况下，如果软骨组织没有从软骨膜中分离出来，那么来自α11的信号将来自软骨膜中的α11表达（Tiger等人。2001)缺乏IX型胶原蛋白。因此，整合素在软骨不同区域可能与IX型胶原受体在生理上相关，其身份尚待确定。

胶原蛋白IX缺乏原型胶原蛋白结合整合素识别序列GFOGER，确切的序列有待映射。GFOGER序列的某些变体可能对不同的胶原蛋白结合整合素显示出特异性，正如最近的一项发现所表明的那样，具有活性结合位点GLPGER的细菌胶原蛋白样肽sscl被α11β1表达细胞优先于α2β1表达的细胞（Caswell等人。2008).

其他整合素结合基序包括α4-整合素结合序列LDV（Clements等人。1994; Komoriya等人。1991)β2整合素和α4β7异二聚体分别识别的粘附分子ICAM和MadCAM中也存在其变体（Wang和Springer1998).

除生理配体外，蛋白质水解产生的整合素配体也越来越受到人们的重视。内皮抑制素（来源于胶原XVIII）、内啡肽（来源于珍珠糖）和肿瘤抑制素来源于胶原α3（IV）是最著名的例子（Bix和Iozzo2005; 苏尔等人。2009; 表1). 此外，整合素可以结合称为去整合素的蛇毒素（Calvete等人。2005; Swenson等人。2007)和某些病毒（Stewart和Nemerow2007)和细菌（Hauck等人。2006; Palumbo和Wang2006). 其中一些相互作用发生在整合素的常规配体结合位点之外，与生理配体的结合相比表现出不同的结合特征。

整合素作为机械链接

整合素的第一个功能是作为ECM和细胞骨架之间的链接。对于大多数整合素，其连接是肌动蛋白细胞骨架（Geiger等人。2009)而α6β4与中间丝系统相连（Nievers等人。1999). 最近，中间丝蛋白波形蛋白已被证明依赖于β3整合素募集到细胞表面（Bhattacharya et al。2009)表明各种细胞骨架网络与整合素之间存在密切关系。

这种机械连接中的一些成分，如塔利班，起着双重作用，也参与激活内外信号机制中的整合素（Tadokoro等人。2003). 随着人们认识到整合素可以作为机械传感器，并通过包括自分泌和旁分泌机制在内的复杂细胞内信号机制产生影响细胞生理学的信号，整合素作为机械连接的一个新维度已经崭露头角（Chen和O'Connor2005; Linton等人。2007; 米尔沃德·萨德勒和索尔特2004; Millward-Sadler等人。1999; Zhu等人。2007). 如上所述，机械张力也可以增加整合素亲和力。

整合素作为信号受体

整合素是参与内外信号传递的双向信号受体。内-外信号主要作用是使整合素进入活性构象。如前所述，talins、kindlins、filamins、migfilin、FAK以及ILK（Honda等人。2009)可以调节整合素的活化。

配体结合后，整合素发生构象变化，导致外信号传导。这激活了复杂且细胞特异的信号事件，这取决于细胞中其他可用的信号受体和信号系统。本综述的范围不包括这些事件，但读者可以参考最近关于这一主题的优秀评论（Askari等人。2009; Gahmberg等人。2009; Larjava等人。2008; Legate等人。2009; 罗和斯普林格2006).

整合素表达

整合素广泛表达，身体中的每个有核细胞都具有特定的整合素特征。重要的是，整合素的调节是动态的，一旦细胞脱离正常环境，整合蛋白的调节就会迅速发生变化。一些整合素比其他整合素更局限于某些细胞谱系，但其表达往往受发育调控。

体内大多数细胞表达β1整合素，因此使用β1作为干细胞特征的一部分时应谨慎。然而，β1整合素表达水平已被成功用作表皮干细胞的标记物，其表达高水平的β1整合素（Jensen等人。1999). 在果蝇属βPS3是维持生殖系干细胞生态位所必需的，这一发现表明了整合素介导的事件对早期干细胞功能的重要性（Tanentzapf等人。2007). 体外研究表明，细胞粘附相互作用可以提供信号，使干细胞在某些ECM分子上保持未分化状态。通过α6β1和αvβ1整合素介导的细胞粘附到特定层粘连蛋白亚型所发出的信号可以影响细胞内信号以维持未分化状态（Domogatskaya等人。2008). 当干细胞分化时，它们会改变整合素的表达。在软骨生成间充质干中，α10/α11比率反映了软骨生成分化（Varas等人。2007). 表三列出了在各种特征细胞类型上表达的一些整合素。该列表并不完整，也没有考虑在生长和再生阶段发生的整合素表达的动态变化。

表3

某些选定细胞类型的整合素特征。生物体中的每个细胞在特定条件下都包含特定的整合素标记。整合素储备是动态的，随着发育年龄的变化而变化，并对微环境条件作出强烈反应。有时，特定的整合素亚型指示细胞类型或分化状态（整合素在大胆的是否存在主要的整合素）

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整合素功能

整合素是重要的细胞粘附受体，单个整合素已专门发挥某些功能。尽管敲除动物模型已经提供了关于整合素功能的基本信息（表4)，几个整合素功能尚待阐明。两个例子分别来自软骨和骨骼肌中β1整合素的条件性缺失，表明β1整合素在肌肉发生和软骨发生中的重要作用（Aszodi等人。2003; Schwander等人。2003). 涉及骨骼肌和软骨的特异性β1整合素异二聚体尚未被鉴定。解决这些问题可能需要多个整合素α链的条件缺失组合。

表4

未受挑战和受挑战的整合素突变小鼠的表型。敲除数据来自小鼠基因组信息学（MGI）数据库(http://www.informatics.jax.org/)并在需要时更新相关Pubmed(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/)检索到的原始引用

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我们刚刚开始理解整合素在复杂生物系统中的工作方式。一个拥有更精细的分析、方法和工具的新时代可能会面临理解整合素在这些生物系统中的综合作用的挑战。

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