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Basigin的分子作用機制及其在眼部的生物學作用論文
Basigin 屬于免疫球蛋白超家族成員，參與胚胎發育，在損傷修復、炎癥發生、纖維及血管增生、腫瘤進展等方面都發揮重要作用。近年研究揭示，Basigin的分子結構特征是其廣泛功能的重要基礎。Basigin 在眼部獨特的組織特異性表達是正常視網膜成熟和發育所必需的。
1 Basigin 的結構特征及其參與生理、病理機制
1. 1 Basigin 簡介在認識Basigin 的歷程中，對不同種屬和組織器官的此類同源蛋白分別有不同的命名和表述。鑒于該分子能刺激基質金屬蛋白酶( matrix metalloproteinase，MMP) 分泌，促進腫瘤侵襲和轉移，又被命名為細胞外基質金屬蛋白酶誘導因子( extracellar matrix metalloproteinase inducer，EMMPRIN)。在基因組計劃中，該基因命名為Basigin( 人類縮寫為BSG，鼠類為Bsg) 。在第六屆人類白細胞分化抗原協作組國際會議上統一命名為CD147。Basigin 的多種命名實際上也反映了其具有眾多功能的特性。根據啟動子及剪接位置的不同，Basigin 有4 種異構體。Basigin-1 具有3個免疫球蛋白( immunoglobulin， Ig) 結構域，是視網膜特異性異構體。Basigin-3 和Basigin-4 只有1 個Ig 結構域。具有2 個Ig 結構域的Basigin-2 是最多見的異構體，在全身廣泛表達，在很多文獻中常常被簡略表達為Basigin，本綜述也沿用了這種表達。
1. 2 Basigin 的結構特征與分子伴侶Basigin 作為重要的識別分子，其功能與分子結構特征、細胞伴侶的交互作用有密切的聯系。通過Basigin 表達的改變，能造成細胞相互作用及溝通的障礙，具有重要的生理和病理意義。根據其結合靶蛋白或細胞伴侶的位置不同，將位于同一胞質膜的結合稱為順式識別，位于細胞外的結合稱為反式識別。
1. 2. 1 Basigin 二聚體及寡聚化的分子基礎Basigin的跨膜區、胞質尾部及Ig 結構域之間的連接序列為高度保守區域，尤其是其中的半胱氨酸殘基、天冬酰胺N-糖基化位點及跨膜區谷氨酸殘基，但Ig 結構域在種屬間可變。Ig 結構域之間的連接序列具有獨特的結構，5個殘基的連接結構可折疊，具有良好的移動性，利于IgG2 結構域改變其朝向，與鄰近配體及伴侶相互作用。Basigin 因此能與其他Ig 家族成員的同源黏附類似，形成同源寡聚體。Basigin跨膜區包含一個獨特的包埋的谷氨酸殘基以及亮氨酸拉鏈序列，上述特征有利于蛋白低聚化形成多重蛋白復合物，參與細胞信號通路，例如免疫細胞受體復合物的形成。此外，包埋的谷氨酸殘基聯合富含亮氨酸的跨膜區域在α-螺旋中通過氫鍵連接產生強有力的交互作用，有助于形成寡聚體。Basigin的同源二聚體或與其他連接伴侶的異源寡聚化有利于作用于鄰近及遠處細胞的共同受體，發揮多種生物活性。Basigin 的寡聚化還與糖基化有密切關系。Basigin具有3 個Asn 糖基化位點，多聚N-乙酰氨基葡萄糖位于Basigin 多糖外鏈，被稱為β1，6-支鏈。Basigin通過糖基化位點與腫瘤細胞過表達的多糖、galectin-3、透明質酸結合。透明質酸在腫瘤微環境中表達豐富，豐富的細胞外多聚糖被CD44 和單羧酸轉運子( monocarboxylate transporter，MCT) -4 識別，引發細胞表面聚集及多成分復合物的形成，促進Basigin寡聚體形成。Basigin 與整合素家族α3β1、α6β1亞基在細胞接觸部位形成反式識別復合物，介導腫瘤細胞和細胞外基質的黏附，促進腫瘤的生長、存活及侵襲。其內在機制為: Basigin 的IgI 結構域糖基化位點與位于整合素β1 亞單位的金屬離子依賴的黏附位點作用，調節MMP 活性，通過FAK-PI3K 信號途徑，引發MMP 合成，促進腫瘤侵襲。至少有4種分子介導Basigin 與整合素的交互作用，分別為CD98、CD43、MCT4 及galectin-3。galectin-3 具有獨特的結構，不僅僅識別Basigin，也識別其他蛋白，如β1-整合素的多聚N-乙酰氨基葡萄糖，發揮蛋白連接構架的作用。它通過分支狀多糖的交聯，促進與β1整合素等其他蛋白的結合以及Basigin 的自身連接，是Basigin 信號途徑的重要分子。
1. 2. 2 Basigin 的分子伴侶Basigin 與眾多分子伴侶結合，通過多重分子機制參與多種疾病的病理機制。Basigin 在惡性腫瘤中尤其高表達，成為腫瘤分期、分級和預后的指標以及治療靶點，近來已成為腫瘤生物學的研究熱點。MCT 的發現在Basigin 研究中是一個突破。MCT 催化短鏈脂肪酸替代物，如乳酸、丙酮酸鹽及酮體的跨細胞膜轉運。MCT1、MCT3、MCT4 以Basigin 為輔助蛋白。共轉染研究顯示，Basigin 在MCT 的跨膜定位中發揮伴侶的作用。腫瘤細胞顯著依賴于需氧糖酵解，需要迅速移除乳酸以維持細胞內pH，因此，MCT 尤其是MCT4的活性加強。Basigin 是MCT 活性的表達所必需，Basigin 通過與MCT 的連接在能量代謝中發揮關鍵作用。此外，MCT 還與CD44、透明質酸、整合素連接，促進腫瘤細胞的生長、存活及侵襲。Basigin加強腫瘤細胞MMP 的產生及透明質酸的產生，引起細胞外基質降解，增強細胞的移行及增殖，促進血管生成。親環素A 及Basigin 介導了多發性骨髓瘤對骨髓的定位作用。骨髓血管的內皮細胞分泌親環素A，能吸引顯著表達親環素A 受體—Basigin 的骨髓細胞�？笲asigin 抗體能抑制多發性骨髓瘤細胞在體內支架系統的定位及增殖。Basigin 不僅僅在腫瘤細胞內作用，也作用于鄰近的正常細胞。Basigin 引發間質細胞MMP 的產生，促進腫瘤侵襲; 也引發內皮細胞VEGF 及其受體的表達，加強血管生成�？笲asigin 抗體及Basigin的siRNA 有望作為抗腫瘤的治療手段。寄生蟲蛋白RH5 是目前唯一的對所有種類寄生蟲侵襲都很關鍵的蛋白，RH5 通過氨基酸殘基與其連接伴侶Basigin 結合，參與寄生蟲對紅細胞的侵襲，從而在瘧疾的發病機理中發揮關鍵作用。針對該位點有助于研發有效的疫苗以預防瘧疾。體內研究中，抗Basigin 抗體能快速清除惡性瘧疾的血液階段的感染，而不具有任何顯著的毒性。親環素與Basigin 結合，加強了白細胞的移行。血小板通過血小板糖蛋白( platelet glycoprotein VI，GPVI) -Basigin的交互作用，加強了對血管壁的黏附，引發血管炎癥，通過單核細胞回募形成動脈粥樣硬化。
1. 2. 3 Basigin 與囊泡分泌最初，Basigin 是定位于細胞表面的膜蛋白，但隨著影像技術的提高，發現Basigin 也位于亞細胞空間及細胞釋放的囊泡內。因此，Basigin 能以可溶性形式自細胞裂解后播散，或以二聚體或者寡聚體存在于細胞外囊泡中，通過微環境與非鄰近細胞起作用。整合素和galectin-3 在這種識別中發揮重要作用。Basigin 相關的外泌體見于卵巢癌及膽囊癌患者的腹水，甚至可以從癌癥患者的血清中提取包含Basigin 的細胞外囊泡，作為生物指標檢測治療的反。Basigin 還參與細胞骨架重塑，調節細胞內囊泡分布及囊泡釋放。透明質酸作為細胞外基質的重要結構成分，參與惡性腫瘤細胞動力學作用。Basigin與透明質酸的受體CD44 結合，參與惡性腫瘤侵襲的交互作用及受體酪氨酸激酶引發的腫瘤耐藥。CD44-透明質酸的交互作用增強Basigin 介導的膜型基質金屬蛋白( membrane type matrix metalloproteinase，MT1-MMP) 依賴的侵襲偽足的活性，通過EGFRRas-ERK 信號增強侵襲活性。Basigin 還具有調節細胞骨架重塑、參與細胞間交互作用、亞細胞囊泡分布等一系列生物功能。Basigin 與CD44、CD98 形成內吞復合物。Basigin 胞質尾部的酸性殘基與微管連接蛋白作用，達到快速細胞內轉移，參與營養成分的跨膜外流及ECM 的重塑。此外，Basigin 還與膜聯蛋白( annexin II，AnxA2) 作用，重排細胞骨架蛋白，調整脂質閥動力學，參與外泌體的運輸。Basigin的細胞外部分影響AnxA2 的磷酸化、細胞移動性及Basigin 自細胞的釋放，調節MMP 活性，加強腫瘤與基質細胞的溝通，影響腫瘤細胞移行及侵襲。
1. 2. 4 Basigin 的調控Basigin 的表達受多種轉錄因子調控，包括特殊蛋白1( Sp1) 、Sp3、上皮間質轉化相關因子及缺氧誘導因子1α( HIF-1α)。值得關注的是，它還能通過與MT1-MMP 連接方式去除膜表面蛋白，以自分泌方式調節表達。隨著可溶性Basigin 作用濃度及時間的增加，細胞Basigin 的轉錄及表面表達隨之增加。
2 Basigin 在視網膜的特異性表達及其功能
2. 1 Basigin 是視網膜發育成熟和發揮功能的關鍵糖蛋白健康小鼠的Basigin 表達于視網膜色素上皮( retinal pigment epithelium，RPE) 細胞頂端及基底表面、光感受器細胞體及內節段、Müller 細胞以及血管�；蚯贸∈蟮难芯孔C實，Basigin 敲除引起視網膜視桿細胞和視錐細胞的功能喪失; 2 周齡的敲除小鼠眼部睜開時，盡管視網膜結構正常，但視網膜電圖的幅度嚴重降低，提示視網膜成熟障礙; 3周齡視覺發育成熟時，光感受器外節段較正常稀疏且變短; 8 周齡時，視網膜變性; 8 個月齡時，整個光感受器層消失。因此，Basigin 基因的失活阻礙了視網膜的正常代謝及成熟。為適應光感受器細胞的高能需求，外層視網膜通過糖酵解和氧化途徑代謝葡萄糖，產生大量乳酸和CO2。乳酸由Müller 細胞轉運到光感受器細胞，以供氧化磷酸化所需。MCT 對乳酸的跨膜轉運對維持正常的視網膜功能很重要。MCT1、MCT3 和MCT4在視網膜表達，以Basigin 為細胞伴侶。免疫共沉淀及熒光共振能量轉移分析顯示，Basigin 與MCT1 在細胞膜互相作用。在Basigin 缺陷小鼠，MCT 的細胞表面定位的功能障礙，導致其降解。因此認為，MCT 的顯著減少阻斷了能量轉運，繼而導致光感受器的死亡，造成盲及視網膜變性。
2. 2 Basigin-1 促進視錐細胞的存活及其功能有研究揭示視網膜存在兩個Basigin 的轉錄物，較長的片段后來命名為Basigin-1，其表達僅僅局限于視網膜光感受器細胞及內節段。相對分子質量較小的蛋白產物命名為Basigin-2。但作為視網膜特異性異構體的Basigin-1 的功能一直還不清楚。近年來研究發現，視桿細胞分泌一種視錐細胞存活因子，該因子是不具有酶活性的截短的硫氧化蛋白，能加強視錐光感受器細胞的存活，被命名為RdCVF，具有抗氧化活性。缺乏RdCVF 的小鼠視錐細胞比對照小鼠更容易出現氧化損傷，隨著年齡增長出現光感受器活性的下降。使用質譜分析法，發現Basigin-1 與RdCVF 連接。Basigin-1 位于視錐細胞表面，變異時引起視網膜色素變性。Basigin-1與GLUT1 結合，后者是具有12 個跨膜區域的葡萄糖轉運子。重要的是，離體實驗中加入的RdCVF 增加了光感受器細胞葡萄糖的吸收、乳酸的釋放及ATP的產生。而且，降低Basigin-1 及GLUT-1 的水平削弱了RdCVF 對光感受器細胞的存活作用。因此，RdCVF、Basigin-1 及GLUT1 在細胞表面形成復合物促進葡萄糖吸收，提供豐富的能量來源以促進細胞的存活。視網膜色素變性患者在疾病后期階段存在視錐光感受器細胞的逐漸降解，近期有研究使用AAV 病毒載體攜帶的RdCVF 促進了視錐細胞的存活及殘余視覺功能的維持，因此有望以基因治療的方式保留中央視力。
3 Basigin 在眼部的其他功能研究
3. 1 Basigin 與眼表損傷及修復Basigin 是調節MMP 產生和激活的重要誘導劑，參與破壞細胞間連接，促進上皮重排及增加細胞的移行可塑性。對急性化學燒傷患者受傷后1 周內實施羊膜移植，7～ 9 d后去除移植的羊膜。在嚴重化學燒傷后急性階段，羊膜內浸潤的炎性細胞Basigin 陽性表達明顯多于慢性持續上皮缺損羊膜移植組。Basigin 主要表達于正常角膜上皮，但在潰瘍角膜，Basigin 主要表達于基質淺層。MMP-2 與Basigin 共表達于上皮基質邊界，體外共培養技術也顯示二者共存于成纖維細胞與上皮細胞的界面。角膜上皮愈合延遲時，基底膜的再生被阻斷，角膜上皮細胞與成纖維細胞接觸，Basigin 能直接介導上皮基質交互作用，促進角膜潰瘍中MMP 上調，加重過度的基質降解和角膜溶解。因此，抑制Basigin 可能成為一種抑制潰瘍區域產生MMP 的有效治療手段。
Basigin 及MMP-1 也參與圓錐角膜基質降解的病理機制。在圓錐角膜，Basigin 表達于角膜的所有層面，尤其是組織病理改變的區域。MMP-1 在圓錐角膜的分布上調，但表達區域與角膜病變及Basigin表達部位不完全吻合，可能還有其他種類的MMP 參與病變。Basigin 及α-平滑肌肌動蛋白( α-smoothmuscle actin，α-SMA) 共存于病理性角膜病變基質內，Basigin 能引導α-SMA 的表達及膠原收縮，促進成纖維細胞到肌成纖維細胞的分化，參與組織重塑。用cDNA 轉染增加Basigin 的表達，或給予外源性的Basigin，均能上調α-SMA 的表達，增加膠原收縮反應。Basigin 對瞼板腺的發育很重要，有助于維持眼表穩定。Basigin 還可以單體或多體形式可溶性存在于眼內，作用于細胞外微環境�？扇苄訠asigin見于淚液、房水及玻璃體樣本中。干眼患者眼表的Basigin 和MMP-9 的表達升高。用高滲環境培養細胞，模擬干眼狀態，Basigin 及MMP-9 的表達上調，清除了細胞緊密連接的重要成分occludin，導致上皮連接的破壞。Basigin 調節細胞表面的occludin 的數量，保持完整的上皮結構，參與維持內環境穩態。
3. 2 Basigin 與眼后段增殖和炎癥RPE 的黏附、移行及基質重塑是增殖性玻璃體視網膜病變的重要特征。失去分化的RPE 細胞有galectin-3 的上調，重組galectin-3 能抑制RPE 細胞的黏附和擴展。galectin-3 及其N 端的區域能通過Basigin 介導引發MMP表達，破壞細胞間連接，促進上皮重排，調節RPE 細胞的聚集，促進增殖性玻璃體視網膜病變的發生。年齡相關性黃斑變性早期階段的特征是富脂質的細胞外基質沉積于RPE 下，導致玻璃膜增厚，視網膜下沉積物聚集。蛋白組學研究發現，RPE 衍生的基質金屬蛋白酶MMP-2、MMP-14 及Basigin 是參與細胞外基質代謝和重塑的關鍵蛋白。高血壓是年齡相關性黃斑變性的主要危險因素。血管緊張素II 是與高血壓最密切相關的激素，它通過激活細胞分裂素( MAPK) 信號途徑，提高MMP-2 的活性、MMP-14 及Basigin 蛋白的表達，引發視網膜基底膜的破壞，加快視網膜下沉積物的進展。應用蛋白質組學方法檢測發現，馬葡萄膜炎RPE 表面蛋白的Basigin 有顯著下調。Basigin 參與細胞黏附、轉運及細胞溝通，因此Basigin 在葡萄膜炎的下調可能破壞RPE 細胞間功能，增加外層血-視網膜屏障的通透性及自身侵襲性白細胞對內眼的浸潤。
4 小結
Basigin 在體內的功能廣泛，通過多因素、多環節的交互作用影響體內微環境，參與機體精細、復雜的調控，引起一系列病理生理變化。盡管研究起步較晚，但Basigin 在眼部的病理生理功能及其機制值得深入探討，有望為視網膜疾病的臨床治療提供新的策略。
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