Basigin的分子作用机制及其在眼部的生物学作用论文
Basigin 属于免疫球蛋白超家族成员，参与胚胎发育，在损伤修复、炎症发生、纤维及血管增生、肿瘤进展等方面都发挥重要作用。近年研究揭示，Basigin的分子结构特征是其广泛功能的重要基础。Basigin 在眼部独特的组织特异性表达是正常视网膜成熟和发育所必需的。
1 Basigin 的结构特征及其参与生理、病理机制
1. 1 Basigin 简介在认识Basigin 的历程中，对不同种属和组织器官的此类同源蛋白分别有不同的命名和表述。鉴于该分子能刺激基质金属蛋白酶( matrix metalloproteinase，MMP) 分泌，促进肿瘤侵袭和转移，又被命名为细胞外基质金属蛋白酶诱导因子( extracellar matrix metalloproteinase inducer，EMMPRIN)。在基因组计划中，该基因命名为Basigin( 人类缩写为BSG，鼠类为Bsg) 。在第六届人类白细胞分化抗原协作组国际会议上统一命名为CD147。Basigin 的多种命名实际上也反映了其具有众多功能的特性。根据启动子及剪接位置的不同，Basigin 有4 种异构体。Basigin-1 具有3个免疫球蛋白( immunoglobulin， Ig) 结构域，是视网膜特异性异构体。Basigin-3 和Basigin-4 只有1 个Ig 结构域。具有2 个Ig 结构域的Basigin-2 是最多见的异构体，在全身广泛表达，在很多文献中常常被简略表达为Basigin，本综述也沿用了这种表达。
1. 2 Basigin 的结构特征与分子伴侣Basigin 作为重要的识别分子，其功能与分子结构特征、细胞伴侣的交互作用有密切的联系。通过Basigin 表达的改变，能造成细胞相互作用及沟通的障碍，具有重要的生理和病理意义。根据其结合靶蛋白或细胞伴侣的位置不同，将位于同一胞质膜的结合称为顺式识别，位于细胞外的结合称为反式识别。
1. 2. 1 Basigin 二聚体及寡聚化的分子基础Basigin的跨膜区、胞质尾部及Ig 结构域之间的连接序列为高度保守区域，尤其是其中的半胱氨酸残基、天冬酰胺N-糖基化位点及跨膜区谷氨酸残基，但Ig 结构域在种属间可变。Ig 结构域之间的连接序列具有独特的结构，5个残基的连接结构可折叠，具有良好的移动性，利于IgG2 结构域改变其朝向，与邻近配体及伴侣相互作用。Basigin 因此能与其他Ig 家族成员的同源黏附类似，形成同源寡聚体。Basigin跨膜区包含一个独特的包埋的谷氨酸残基以及亮氨酸拉链序列，上述特征有利于蛋白低聚化形成多重蛋白复合物，参与细胞信号通路，例如免疫细胞受体复合物的形成。此外，包埋的谷氨酸残基联合富含亮氨酸的跨膜区域在α-螺旋中通过氢键连接产生强有力的交互作用，有助于形成寡聚体。Basigin的同源二聚体或与其他连接伴侣的异源寡聚化有利于作用于邻近及远处细胞的共同受体，发挥多种生物活性。Basigin 的寡聚化还与糖基化有密切关系。Basigin具有3 个Asn 糖基化位点，多聚N-乙酰氨基葡萄糖位于Basigin 多糖外链，被称为β1，6-支链。Basigin通过糖基化位点与肿瘤细胞过表达的多糖、galectin-3、透明质酸结合。透明质酸在肿瘤微环境中表达丰富，丰富的细胞外多聚糖被CD44 和单羧酸转运子( monocarboxylate transporter，MCT) -4 识别，引发细胞表面聚集及多成分复合物的形成，促进Basigin寡聚体形成。Basigin 与整合素家族α3β1、α6β1亚基在细胞接触部位形成反式识别复合物，介导肿瘤细胞和细胞外基质的黏附，促进肿瘤的生长、存活及侵袭。其内在机制为: Basigin 的IgI 结构域糖基化位点与位于整合素β1 亚单位的金属离子依赖的黏附位点作用，调节MMP 活性，通过FAK-PI3K 信号途径，引发MMP 合成，促进肿瘤侵袭。至少有4种分子介导Basigin 与整合素的交互作用，分别为CD98、CD43、MCT4 及galectin-3。galectin-3 具有独特的结构，不仅仅识别Basigin，也识别其他蛋白，如β1-整合素的多聚N-乙酰氨基葡萄糖，发挥蛋白连接构架的作用。它通过分支状多糖的交联，促进与β1整合素等其他蛋白的结合以及Basigin 的自身连接，是Basigin 信号途径的重要分子。
1. 2. 2 Basigin 的分子伴侣Basigin 与众多分子伴侣结合，通过多重分子机制参与多种疾病的病理机制。Basigin 在恶性肿瘤中尤其高表达，成为肿瘤分期、分级和预后的指标以及治疗靶点，近来已成为肿瘤生物学的研究热点。MCT 的发现在Basigin 研究中是一个突破。MCT 催化短链脂肪酸替代物，如乳酸、丙酮酸盐及酮体的'跨细胞膜转运。MCT1、MCT3、MCT4 以Basigin 为辅助蛋白。共转染研究显示，Basigin 在MCT 的跨膜定位中发挥伴侣的作用。肿瘤细胞显著依赖于需氧糖酵解，需要迅速移除乳酸以维持细胞内pH，因此，MCT 尤其是MCT4的活性加强。Basigin 是MCT 活性的表达所必需，Basigin 通过与MCT 的连接在能量代谢中发挥关键作用。此外，MCT 还与CD44、透明质酸、整合素连接，促进肿瘤细胞的生长、存活及侵袭。Basigin加强肿瘤细胞MMP 的产生及透明质酸的产生，引起细胞外基质降解，增强细胞的移行及增殖，促进血管生成。亲环素A 及Basigin 介导了多发性骨髓瘤对骨髓的定位作用。骨髓血管的内皮细胞分泌亲环素A，能吸引显著表达亲环素A 受体—Basigin 的骨髓细胞。抗Basigin 抗体能抑制多发性骨髓瘤细胞在体内支架系统的定位及增殖。Basigin 不仅仅在肿瘤细胞内作用，也作用于邻近的正常细胞。Basigin 引发间质细胞MMP 的产生，促进肿瘤侵袭; 也引发内皮细胞VEGF 及其受体的表达，加强血管生成。抗Basigin 抗体及Basigin的siRNA 有望作为抗肿瘤的治疗手段。寄生虫蛋白RH5 是目前唯一的对所有种类寄生虫侵袭都很关键的蛋白，RH5 通过氨基酸残基与其连接伴侣Basigin 结合，参与寄生虫对红细胞的侵袭，从而在疟疾的发病机理中发挥关键作用。针对该位点有助于研发有效的疫苗以预防疟疾。体内研究中，抗Basigin 抗体能快速清除恶性疟疾的血液阶段的感染，而不具有任何显著的毒性。亲环素与Basigin 结合，加强了白细胞的移行。血小板通过血小板糖蛋白( platelet glycoprotein VI，GPVI) -Basigin的交互作用，加强了对血管壁的黏附，引发血管炎症，通过单核细胞回募形成动脉粥样硬化。
1. 2. 3 Basigin 与囊泡分泌最初，Basigin 是定位于细胞表面的膜蛋白，但随着影像技术的提高，发现Basigin 也位于亚细胞空间及细胞释放的囊泡内。因此，Basigin 能以可溶性形式自细胞裂解后播散，或以二聚体或者寡聚体存在于细胞外囊泡中，通过微环境与非邻近细胞起作用。整合素和galectin-3 在这种识别中发挥重要作用。Basigin 相关的外泌体见于卵巢癌及胆囊癌患者的腹水，甚至可以从癌症患者的血清中提取包含Basigin 的细胞外囊泡，作为生物指标检测治疗的反。Basigin 还参与细胞骨架重塑，调节细胞内囊泡分布及囊泡释放。透明质酸作为细胞外基质的重要结构成分，参与恶性肿瘤细胞动力学作用。Basigin与透明质酸的受体CD44 结合，参与恶性肿瘤侵袭的交互作用及受体酪氨酸激酶引发的肿瘤耐药。CD44-透明质酸的交互作用增强Basigin 介导的膜型基质金属蛋白( membrane type matrix metalloproteinase，MT1-MMP) 依赖的侵袭伪足的活性，通过EGFRRas-ERK 信号增强侵袭活性。Basigin 还具有调节细胞骨架重塑、参与细胞间交互作用、亚细胞囊泡分布等一系列生物功能。Basigin 与CD44、CD98 形成内吞复合物。Basigin 胞质尾部的酸性残基与微管连接蛋白作用，达到快速细胞内转移，参与营养成分的跨膜外流及ECM 的重塑。此外，Basigin 还与膜联蛋白( annexin II，AnxA2) 作用，重排细胞骨架蛋白，调整脂质阀动力学，参与外泌体的运输。Basigin的细胞外部分影响AnxA2 的磷酸化、细胞移动性及Basigin 自细胞的释放，调节MMP 活性，加强肿瘤与基质细胞的沟通，影响肿瘤细胞移行及侵袭。
1. 2. 4 Basigin 的调控Basigin 的表达受多种转录因子调控，包括特殊蛋白1( Sp1) 、Sp3、上皮间质转化相关因子及缺氧诱导因子1α( HIF-1α)。值得关注的是，它还能通过与MT1-MMP 连接方式去除膜表面蛋白，以自分泌方式调节表达。随着可溶性Basigin 作用浓度及时间的增加，细胞Basigin 的转录及表面表达随之增加。
2 Basigin 在视网膜的特异性表达及其功能
2. 1 Basigin 是视网膜发育成熟和发挥功能的关键糖蛋白健康小鼠的Basigin 表达于视网膜色素上皮( retinal pigment epithelium，RPE) 细胞顶端及基底表面、光感受器细胞体及内节段、Müller 细胞以及血管。基因敲除小鼠的研究证实，Basigin 敲除引起视网膜视杆细胞和视锥细胞的功能丧失; 2 周龄的敲除小鼠眼部睁开时，尽管视网膜结构正常，但视网膜电图的幅度严重降低，提示视网膜成熟障碍; 3周龄视觉发育成熟时，光感受器外节段较正常稀疏且变短; 8 周龄时，视网膜变性; 8 个月龄时，整个光感受器层消失。因此，Basigin 基因的失活阻碍了视网膜的正常代谢及成熟。为适应光感受器细胞的高能需求，外层视网膜通过糖酵解和氧化途径代谢葡萄糖，产生大量乳酸和CO2。乳酸由Müller 细胞转运到光感受器细胞，以供氧化磷酸化所需。MCT 对乳酸的跨膜转运对维持正常的视网膜功能很重要。MCT1、MCT3 和MCT4在视网膜表达，以Basigin 为细胞伴侣。免疫共沉淀及荧光共振能量转移分析显示，Basigin 与MCT1 在细胞膜互相作用。在Basigin 缺陷小鼠，MCT 的细胞表面定位的功能障碍，导致其降解。因此认为，MCT 的显著减少阻断了能量转运，继而导致光感受器的死亡，造成盲及视网膜变性。
2. 2 Basigin-1 促进视锥细胞的存活及其功能有研究揭示视网膜存在两个Basigin 的转录物，较长的片段后来命名为Basigin-1，其表达仅仅局限于视网膜光感受器细胞及内节段。相对分子质量较小的蛋白产物命名为Basigin-2。但作为视网膜特异性异构体的Basigin-1 的功能一直还不清楚。近年来研究发现，视杆细胞分泌一种视锥细胞存活因子，该因子是不具有酶活性的截短的硫氧化蛋白，能加强视锥光感受器细胞的存活，被命名为RdCVF，具有抗氧化活性。缺乏RdCVF 的小鼠视锥细胞比对照小鼠更容易出现氧化损伤，随着年龄增长出现光感受器活性的下降。使用质谱分析法，发现Basigin-1 与RdCVF 连接。Basigin-1 位于视锥细胞表面，变异时引起视网膜色素变性。Basigin-1与GLUT1 结合，后者是具有12 个跨膜区域的葡萄糖转运子。重要的是，离体实验中加入的RdCVF 增加了光感受器细胞葡萄糖的吸收、乳酸的释放及ATP的产生。而且，降低Basigin-1 及GLUT-1 的水平削弱了RdCVF 对光感受器细胞的存活作用。因此，RdCVF、Basigin-1 及GLUT1 在细胞表面形成复合物促进葡萄糖吸收，提供丰富的能量来源以促进细胞的存活。视网膜色素变性患者在疾病后期阶段存在视锥光感受器细胞的逐渐降解，近期有研究使用AAV 病毒载体携带的RdCVF 促进了视锥细胞的存活及残余视觉功能的维持，因此有望以基因治疗的方式保留中央视力。
3 Basigin 在眼部的其他功能研究
3. 1 Basigin 与眼表损伤及修复Basigin 是调节MMP 产生和激活的重要诱导剂，参与破坏细胞间连接，促进上皮重排及增加细胞的移行可塑性。对急性化学烧伤患者受伤后1 周内实施羊膜移植，7～ 9 d后去除移植的羊膜。在严重化学烧伤后急性阶段，羊膜内浸润的炎性细胞Basigin 阳性表达明显多于慢性持续上皮缺损羊膜移植组。Basigin 主要表达于正常角膜上皮，但在溃疡角膜，Basigin 主要表达于基质浅层。MMP-2 与Basigin 共表达于上皮基质边界，体外共培养技术也显示二者共存于成纤维细胞与上皮细胞的界面。角膜上皮愈合延迟时，基底膜的再生被阻断，角膜上皮细胞与成纤维细胞接触，Basigin 能直接介导上皮基质交互作用，促进角膜溃疡中MMP 上调，加重过度的基质降解和角膜溶解。因此，抑制Basigin 可能成为一种抑制溃疡区域产生MMP 的有效治疗手段。
Basigin 及MMP-1 也参与圆锥角膜基质降解的病理机制。在圆锥角膜，Basigin 表达于角膜的所有层面，尤其是组织病理改变的区域。MMP-1 在圆锥角膜的分布上调，但表达区域与角膜病变及Basigin表达部位不完全吻合，可能还有其他种类的MMP 参与病变。Basigin 及α-平滑肌肌动蛋白( α-smoothmuscle actin，α-SMA) 共存于病理性角膜病变基质内，Basigin 能引导α-SMA 的表达及胶原收缩，促进成纤维细胞到肌成纤维细胞的分化，参与组织重塑。用cDNA 转染增加Basigin 的表达，或给予外源性的Basigin，均能上调α-SMA 的表达，增加胶原收缩反应。Basigin 对睑板腺的发育很重要，有助于维持眼表稳定。Basigin 还可以单体或多体形式可溶性存在于眼内，作用于细胞外微环境。可溶性Basigin见于泪液、房水及玻璃体样本中。干眼患者眼表的Basigin 和MMP-9 的表达升高。用高渗环境培养细胞，模拟干眼状态，Basigin 及MMP-9 的表达上调，清除了细胞紧密连接的重要成分occludin，导致上皮连接的破坏。Basigin 调节细胞表面的occludin 的数量，保持完整的上皮结构，参与维持内环境稳态。
3. 2 Basigin 与眼后段增殖和炎症RPE 的黏附、移行及基质重塑是增殖性玻璃体视网膜病变的重要特征。失去分化的RPE 细胞有galectin-3 的上调，重组galectin-3 能抑制RPE 细胞的黏附和扩展。galectin-3 及其N 端的区域能通过Basigin 介导引发MMP表达，破坏细胞间连接，促进上皮重排，调节RPE 细胞的聚集，促进增殖性玻璃体视网膜病变的发生。年龄相关性黄斑变性早期阶段的特征是富脂质的细胞外基质沉积于RPE 下，导致玻璃膜增厚，视网膜下沉积物聚集。蛋白组学研究发现，RPE 衍生的基质金属蛋白酶MMP-2、MMP-14 及Basigin 是参与细胞外基质代谢和重塑的关键蛋白。高血压是年龄相关性黄斑变性的主要危险因素。血管紧张素II 是与高血压最密切相关的激素，它通过激活细胞分裂素( MAPK) 信号途径，提高MMP-2 的活性、MMP-14 及Basigin 蛋白的表达，引发视网膜基底膜的破坏，加快视网膜下沉积物的进展。应用蛋白质组学方法检测发现，马葡萄膜炎RPE 表面蛋白的Basigin 有显著下调。Basigin 参与细胞黏附、转运及细胞沟通，因此Basigin 在葡萄膜炎的下调可能破坏RPE 细胞间功能，增加外层血-视网膜屏障的通透性及自身侵袭性白细胞对内眼的浸润。
4 小结
Basigin 在体内的功能广泛，通过多因素、多环节的交互作用影响体内微环境，参与机体精细、复杂的调控，引起一系列病理生理变化。尽管研究起步较晚，但Basigin 在眼部的病理生理功能及其机制值得深入探讨，有望为视网膜疾病的临床治疗提供新的策略。
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