第一章 前言
第四節 鈣黏蛋白
概 論
鈣黏蛋白是一種穿膜醣蛋白(transmembrane glycoprotein)。
在鈣離子存在的環境下(calcium dependent)，鈣黏蛋白以同質細胞 親 合 的 方 式 (homophilic manner) ， 使 細 胞 與 細 胞 黏 附 在 一 起 [Takeichi M.1991; Takeichi M.1995; Suzuki ST.1996; Petruzeli L et al.1999]。它在細胞形態的發生(cell morphogenesis)、細胞 移動(cell motility)、組織重組(tissue remodeling)及傷口癒合 (wound healing)的過程中扮演重要的角色。如果鈣黏蛋白的表現失 去原有的功能，會引起細胞的移動與增殖失控，進而導致腫瘤的形成 及細胞生理功能的失調[Hirano S et al.1992; Ivanov DB et al.
2001]。
一般來說，不同的鈣黏蛋白仍然擁有類似的初級結構(primary structure) 。 其 主 要 結 構 裡 有 三 個 部 分 ： 氮 端 的 細 胞 外 部 份 (N-terminal extracellular domain)、細胞穿膜部份(transmembrane domain)、及碳端細胞質部份(C-terminal cytoplasmic domain)。鈣 黏蛋白其胺基酸的保留性大約為 43~58%，最高保留性區域為碳端細 胞質內部份，次高保留性區域為靠近氮端的細胞外部份。在氮端的細 胞外部份有 3 到 5 組的約 110 個左右氨基酸的重覆序列，而鈣離子則
附著於這些重覆序列之間；膜細胞部份有 70 個氨基，而這個區域也 是 cadherin 發揮功能最主要的部份[Blaschuk OW et al.1990; Nose A et al.1990; Ozawa M et al.1990]。不同的鈣黏蛋白其胺基酸重 覆序列亦不同，同時也表現不同的特性及生理功能。
我們可依主結構上的差異將鈣黏蛋白分成不同的類別，基本 上可分成四大類：(一)典型鈣黏蛋白(classical cadherin)：其中包 括 type 1 及 type 2 [Takeichi M.1991; Takeichi M.1995; Suzuki ST.1996; Petruzeli L et al.1999,] (二) Desmosomal cadherin (三) Protocadherins (四) Cadherin-related proteins：其中也包 括了 truncated cadherin and unclassified family members [Ivanov DB et al.2001]。
功 能 與 分 類
(一 ) 典 型 鈣 黏 蛋 白
典型鈣黏蛋白的結構如 Fig.5 及 Fig.6。主要由含有五個位於 N-terminal 的 extracellular domains(EC1–EC5) ， 一 組 transmembrane (TM)，及二組 cytoplasmic domains(CP-1 及 CP-2) 所構成。每一個 EC sub-domain 有一百一十個氨基酸，其中 EC 1 在 同質接合辨識(homophilic recognition)的過程中扮演最重要的角
色，同時在EC1 的 C-terminal region 中有由三個氨基酸 His-Ala-Val (HAV)所組成的 cell adhesion recognition(CAR)sequence，藉由 CAR 相同的鈣黏蛋白彼此之間可以結合成拉? 狀(zipper–like)的構造 [Blaschuk OW et al.1990; Nose A et al.1990; Patel DJ & Gumbiner BM.1995; Shapiro L.1995]。位於細胞質部份的 cytoplasmic domain 是結合細胞骨骼的主要部分，cytoplasmic domain 中有一 serine rich region，這個區域先與 β-catenin 或 γ-catenin 及 p120cas 這 些 蛋 白 結 合 ， 之 後 再 與 α-catenin 結 合 ， 進 而 與 actin microfilaments 形成一完整的細胞骨架，也就是 cadherin-catenin complex (Fig.7)[ Knudsen KA & Wheelock MJ.1992; Reynolds AB et al.1992; Kemler R.1993]。
EC! EC2 EC3 EC4 EC5 TM CP1 CP2
N-terminal C-terminal
Cell binding Catenin binding
a b a b a b
Cell binding Catenin binding
a b a b a b extracellular domains (EC1–EC5)，一組 transmembrane (TM)，及二組 cytoplasmic domains(CP-1 及 CP-2)所構成。
Fig.6 典型鈣黏蛋白的第二個細胞質 domain 含有相同的安基酸 序列，而這些序列便是用來設計製造 degenerate primers。
Fig.7 Cadherin-catenin complex：位於細胞質部份的 cytoplasmic domain 是結合細胞骨骼的主要部分，cytoplasmic domain 中 有 一 serine rich region ，這個區域先與 β-catenin 或 γ-catenin 及 p120cas 這些蛋白結合，之後再與 α-catenin 結合，進而與 actin microfilaments 形成一完整的細胞骨架，
也 就 是 cadherin-catenin complex。
Type 1 典 型 鈣 黏 蛋 白
包 括 Epithelial-cadherin(E-cad) ， Neural-cadherin (N-cad) ， Vascular-Endothelilal-cadherin(VE-cad) 及 Retinal-cadherin(R-cad)。Type 1 典型鈣黏蛋白其生物功能主要是 促進細胞接合(homophililc cell adhesion)，在胚胎發育(embryonic development)中主導組織器官形成，並和細胞的移動、組織分化有關 [Takeichi M.1991; Takeichi M.1995; Gumbiner BM.1996]。在胚胎 發 育 時 ， 不 同 的 鈣 黏 蛋 白 在 適 當 的 時 間 及 地 點 的 表 現 (spatiotemporal expression)受到高度調控，引導不同組織的形 成。例如：在鼠胚的研究中，morula stage 時 E-cad 有關鍵性的角 色，在 blastomere stage 時，如果降低 E-cad 和 P-cad 則胚胎發育 會被損壞。還有許多的研究顯示不同鈣黏蛋白引導不同組織發育，例 如：N-cad 引導神經板的形成，在 mesemchymal cell 增加時，N-cad 也會增加[Hyfil F et al.1981; Takeichi M,1988; Kadokawa Y et al.
1989; Ivanov DB et al.2001]。這些現象，都顯示著鈣黏蛋白在組 織器官形成中重要的地位。鈣黏蛋白在維持細胞的極性有重要的地位 [McNeill H et al.1990; Drubin DG & Nelson WJ.1996]，例如：表 皮細胞的 E-cad 功能不良(dysfunction)時，會使細胞失去表皮細胞 的表現型(phyenotype)及 enhancement of motility 和 removal of
contact suppression of growth，最後造成細胞增生失去控制及造 成腫瘤的侵犯性[Birchmeier W & Behrens J.1994; Blaschuk OW et al.1994] 。有許多研究指出鈣黏蛋白與腫瘤發生有密切的關係，例 如：E-cad 降低與肺癌、食道癌、直腸癌、膀胱癌、前列腺癌、皮膚 癌、乳癌、子宮頸癌有關，N-cad 與神經外胚層及中胚層腫瘤有關，
例如：乳癌、星狀細胞瘤，而 P-cad 則與肺癌、黑色素瘤及乳癌有關 [Van AJ et al.1993; Bringuier PP et al.1993; Risinger JI et al.1994; Bohm M et al.1994; Kadowaki T et al.1994; Pizarro A et al.1994; Takayama T et al.1994; Yasui W et al.1995; Shinoura N et al. 1995; Dorkin TJ et al.1997; Nieman MT et al.1999; Soler AP et al.1999; Zarka TA et al.2003] 。
Type2 典 型 鈣 黏 蛋 白
包括人類 cadherin-5、-6、-8、-9、-11、-12、-14 [Tanihara H et al.1994]及其他動物鈣粘蛋白如 rodent[Koremastsu K & Redies C.1997] 、 chicken[Nakagawa S & Takeichi M.1995] 及 Xenopus [Espeseth A et al.1995]。Type2 典型鈣黏蛋白與 Type1 典型鈣黏 蛋白的結構類似，只是在靠近 N 端的細胞外部分不含有 HAV 的 sequence。Type 2 典型鈣黏蛋白其生物功能與 type 1 典型鈣黏蛋白
類 似 ， 和 細 胞 接 合 及 組 織 形 成 (morphogenesis) 及 腫 瘤 的 形 成 (tumorigenesis)有關。例如以往的報告顯示，cadherin-6 與人類及 鼠類(rodent)腎臟的發育有關[Xiang YY et al.1994]，與腎臟癌的 形成有關[Shimyama Y et al.1995]。Cadherin-11 則與鼠類(rodent) 骨頭的形成[Okazaki M et al.1994]及中樞神經的發育有關[Kimura Y et al.1995]，而且 cadherin-11 可能與 trophoblast cell 及胎盤的 形成有關[MacCalman CD et al.1996]。另外 cadherin-11 也與子?
內膜基質細胞的分化有關[MacCalman CD et al.1996; Chen GT et al.
1999]。
Desmosomal Cadherin
包括 desmocollin(Dscs 1、2、3)及 desmoglein(Dsgs 1、2、3 )，
它和典型鈣黏蛋白最主要的差別在 cytoplasmic domain 的部分，
desmosome 不是與 catenin 接合，而是與 plakoglobin、desmoplakin 及 plakophillins 結合[Shapiro L.1995]。Desmosome 可以對抗外界 機械性的壓力，保持細胞的完整性，它位於皮膚等組織，如果受到傷 害便有可能產生病變，例如天? 瘡[Schwarz MA.1990]。
Protocadherins
包括 Pcdh-1、-2、-3、-8、-9，其結構與典型鈣黏蛋白類似，
但細胞外的 cadherin-repeats sequence 超過五組，且 cytoplasmic domain 不與 catenins 相接合，Protocadherins 可存在於非脊椎動 物(invertebrates)中，與胚胎腦部及中樞神經的發育有關[Sago H et al.1995]。
Cadherin-related proteins
包括了 T-cad (cadherin-13)、H-cad 及 L-cad，此群 cadherin 缺少細胞外的部分，至於 truncated cadherin 的功能，至目前為止 並不十分確定，可能和一些癌症有關，例如：皮膚癌[Takeuchi T et al.2002]與卵巢癌[Kawakami M et al.1999]。
鈣 黏 蛋 白 與 OSE及 卵 巢 腫 瘤 的 關 係
人類生殖道上皮組織中，正常卵巢表面上皮細胞比較特別，它 不表現 E-cad，細胞與細胞的接合主要由 N-cad 維持[Peralta SA et al.1995; Gulati R & Peluso JJ.1997; Wong AST et al.1999]，而 N-cad 是中胚層組織接合的主要物質。其他如輸卵管上皮、子宮內膜 上皮及子宮內頸上皮細胞則表現很強的 E-cad，顯然接合主要由
E-cad 負責[van der Linden PJ et al.1995]。E-cad 只表現在 OSE 的 柱 狀 化細 胞 (columnar-shape eputhelium)及 inclusion cyst 處，這些地方容易 發生組織化生 (metaplasia) [Sundfeldt K et al.1997; Maines-Bandiera SL & Auersperg N.1997; Davies BR et al.1998; Wong AST et al.1999]。Wong 等人也指出 N-cad 出現在正 常及化生(metaplastic)的 OSE 上，而 P-cad 卻兩者都沒有表現，至 於 E-cad 的出現即暗示這些上皮細胞會有組織化生及腫瘤轉化的傾 向[Wong AST et al 1999]。Marrs 及 Ong 等人也發現，E-cad 不但是 密勒管上皮(Mullerian epithelium)組織轉化的標記，也會誘導密勒 管上皮的化生[Marrs JA & Nelson WJ.1996; Ong A et al.2000]。
又有研究顯示 P-cad 會存在於密勒管上皮的組織及卵巢癌的細胞 中，卻不存在於正常的 OSE，因此當 OSE 出現 P-cad 的表現時，可能 暗示這些細胞有病變的傾向[van der Linden PJ et al. 1994; van der Linden PJ et al.1995; Wong AST et al.1999]。
大部分的文獻都顯示 E-cad 在良性或惡性卵巢上皮性腫瘤 (epithelial ovarian tumors)的表現都比正常的 OSE 強[Sundfeldt K et al.1997; Davies BR et al.1998; Wong AST et al.1999]，但是 分化愈差、分期愈後的卵巢癌，其 E-cad 的表現反而愈弱[Davies BR et al.1998; Fujioka T et al, 2001; Patel IS et al.2003]。Fujioka
等 人 也 發 現 E-cad 的 表 現 ， 在 卵 巢 癌 腹 腔 轉 移 (peritoneal metastasis)的病灶中比原發性病灶弱，而 beta-catenin 卻相反 [Fujioka T et al.2001]。Darai 等人指出，E-cad 在良性上皮性卵 巢腫瘤的表現較強，在邊緣性及惡性腫瘤中表現較弱，甚至部分沒有 被偵察到[Darai E et al. 1997]。仔細分析以前的文獻可以發現其 中研究結果的差異在於有些研究沒有把卵巢癌的分化等級分開研究 所致。歸納文獻可以說：正常 OSE 不表現 E-cad，當分化成良性上皮 性卵巢腫瘤則表現很強的 E-cad，一旦又變成邊緣性腫瘤或分化良好 (well-differentiated)的惡性上皮性卵巢腫瘤則 E-cad 表現又變 弱，如果變成分化不良 (poor-differentiated)的惡性上皮性卵巢腫 瘤則不會表現 E-cad。因此，研究卵巢癌必須把分化良好和分化不良 的檢體分開研究。
至於 N-cad 表現，在良性及邊緣性腫瘤大部分為陽性，在惡性 腫瘤中卻沒有被偵測到[Darai E et al. 1997]。對於鈣黏蛋白與卵 巢黏液性腫瘤的研究，到目前為止文獻上極少出現，只有 Peralta 等 人發現漿液性腫瘤及子宮內膜樣腫瘤同時有 E-cad 及 N-cad 的表現；
而黏液性腫瘤只有很強的 E-cad 表現，卻沒有 N-cad 表現[Peralta SA et al.1997]。
鈣 黏 蛋 白 與 生 殖 腺 類 固 醇 (gonadal steroids)的 關 係
回顧過往的文獻，我們可以發現生殖腺類固醇是調節鈣黏蛋白 表現的重要因子。MacCalman等人證實雌脂二醇(17 β-estradiol) 及黃體酮 (progesterone)可增加發育中的老鼠子宮 E-cad訊 息 RNA (messenger RNA)的濃度[MacCalman CD et al.1996]，對於發育中老 鼠的卵巢，只有在雌脂二醇的刺激下，E-cad及N-cad的訊息RNA表現 才 會 增 加 [MacCalman CD et al.1994; MaCalman CD & Blaschuk OW.1994; MacCalman CD et al.1995]；對於老鼠Sertoli cells中 N-cad訊息RNA的表現,他們也證實雌激素(estrogen)可加強卵泡刺激 素(follicle-stimulating hormone)的作用[MacCalman CD et al.
1997]。Chen等人在1998及1999年的論文中指出，黃體酮可以調控人 類子宮內膜基質細胞cad-11的表現，在雌脂二醇的共同作用下，黃體 酮對子宮內膜基質細胞的刺激作用有加成的效果[Chen GT et al.
1998; Chen GT et al.1999]。除此外，Chen等人也證實抗類固醇物 質例如antiprogestin RU486及antiestrogen ICI 182，780等藥物，
會降低人類子宮內膜基質細胞cad-11的表現[Chen GT et al. 1999]。