第二章 文獻探討
第三節 鈣黏蛋白
(1) 基 本 結 構
Cadherin 本身是一種 transmembrane glycoprotein (醣蛋 白)。在鈣離子存在的環境下(calcium dependent),cadherin 以同質 細胞親合的方式,使細胞與細胞能黏附在一起,因此它在組織的形成
(cell morphogenesis )、細胞移動 (motility)、 組織的分化(tissue remodeling)、 傷口癒合(wound healing )這些過程中扮演很重要的 角色,如果 cadherin 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 [68-71]。
cadherin 的 主 結 構 裡有三個部分: 氮端的細胞外部份 (N-terminal extracellular domain)、細胞穿膜部分(transmembrane domain)及碳端細胞質部分(C-terminal cytoplasmic domain)。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, 穿膜細胞部分有 24 個氨基酸,而 氨基酸最高保存性的地方是碳端細胞質部分 , 而這個區域也是 cadherin 發揮功能最主要的部分 。我們可依主結構上的差異將 cadherin 分成不同的類別(subtype),他們也因結構上的差異有不同 的 特 性 與 功 能。 基 本 上 可 分 成 (A) 典 型 鈣 黏 蛋 白 (classical cadherin) : 其中包括 type 1 and type 2 (B) Desmosomal cadherin (C) Protocadherins (D) Cadherin-related proteins:其中也包括 了 truncated cadherin and unclassified family members[68-72]。
(2) 功 能 與 分 類
(A)典型鈣黏蛋白(classical cadherin):
classical cadherin 的結構如 Figure 1 及 Figure 2。主要由 含有五個位於 N terminal 的 extracellular domains（EC1 –EC5）, 一組 transmembrane (TM)，及二組 cytoplasmic (CP-1 - CP-2)所構 成。每一個 EC sub-domain 有一百個氨基酸,其中 EC1 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 cadherin 彼此之間可以結合成拉鍊狀(zipper-like)的構造 [68-69,73-74]。位於細胞質部分的 cytoplasmic domain 是結合細胞 骨骼的主要部分,cytoplasmic domain 中有一 serine rich region, 這個區域能與 α-catenin,β-catenin,γ-catenin 及 p120cas 這些 蛋白結合,進而與 actin microfilaments bind 形成一完整的細胞骨 架,也就是 cadherin-catenin complex(Fig. 3.)[73-77]。
Fig. 1 . Cadherin structure
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
Fig. 2. The homogeneous amino acid sequences in the second cytoplasmic domain of all classical cadherins were used for designing the degenerate primers.
Fig. 3. Cadherin-catenin complex.
From: Polakis, Curr. Opinion Genetics Dev. 1999
Type1 Cadherin
有 Epithelial-cadherin (E-cad) ,Neural-cadherin (N-cad), Placental–cadherin(P-cad), Vascular-Endothelial-cadherin (VE-cad) 及 Retinal-cadherin (R-cad)。早在 1950 年代,就有科學 家發現一些因子在調節細胞間的接合, 引導著器官的形成與胚胎的 發育。在不同的時間、不同的條件下、不同的 cadherin 會有其適當 的表現,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 cadherin 引導不同組織發育,例如:N-cad 引導神經板的形成,在 mesenchymal cell 增 加 時 N-cad 也 會 增 加 [72,78-80] 。 這 些 現 象 都 顯 示 著 cadherin 在組織器官形成中重要的地位。cadherin 在維持細胞的方 向有重要的地位 ,例如:表皮細胞的 E-cad dysfunction,就會造成失 去表皮細胞的 phyenotype 及 enhacement 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。 有許多研究指出 cadherin 與腫瘤的關係,例如:
E-cad 降低與肺癌、食道癌、胃癌、直腸癌、膀胱癌、前列腺癌、皮 膚癌、乳癌、子宮頸癌、卵巢癌、子宮內膜癌有關[50,81-89], N-cad 與神經外胚層及中胚層有關,例如: 乳癌、星狀細胞瘤[89-91],而
P-cad 則與肺癌、黑色素瘤、乳癌有關[72,92]。
Type2 Classical Cadherin
包括了 cadherin- 4 到-14 [93-94], 它與 type 1 最大的不同是 在於 type 2 並沒有 His–Ala-Val(HAV)這個 CAR。 Type 2 典型 cadherin 的功能與 Type 1 是很類似的, 都與細胞接合、組織的形成 有關,例如它與人類的胎盤形成和著床有關[95],Cad-6 和 Cad-11 與 運動神經元的分化有關也與子宮內膜的上皮細胞和基質細胞的表現 調節有關[96-97], Cad-11 受到賀爾蒙調節,可當子宮內膜基質細胞 decidualization 過程中的一個指標,同時 Cad-11 也可調控滋養層細 胞的分化[98-99],Cad-6 與腎臟及腎臟癌的形成有關[100],除此之 外,type 2 的 cadherin 也與腫瘤有關,例如:對於缺乏 E-cadherin 的 腎臟癌病人,cadherin-6 可以用來評估預後[101],cad-6 同時也和卵 巢 癌 的 進 展 有 關 [102], 在 一 些 慢 性 骨 髓 性 白 血 病 的 病 人 中 cadherin-13 的表現會降低[103]。
Desmosomal Cadherin
Desmosomal cadherin 主 要 有 desmocollin(Dscs 1,2,3) 及 desmoglein (Dsgs 1,2,3) ,它和典型 cadherin 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 [73] 。 Desmosome 可以接受外界機械性的壓力,保持細胞的完整性, 它可位 於 皮 膚 等 組 織 ,如 果 受 到 傷 害 便 有 可 能 產 生 病 變 , 例 如 天 ? 瘡 (pemphigus vulgaris)[104]。
Protocadherin
它與典型 cadherin 最大的不同是 protocadherin 細胞外的 cadherin-repeats sequence 超過五組,而且在 cytoplasmic domain 部分它也不與 catenin 接合,有一些研究發現三個 protocadherin gene, Pcadhα、Pcadhβ、Pcadhγ,而這幾個 gene 可以 encode 超過 50 個 蛋 白 質 , 其 中 Pcadhα 又 稱 為 CNRS (cadherin-related neuronal receptors),由此可知 protocadherin 在神經發育中扮演重 要的角色[105]。
Cadherin-related proteins
包括了 T-cad、H-cad、Li-cad,這些蛋白缺少細胞外的部分,事 實 上 它 也 和 一 些 癌 症 有 關 , 例 如 : 皮 膚 癌 、 腎 臟 癌 與 卵 巢 癌 [106-108]。
(3) Cadherin 及 catenin 與 癌 症 間 的 關 係
Cadherin 的 cytoplasmic domain 與 catenin 結合形成了細胞骨
架,穩定細胞的構型,然而它的功能除了形成組織和器官之外 ﹐也和
訊號的傳遞 WNT signal(Wnt/wg signal)有密切的關係(如 Fig.
4.)[109-110]。WNT signal pathway 本身與胚胎的發展和訊號的傳 遞有關,而這個路徑 受到幾個重要因素的控制,包括: GSK3-β、
LEF-1/TCF(leukemic enfacement factor-1/T cell factor)、axin、
及 APC。訊號傳遞一開始是,Wnts( secreted glycoprotein) bind 到 Frizzled receptor 上, 在 Frizzled 活化了 Disheveled 之後,接著 便阻斷了 axin conduction,抑制了 APC 的功能。當 APC 和 GSK3 及 Axin 結合時可使 β-catenin 被 degraded,所以當 APC 不 能 degrade β-catenin 時, β-catenin 便會 accumulation,接著進入細胞核與 TCF 結合, upregulate c-Myc,cyclin D1 這些 oncogene 的表現。由 上述的機轉我們可以知道 β-catenin 會影響 oncogene 的表現,因此 可與 β-catenin 結合的 cadherin 同樣也會影響整個訊號的傳遞,進 而影響癌症的發生,例如: 結腸癌、黑色素瘤、前列腺癌、肝癌、子 宮內膜癌、卵巢癌等[111-114]。
Fig. 4. WNT signal.
From : Barker N., Clevers H. Catenins, Wnt signalling and cancer. Bioessays 2000; 22:
961-965.