第十九章 细胞连接和细胞外基质
细胞骨架连接
细胞骨架连接有多种形式，可由多种机制调节。最容易理解和最常见的是两种类型的细胞骨架连接，它们利用钙粘蛋白将一个细胞的细胞骨架与其相邻细胞的细胞骨架连接起来。它们的主要功能是抵抗将细胞拉开的外力。例如，皮肤的上皮细胞在被拉伸、挤压或戳刺时必须保持紧密连接。细胞骨架连接还必须是动态的和适应性的，这样当组织被重塑或修复时，或者当作用于它们的力量发生变化时，它们就可以被改变或重新排列。
在本节中，我们主要关注基于钙粘蛋白的锚定连接。然后我们简要描述紧密连接和间隙连接。最后，我们考虑一些血流中的细胞采用的更短暂的细胞粘附机制。
钙粘蛋白形成一个多样化的粘附分子家族
钙粘蛋白存在于所有多细胞动物中。它们也存在于领鞭毛虫中，领鞭毛虫与动物密切相关，但可以作为自由生活的单细胞生物或多细胞菌落存在。其他真核生物，包括真菌和植物，缺乏钙粘蛋白，细菌和古细菌中也没有钙粘蛋白。因此，钙粘蛋白似乎是动物本质的一部分。
钙粘蛋白因其对 Ca 2+ 离子的依赖性而得名：从细胞外介质中去除 Ca2+ 会导致钙粘蛋白介导的粘连分离。最先发现的三种钙粘蛋白是根据它们的主要组织命名的：E-钙粘蛋白存在于多种类型的上皮细胞中；N-钙粘蛋白存在于神经、肌肉和晶状体细胞中；P-钙粘蛋白存在于胎盘和表皮细胞中。所有这些钙粘蛋白也存在于其他组织中。这些钙粘蛋白和其他经典钙粘蛋白在其细胞外和细胞内域的序列上密切相关。
还有大量非经典钙粘蛋白在序列上关系较远，仅在大脑中就有 50 多种表达。非经典钙粘蛋白包括具有已知粘附功能的蛋白质，例如在脑中发现的多种原钙粘蛋白protocadherins，以及形成桥粒的桥粒芯胶蛋白和桥粒芯糖蛋白desmocollins and desmogleins（见表 19?）。经典和非经典钙粘蛋白共同构成钙粘蛋白超家族（图 19?），在人类中有 180 多个成员。
钙粘蛋白介导同型粘附
细胞之间的锚定连接通常是对称的：如果连接是连接一侧细胞中的肌动蛋白，那么连接另一侧细胞中的肌动蛋白。事实上，钙粘蛋白之间的结合通常是同型的（同类；图 19?）：一个细胞上特定亚型的钙粘蛋白分子与相邻细胞上相同或密切相关亚型的钙粘蛋白分子结合。
锚定连接处细胞膜之间的间距是精确定义的，并且取决于参与的钙粘蛋白分子的结构。根据定义，超家族的成员都有一个由多个细胞外钙粘蛋白 (EC) 结构域extracellular cadherin (EC) domain重复组成的细胞外部分。同源结合发生在钙粘蛋白分子的 N 端尖端——距离膜最远的钙粘蛋白结构域。这些末端结构域各自形成一个旋钮和一个附近的口袋，从相对的细胞膜伸出的钙粘蛋白分子通过将一个结构域的旋钮插入另一个结构域的口袋而结合（图 19?A）。
每个钙粘蛋白结构域形成一个或多或少刚性的单元，通过铰链连接到下一个钙粘蛋白结构域。Ca 2+ 离子结合到每个铰链附近的位点并防止其弯曲，因此整个钙粘蛋白结构域串表现为刚性且略微弯曲的杆。当 Ca 2+ 被移除时，铰链可以弯曲，结构变得松软（图 19?B）。同时，N 端的构象被认为略有变化，削弱了对相对细胞上匹配的钙粘蛋白分子的结合亲和力。
与可溶性信号分子受体（它们以高亲和力结合其特定配体）不同，钙粘蛋白（和大多数其他细胞粘附蛋白）通常以相对较低的亲和力与其伴侣结合。强附着是由许多这样的弱键平行形成而产生的。当与另一个细胞上方向相反的伴侣结合时，钙粘蛋白分子中的钙粘蛋白分子通常与同一细胞中的许多其他钙粘蛋白分子并排聚集（图 19C）。这种连接点的强度远远大于任何单个分子间键的强度，但调节机制可以通过依次分离分子而轻松地拆解连接点，就像两块织物可以用 Velcro 牢固地连接在一起，但又很容易从侧面剥离一样。类似的“elcro 原理”也适用于由其他类型的跨膜粘附蛋白形成的细胞-细胞-细胞基质粘附。
经典钙粘蛋白
（E-钙粘蛋白）
脂肪钙粘蛋白
火烈鸟
Ret
桥粒胶蛋白
钙粘蛋白 23
原钙粘蛋白
（Pcdh ?）
T-钙粘蛋白
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细胞内 细胞外
图 19？钙粘蛋白超家族。
该图显示了钙粘蛋白超家族成员之间的一些多样性。
这些蛋白质都具有细胞外
部分，其中包含多个细胞外钙粘蛋白结构域副本（绿色椭圆形）。
在脊椎动物的经典钙粘蛋白中，有 5 个这样的结构域，在桥粒芯糖蛋白和桥粒芯胶蛋白中，有 4 个或 5 个，但一些非经典钙粘蛋白有超过 30 个。细胞内部分更加多样化，反映了与各种细胞内配体的相互作用，包括将钙粘蛋白连接到细胞骨架的信号分子和衔接蛋白。在某些情况下，例如 T-钙粘蛋白，不存在跨膜结构域，蛋白质通过糖基磷脂酰肌醇 (GPI) 锚附着在质膜上。Fat、Flamingo 和 Ret 中不同颜色的基序代表保守的结构域，这些结构域也存在于其他蛋白质家族中。图 19？同嗜性结合与
异嗜性结合。钙粘蛋白一般是
同嗜性结合；而后面讨论的一些其他细胞
粘附分子是
异嗜性结合。
同型结合
异型结合
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1110 第 19 章：细胞连接和细胞外基质
钙粘蛋白依赖性细胞粘附指导发育组织的组织
钙粘蛋白形成特定的同型附着，解释了为什么有这么多不同的家族成员。钙粘蛋白不像胶水，使细胞表面通常具有粘性。相反，它们介导高度选择性的识别，使同类细胞能够粘在一起，并与其他类型的细胞保持隔离。
动物细胞相互结合的方式具有选择性，早在 20 世纪 50 年代就已得到证实，当时人们还没有发现钙粘蛋白，当时的实验将两栖动物胚胎分离成单个细胞。然后，这些细胞被混合在一起，并允许它们重新结合。值得注意的是，分离的细胞通常会重新组装成类似于原始胚胎的结构（图 19？）。
N
N
C
C
细胞 1 的质膜
细胞 2 的质膜
38.5 nm
? 柔性铰链区
N 端钙粘蛋白结构域
Ca2+
Ca2+ Ca2+
>1 mM Ca2+
<0.05 mM Ca2+
钙粘蛋白结构域
(A) (B)
(C)
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细胞 1 的质膜
细胞 2 的质膜
铰链区
钙粘蛋白结构域
图 19? 钙粘蛋白的结构和功能。 (A) 经典钙粘蛋白的细胞外区域包含五个细胞外钙粘蛋白结构域副本（见图 19），它们由柔性铰链区隔开。在典型的细胞外 Ca2+ 浓度（>1 mM）下，Ca2+ 离子（红点）结合在每个铰链附近，防止其弯曲。为了产生细胞粘附，一个钙粘蛋白分子 N 末端的钙粘蛋白结构域与另一个细胞上钙粘蛋白分子 N 末端的钙粘蛋白结构域结合。该结构是通过结晶 C-钙粘蛋白细胞外区域的 X 射线衍射确定的。此处显示的两种钙粘蛋白虽然相同，但为了清晰起见，颜色不同。 (B) 如果在实验中人为降低细胞外 Ca2+ 浓度，Ca2+ 结合就会减少。因此，铰链区灵活性的增加导致分子更松软，不再以正确的方向与另一个细胞上的钙粘蛋白相互作用，从而导致粘附失败。（C）在典型的细胞-细胞连接处，有组织的钙粘蛋白分子阵列像 Velcro 一样将细胞固定在一起。同一细胞上的钙粘蛋白被认为是通过其 N 端头部区域之间的侧对侧相互作用而耦合的，从而形成线性阵列，就像这里显示的下方细胞上交替的绿色和浅绿色钙粘蛋白一样。这些阵列被认为与相邻细胞（蓝色钙粘蛋白分子，顶部细胞）上的垂直阵列相互作用。两个细胞上的多个垂直阵列相互作用形成紧密的钙粘蛋白垫。（A，基于 T.J. Boggon 等人al., Science 296:1308-313,
2002; C，基于 O.J. Harrison 等人，Structure 19:244-56, 2011。）
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图 19？分类。早期两栖动物胚胎不同层的细胞将根据其来源进行分类。在这里显示的经典实验中，中胚层细胞（绿色）、神经板细胞（蓝色）和表皮细胞（红色）被分解，然后以随机混合物的形式重新聚集。它们分类成一种让人联想到正常胚胎的排列，内部有“神经管”，外部有表皮，中间有中胚层。 （改编自 P.L. Townes 和
J. Holtfreter，J. Exp. Zool. 128:53-20,
1955。经 John Wiley
& Sons 许可。）
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1110 第 19 章：细胞连接和细胞外基质 1111 细胞连接
这些实验与众多最近的实验一起表明，
选择性细胞识别系统使相同分化组织的细胞
优先粘附在一起。
钙粘蛋白在这些细胞分选过程中起着至关重要的作用。特定钙粘蛋白的出现和消失与胚胎发育中的步骤相关，在胚胎发育过程中，细胞重组并改变其接触以创建新的组织结构。例如，在脊椎动物胚胎中，当神经管形成并从上覆的外胚层分离时，可以看到钙粘蛋白表达的变化：神经管细胞失去 E-钙粘蛋白并获得其他钙粘蛋白，包括 N-钙粘蛋白，而上覆的外胚层中的细胞继续表达 E-钙粘蛋白（图 19-A 和 B）。然后，当神经嵴细胞从神经管迁移时，这些钙粘蛋白变得几乎不可检测，并且出现另一种钙粘蛋白（钙粘蛋白 7），帮助将迁移的细胞保持在一起，形成松散关联的细胞群（图 19-C）。最后，当一些神经嵴细胞聚集形成神经节时，它们会再次启动 N-钙粘蛋白的表达。如果在新生的神经嵴细胞中人为地过度表达 N-钙粘蛋白，细胞将无法从神经管中逃逸。对培养细胞的研究进一步证实了同型钙粘蛋白结合在组织分离中的重要性。例如，在一种称为 L 细胞的培养成纤维细胞系中，钙粘蛋白不表达，细胞不会相互粘附。当这些细胞被编码 E-钙粘蛋白的 DNA 转染时，一个细胞上的 E-钙粘蛋白会与另一个细胞上的 E-钙粘蛋白结合，导致细胞粘附。如果将表达不同钙粘蛋白的 L 细胞混合在一起，它们会分开并分别聚集，表明不同的钙粘蛋白优先与自己的类型结合（图 19?A），模拟了表达不同钙粘蛋白的组织来源的细胞混合在一起时发生的情况。如果将表达不同数量的相同钙粘蛋白的 L 细胞混合在一起，也会出现类似的细胞分离（图 19?B）。因此，钙粘蛋白表达的质和量差异似乎在组织组织中都发挥着作用。
(A) (B)
(C)
50 祄
外胚层
神经管
神经嵴
细胞
表达 E-钙粘蛋白的细胞
表达钙粘蛋白 6B 的细胞
表达 N-钙粘蛋白的细胞
表达钙粘蛋白 7 的细胞
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图 19？脊椎动物神经系统构建过程中钙粘蛋白表达模式的变化。该图显示了早期鸡胚的横截面，神经管从外胚层分离，然后神经嵴细胞从神经管分离。
(A、B) 免疫荧光显微照片显示正在发育的神经管，标有针对 (A) E-钙粘蛋白 (蓝色) 和 (B) N-钙粘蛋白 (黄色) 的抗体。 (C) 随着基因表达模式的变化，不同细胞群根据其表达的钙粘蛋白而彼此分离。（显微照片由 Miwako Nomura 和 Masatoshi Takeichi 提供。）
表达 N-钙粘蛋白的细胞
表达低水平 E-钙粘蛋白的细胞
分选
分选
(A)
(B)
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表达 E-钙粘蛋白的细胞
表达高水平 E-钙粘蛋白的细胞
图 19？钙粘蛋白依赖性细胞分选。培养细胞可以根据其表达的钙粘蛋白的类型和水平进行分选。这可以通过用不同颜色的染料标记不同的细胞群来实现。（A）表达 N-钙粘蛋白的细胞从表达 E-钙粘蛋白的细胞中分离出来。（B）表达高水平 E-钙粘蛋白的细胞从表达低水平 E-钙粘蛋白的细胞中分离出来。表达高水平的细胞粘附更强并在内部聚集。
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1112 第 19 章：细胞连接和细胞外基质
强细胞粘附的组装需要肌动蛋白细胞骨架的变化
在成熟形式下，粘附连接是巨大的蛋白质复合物，包含数百至数千个钙粘蛋白分子，这些分子被包装成密集的规则阵列，并通过钙粘蛋白域之间的横向相互作用在细胞外侧连接（见图 19-C）。这些连接在大面积表面上的组装不仅仅是在初始附着位点添加更多钙粘蛋白的问题，还需要改变底层肌动蛋白细胞骨架。最重要的是，强粘附需要降低粘附位点的皮质张力。
细胞中的皮质张力与水滴的表面张力非常相似。
在水中，空气-水界面处水分子之间的结合将表面向内拉，形成球形，从而抵抗不与水分子相互作用的其他表面的破坏（图 19-0A）。同样，悬浮状态下未附着的细胞由于皮质张力而呈现球形，皮质张力是由细胞皮质（就在质膜下方）的肌动蛋白束和非肌肉肌球蛋白 II 产生的收缩活动引起的（图 19-0B）。这种皮质张力非常强，以至于当两个细胞最初通过表面钙粘蛋白结合相互作用时，皮质张力会阻止粘附表面的扩散，并且细胞在单个点上相互作用。因此，大型粘附表面的组装取决于皮质张力的局部降低，这是通过抑制皮质肌动蛋白-肌球蛋白纤维形成来实现的。这些变化部分取决于两种称为 Rac 和
Rho 的小 GTPase。正如我们在第 16 章中讨论的那样（见图 16-5），这些 GTPase 产生的信号控制局部肌动蛋白丝行为：Rho 通常促进细胞皮层肌动蛋白肌球蛋白应力纤维的形成，而 Rac 抑制这些纤维的形成，反而促进分支肌动蛋白网络。当两个上皮前体细胞首先在一小簇钙粘蛋白连接处相互作用时，钙粘蛋白会产生促进 Rac 局部激活和 Rho 抑制的细胞内信号。结果是肌动蛋白-肌球蛋白纤维解体，局部皮质张力丧失，然后允许进一步招募钙粘蛋白到
表面分子
向内拉
收缩将
表面向内拉
水滴中的表面张力
(A)
(C)
细胞中的皮质张力
(B)
钙粘蛋白簇在初始接触点
局部 Rac 激活和
Rho 抑制导致
皮质张力丧失
黏附连接扩张
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图 19-0 皮质张力的局部变化有助于促进黏附连接的初始形成。
(A) 水滴的表面张力
是由空气-水界面上的水分子之间的结合引起的，将
表面向内拉。 (B) 在未附着的细胞中，细胞皮质（红色）处的肌动蛋白-球蛋白束的收缩产生皮质张力，将表面向内拉。 (C) 当两个上皮细胞前体首次相互作用时，小钙粘蛋白簇（绿色）在接触点聚集。 皮质张力阻止该初始相互作用位点扩散。 钙粘蛋白产生局部信号以抑制 GTPase Rho 并激活 GTPase Rac，导致肌动蛋白-球蛋白纤维的局部分解，皮质张力丧失，并形成分支肌动蛋白网络和细胞突起，所有这些都允许募集更多的钙粘蛋白并使细胞-细胞连接扩散到更大的表面积上。从长远来看（未显示），大型黏附连接抑制 Rac 并刺激 Rho，从而促进与钙粘蛋白相互作用的局部肌动蛋白纤维的形成（见图 19-1）。
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将粘附扩展到更大的表面积（图 19-0C）。 Rac 激活具有刺激细胞局部肌动蛋白突出的额外好处，这也有助于连接点的扩张。这种机制的含义很明确：强粘附的发展不仅取决于细胞粘附分子本身，还取决于控制肌动蛋白行为的相关调节系统。最终，在大量钙粘蛋白分子在新生的粘附连接处排列后，Rac 受到抑制，Rho 被激活，从而促进线性、收缩性肌动蛋白丝束的组装，将粘附连接点连接到肌动蛋白细胞骨架。这些新的连接将连接点向内拉，产生张力，刺激肌动蛋白进一步募集和连接点扩张，正如我们在下一节中描述的。
连环蛋白将经典钙粘蛋白与肌动蛋白细胞骨架连接起来
钙粘蛋白的细胞外结构域介导粘附连接处的同源结合。典型钙粘蛋白的细胞内结构域（包括所有经典和一些非经典结构域）与细胞骨架的细丝相互作用：粘附连接处的肌动蛋白和桥粒处的中间细丝（见表 19）。
这些细胞骨架连接对于有效的细胞粘附至关重要，因为缺乏细胞质结构域的钙粘蛋白无法稳定地将细胞结合在一起。
钙粘蛋白与细胞骨架的连接取决于在钙粘蛋白的细胞质尾部组装的衔接蛋白。在黏附连接处，钙粘蛋白尾部结合两种这样的蛋白质，即 b-catenin 和一种远亲，称为 p120-catenin；第三种蛋白质，称为 a-catenin，与 ?catenin 相互作用并募集其他蛋白质以提供与肌动蛋白丝的动态连接（图 19-1）。
在桥粒处，钙粘蛋白通过其他衔接蛋白与中间丝相连，包括一种称为斑珠蛋白的 ?catenin❛ 相关蛋白质，我们将在后面讨论。
黏附连接对组织内部和外部的张力作出反应
介导细胞之间或细胞与细胞外基质之间连接的蛋白质复合物是动态机器，具有感知机械应力和产生导致适当反应的生化信号的非凡能力。我们称之为机械转导。
正如我们在前面几节中讨论的那样，黏附连接通过连环蛋白连接到收缩性肌动蛋白束和肌球蛋白 II。因此，这些连接受到附着的肌动蛋白产生的拉力。拉力对于连接的组装和维护非常重要：例如，抑制肌球蛋白活性会导致许多黏附连接解体。此外，作用于一个细胞中连接的收缩力与相邻细胞连接处的收缩力相平衡，因此没有细胞将其他细胞拉向它。黏附连接感知作用于它们的力量，并修改局部肌动蛋白和肌球蛋白的行为以平衡连接两侧的力量。这些机制的证据来自对通过黏附连接连接的培养哺乳动物细胞对的研究。如果一个细胞的收缩活动通过实验增加，连接两个细胞的黏附连接的尺寸就会增大，而第二个细胞的收缩活动也会增加，以匹配第一个细胞的收缩活动，从而导致连接处的力平衡。这些实验和其他实验表明，黏附连接不仅仅是蛋白质结合的被动位点，而且是张力传感器，可以根据变化的机械条件调节其行为。细胞连接处的机械传导被认为至少部分依赖于钙粘蛋白复合物中的蛋白质，这些蛋白质在受到张力拉伸时会改变其形状。例如，当连接处的收缩活动增加时，蛋白质 a-catenin 会从折叠构象拉伸为伸展构象。图 19-1 经典钙粘蛋白与肌动蛋白丝的连接。钙粘蛋白通过包含 p120-连环蛋白、连环蛋白和 a-连环蛋白的衔接蛋白复合物间接与肌动蛋白丝偶联。其他蛋白质，包括黏着斑蛋白，与 a-连环蛋白结合并帮助提供与肌动蛋白的连接。连环蛋白在细胞内信号传导中具有第二个非常重要的功能，正如我们在第 15 章中讨论的那样（见图 15-1）。为清楚起见，此图未显示连接处相邻细胞的钙粘蛋白。质膜
p120-catenin
?catenin
a-catenin
actin
?丝
黏着斑蛋白
胞质溶胶
钙粘蛋白
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1114 第 19 章：细胞连接和细胞外基质
展开暴露了另一种蛋白质黏着斑蛋白的隐秘结合位点，从而促进更多肌动蛋白向连接处募集（图 19?2）。这些变化很可能还会导致控制肌动蛋白和肌球蛋白行为的小 GTPases 的局部调节。通过这样的机制，拉动连接会改变局部肌动蛋白行为，使连接更强。此外，如上所述，拉动一个细胞中的连接将增加附着细胞中产生的收缩力。由于上皮中的所有细胞都通过其细胞连接和细胞骨架机械连接，因此机械传导也可以在长距离上起作用。例如，在果蝇正在发育的翅膀中，翅膀铰链处细胞的收缩会导致机械应力扩散到整个翅膀，从而引发 c 的变化细胞运动和方向对翅膀的形成很重要。整个组织中的张力传感器很可能检测到机械应力的变化并触发分子反应。由于张力迅速通过组织中所有连接的细胞传播，因此它为改变整个组织的细胞行为提供了异常快速和有效的信号。
组织重塑取决于肌动蛋白介导的收缩与细胞粘附的协调
黏附连接是模拟动物体内多细胞结构形状的机制的重要组成部分。通过间接将一个细胞中的肌动蛋白丝与其邻居中的肌动蛋白丝连接起来，它们使组织中的细胞能够以协调的方式使用其肌动蛋白细胞骨架。
黏附连接以各种形式出现。在许多非上皮组织中，
它们表现为小的点状或线性附着物，连接两个相互作用细胞的质膜下的皮质肌动蛋白丝。在心肌中，它们锚定收缩装置的肌动蛋白束，并与桥粒并行作用，将收缩细胞端到端连接起来。但是，黏附连接的典型例子出现在上皮中，它们通常形成一条连续的黏附带（或黏附小带），环绕每个细胞
肌动蛋白丝
黏附蛋白
胞质溶胶
质膜
折叠的
α-连环蛋白
胞质溶胶
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延伸的
α-连环蛋白
附着细胞
拉动钙粘蛋白
肌球蛋白 II 拉动肌动蛋白
张力 无张力
钙粘蛋白
图 19-2 黏附连接中的机械传导。细胞/细胞连接能够感知增加的张力并通过加强其肌动蛋白连接做出反应。当肌动蛋白丝被非肌肉肌球蛋白 II 从细胞内拉出时，所产生的力会展开 α-catenin 中的一个结构域，从而暴露出衔接蛋白纽带蛋白原本隐藏的结合位点。然后纽带蛋白会促进额外的肌动蛋白募集，从而加强连接点和细胞骨架之间的联系。
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位于上皮细胞顶端表面下方（图 19-3）。在每个细胞内，
一束收缩的肌动蛋白丝和肌球蛋白 II 位于粘附带附近，平行于质膜，并通过钙粘蛋白及其相关的细胞内衔接蛋白与其相连。因此，肌动蛋白和肌球蛋白束
通过钙粘蛋白连接成一个广泛的跨细胞网络。该网络的协调收缩为动物形态发生的基本过程提供了运动力——上皮细胞片折叠成管状、球状和相关结构（图 19-4）。
在某些形式的组织重塑中，肌动蛋白-球蛋白的收缩性与局部细胞粘附模式的重大变化相协调。果蝇（Drosophila melanogaster）发育早期发生的细胞重排就是一个例子。在原肠胚形成后不久，小肠上皮细胞之间的粘附连接。这些细胞专门用于吸收营养物质；在它们的顶端表面，面向肠腔，它们有许多微绒毛（增加吸收表面积的突起）。黏附连接呈黏附带形式，环绕每个相互作用的细胞。其最明显的特征是沿着连接质膜的细胞质表面延伸的收缩性肌动蛋白丝束。肌动蛋白丝束通过衔接蛋白与钙粘蛋白连接，后者与相邻细胞上的钙粘蛋白结合。这样，相邻细胞中的肌动蛋白丝束就绑在一起了。为清晰起见，此图未显示上皮细胞的大多数其他细胞和细胞基质连接（见图 19?）。
图 19?4 上皮片折叠形成上皮管。沿着粘附带运行的肌动蛋白和肌球蛋白丝束定向收缩导致上皮细胞在其顶端表面变窄，从而帮助上皮片卷成管状。一个例子是脊椎动物早期发育过程中神经管的形成（见图 19？）。
肌动蛋白丝
微绒毛内
腔
从顶端表面延伸的微绒毛
粘附带钙粘蛋白
紧密连接
肌动蛋白丝束
相邻上皮细胞的侧质膜
基底表面
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上皮细胞片
粘附带与相关肌动蛋白丝
粘附带
选择性粘附带的有序收紧导致上皮片内陷D 细胞片区域
上皮管从上层细胞片上分离
上皮
管
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1116 第 19 章：细胞连接和细胞外基质
胚胎通过称为生殖带延伸的过程拉长，在此过程中，细胞
沿背侧中心轴向内汇聚并沿前后轴延伸。沿背中部细胞边界的肌动蛋白依赖性收缩伴随着特定黏附连接的丧失，从而使细胞能够插入其他细胞之间（这一过程称为插入），从而导致上皮细胞变长变窄（图 19-5）。我们并不完全了解背中部细胞边界黏附连接分解的潜在机制，但一种可能性是，肌动蛋白为基础的收缩力足以拉动细胞黏附的边缘，从而将其剥离，特别是如果收缩与削弱黏附的其他调节机制相结合。例如，有证据表明，在发育过程中，这些和其他黏附的重塑取决于通过网格蛋白介导的内吞作用从细胞表面去除钙粘蛋白。
桥粒赋予上皮细胞机械强度
桥粒的结构类似于黏附连接，但含有特殊的钙粘蛋白，可连接到中间丝而不是肌动蛋白丝。它们的主要功能是提供机械强度。桥粒在脊椎动物中很重要，但在果蝇等动物中却没有发现。它们存在于大多数成熟的脊椎动物上皮细胞中，在承受高水平机械应力的组织中尤其丰富，例如心肌和表皮，即形成皮肤外层的上皮。
图 19-6A 显示了桥粒的一般结构，图 19-6B 显示了形成桥粒的一些蛋白质。桥粒通常呈纽扣状粘附点，将细胞铆接在一起（图 19-6C）。在细胞内部，固定在桥粒上的绳状中间丝束形成具有高抗拉强度的结构框架（图 19-6D），并与相邻细胞中的类似束相连，形成一个延伸到整个组织的网络（图 19-7）。附着在桥粒上的中间丝的具体类型取决于细胞类型：例如，在大多数上皮细胞中，它们是角蛋白丝，而在心肌细胞中，它们是结蛋白丝。桥粒的重要性由某些形式的可能致命的皮肤病天疱疮证明。受影响的个体会产生针对其自身桥粒钙粘蛋白之一的抗体。这些抗体与桥粒结合并破坏将其表皮细胞（角质形成细胞）结合在一起的桥粒。这会导致皮肤严重起泡，体液渗入松弛的上皮。
紧密连接在细胞之间形成密封，在质膜域之间形成围栏
上皮细胞片包裹并分隔动物体，覆盖其所有表面和腔体，并形成发生特殊过程的内部隔室。上皮片似乎是动物进化起源的发明之一，它以多种方式多样化，但保留了基于一组保守的分子机制的组织。
前 后
背
腹
肌动蛋白
球蛋白
钙粘蛋白
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图 19-5 果蝇胚胎上皮细胞粘附的重塑。左图为果蝇胚胎外上皮中的一组细胞。在生殖带延伸过程中，细胞在背中轴上相互汇聚（中间），然后沿前后轴延伸（右）。结果是插入：原本沿背中轴相距较远的细胞（绿色）插入到将它们分开的细胞（灰色）之间。这些重排取决于肌动蛋白-肌球蛋白收缩束的空间调节，这些收缩束主要位于垂直细胞边界（红色，左）。这些收缩束的收缩伴随着相同细胞边界处的 E-钙粘蛋白（未显示）的去除，导致沿垂直轴（中间）收缩和粘附力丧失。然后，新的钙粘蛋白粘连（蓝色，右）形成并沿水平边界扩展，导致细胞在前后维度上延伸。
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1116 第 19 章：细胞连接和细胞外基质 1117 细胞连接
基本上所有上皮细胞都固定在其他组织上上皮细胞的一侧（基底侧）附着有上皮细胞，而另一侧（顶端）没有这种附着。基底膜位于与下层组织的界面处，介导附着，而上皮细胞的顶端表面通常浸泡在细胞外液中。因此，如第 16 章所述，所有上皮细胞在结构上都是极化的，它们的单个细胞也是如此：细胞的基底端附着在下面的基底膜上，与暴露在上面的介质中的顶端不同。相应地，所有上皮细胞至少有一个共同的功能：它们充当选择性渗透屏障，将基底侧渗透组织的液体与顶端侧具有不同化学成分的液体隔开。这种屏障功能要求相邻细胞通过紧密连接密封在一起，以便分子不能自由泄漏穿过细胞片。小肠上皮很好地说明了紧密连接的结构和功能（见图 19）。这种上皮具有简单的柱状结构；也就是说，它由一层高（柱状）细胞组成。这些细胞有几种不同的类型，但大多数是吸收细胞，专门从肠道内腔或管腔吸收营养。
中间
? 丝
中间
? 丝 质膜
致密斑块
衔接蛋白
非经典
钙粘蛋白
(A) (B)
(C) (D)
桥粒斑蛋白
斑珠蛋白
斑粒蛋白
衔接蛋白
桥粒蛋白
非经典
钙粘蛋白
0.5 祄 100 nm
MBoC7 m19.16/19.16
质膜
胞质溶胶 胞质溶胶
图 19?6 桥粒。(A) 桥粒的结构成分。在每个相互作用的质膜的细胞质表面上，都有一个由细胞内衔接蛋白混合物组成的致密斑块。每个斑块表面附着有一束中间细丝。跨膜非经典钙粘蛋白与斑块结合并通过其细胞外域相互作用，将相邻的膜结合在一起。（B）桥粒的一些分子成分。桥粒芯蛋白和桥粒胶蛋白是非经典钙粘蛋白。它们的胞质尾部与斑珠蛋白（β-连环蛋白）和斑块亲和蛋白（p120-连环蛋白的远亲）结合，后者又与桥粒斑蛋白结合。桥粒斑蛋白与中间细丝的侧面结合，从而将桥粒与这些细丝连接在一起。（C）小鼠皮肤中三个表皮细胞之间的桥粒连接的电子显微照片。（D）同一组织的一部分在更高倍率下显示单个桥粒，中间细丝附着于其上。 （C 和 D，来自 W. He 等人，Science 302:109-13，2003。经 AAAS 许可。）
角蛋白丝
桥粒
半桥粒基底膜
MBoC7 m19.17/19.17
图 19-7 桥粒、半桥粒和中间丝网络。相邻细胞的角蛋白中间丝网络——在此示例中，小肠上皮细胞——通过桥粒间接相互连接，并通过半桥粒与基底膜连接。
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1118 第 19 章：细胞连接和细胞外基质
吸收细胞必须将选定的营养物质从管腔运输到上皮细胞的另一侧的细胞外液中。从那里，这些营养物质扩散到小血管中，为生物体提供营养。这种跨细胞运输依赖于吸收细胞质膜中的两组运输蛋白。一组局限于细胞的顶端表面（面向管腔），并主动将选定的分子从肠道运输到细胞中。另一组被限制在细胞的基底外侧（基底和外侧）表面，它允许相同的分子通过被动运输离开细胞，进入上皮另一侧的细胞外液。为了使这种运输活动有效，上皮细胞之间的空间必须紧密密封，以便运输的分子不会通过这些空间泄漏回肠腔（图 19-8）。此外，运输蛋白必须正确分布在质膜中：顶端转运蛋白必须被运送到顶端膜，并且不能让其漂移到基底外侧膜，并且基底外侧转运蛋白必须被运送到基底外侧膜并留在其中。紧密连接除了密封细胞之间的间隙外，还起到“屏障”的作用，有助于防止顶端或基底外侧蛋白扩散到错误的区域。紧密连接的密封功能很容易通过实验证明：
在外延的一侧添加低分子量示踪剂氦气通常不会越过紧密连接（图 19-9）。但是，这种密封并不是绝对的。
虽然所有紧密连接都不能透过大分子，但它们对离子和其他小分子的渗透性各不相同。例如，小肠内壁上皮中的紧密连接对无机离子（如 Na +）的渗透性比膀胱内壁上皮中的紧密连接高 10,000 倍。上皮细胞之间的离子和其他分子的移动称为旁细胞转运，组织特异性的转运速率差异通常是由形成紧密连接的蛋白质的差异引起的。
肠腔
顶端表面
Na+ 驱动的
葡萄糖转运蛋白
紧密连接
相邻细胞的质膜
细胞间隙
被动葡萄糖转运蛋白
细胞 3
血液
细胞 2
细胞 1
细胞外液体/结缔组织
基底膜
基底外侧
表面
低
低
MBoC7 m19.18/19.18
葡萄糖
葡萄糖
葡萄糖
高
葡萄糖
浓度
图 19?8 紧密连接在跨细胞运输中的作用。为清楚起见，仅显示紧密连接。转运蛋白被限制在小肠上皮细胞质膜的不同区域。这种隔离导致营养物质从肠腔单向穿过上皮细胞转移到血液。在所示的例子中，葡萄糖通过其顶端表面的 Na+ 驱动葡萄糖转运蛋白主动转运到细胞中，并通过其基底膜中的被动葡萄糖转运蛋白离开细胞。紧密连接被认为通过充当质膜脂质双层内的扩散屏障或“屏障”将转运蛋白限制在其适当的膜域中；这些连接还阻止葡萄糖从上皮基底侧回流到肠腔（参见电影 11.2）。
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1118 第 19 章：细胞连接和细胞外基质 1119 细胞连接
紧密连接包含跨膜粘附蛋白链
当通过冷冻断裂电子显微镜观察紧密连接时，它们被视为完全环绕上皮片中每个细胞顶端的密封链分支网络（图 19?0A 和 B）。在常规电子显微照片中，两个相互作用的质膜的外叶紧密贴合，密封链存在（图 19-0C）。每个密封链由一排长跨膜同型粘附蛋白组成，这些蛋白嵌入两个相互作用的质膜中。这些蛋白质的细胞外结构域直接粘附在一起，以封闭细胞间隙（图 19-1）。
图 19-9 紧密连接在允许上皮细胞充当溶质扩散屏障方面的作用。（A）该图显示了如何通过将相邻细胞密封在一起的紧密连接阻止在上皮细胞一侧添加的小细胞外示踪分子穿过上皮细胞。为了清晰起见，未显示粘附连接和其他细胞连接。 (B) 上皮细胞的电子显微照片，其中在顶端（左侧）或基底外侧（右侧）添加了小的细胞外电子致密示踪分子。紧密连接阻止示踪剂在两个方向上通过。（B，由 Daniel Friend 提供，经 E.L. Bearer 许可。）图 19-0 小肠上皮细胞之间的紧密连接结构。连接如图所示（A）示意图、（B）冷冻断裂电子显微照片和（C）常规电子显微照片。在 B 中，显微照片的平面与膜平面平行，紧密连接呈现为环绕上皮中每个细胞的分支密封链带（见图 19-1A）。在 C 中，连接在横截面上显示为两个相互作用的质膜外叶之间的一系列焦点连接，每个连接在横截面上对应于一条密封链。[B 和 C，来自 N.B. Gilula，《细胞通讯》（R.P. Cox 编辑），第 1-9 页。纽约：Wiley，1974 年。经 John Wiley & Sons 许可。]
LUMEN
示踪剂
分子
紧密连接
紧密连接
0.5 祄 0.5 祄
细胞
1
细胞
2
细胞
3
(A) (B)
MBoC7 m19.19/19.19
(A)
侧质膜
跨膜颗粒脊形成密封链
焦点连接
焦点连接
质膜
50 nm 0.5 祄
微绒毛
(B) (C)
紧密连接
MBoC7 m19.20/19.20
细胞 1 细胞2
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1120 第 19 章：细胞连接和细胞外基质
形成这些链的主要跨膜蛋白是 claudins，
它对于紧密连接的形成和功能至关重要。例如，缺乏 claudin-1 基因的小鼠无法在皮肤表皮层的细胞之间形成紧密连接；因此，幼鼠会通过皮肤蒸发迅速失水，并在出生后一天内死亡。相反，如果非上皮细胞（如成纤维细胞）被人工诱导表达 claudin 基因，它们将彼此形成紧密连接。正常的紧密连接还含有第二种主要的跨膜蛋白，称为 occludin，
它对于紧密连接的组装或结构不是必需的，但对于限制连接通透性很重要。第三种跨膜蛋白三细胞蛋白需要将细胞膜密封在一起，并防止三个细胞相遇处的跨上皮渗漏。
紧密连接蛋白家族有许多成员（人类有 24 个），它们以不同的组合在不同的上皮细胞中表达，从而赋予上皮片特殊的通透性。它们被认为形成旁细胞孔——选择性通道，允许特定离子穿过紧密连接屏障，从一个细胞外空间进入另一个细胞外空间。例如，在肾上皮细胞中发现的一种特定紧密连接蛋白需要让 Mg 2+ 在肾小管细胞之间通过，以便该离子可以从尿液中重新吸收到血液中。编码该紧密连接蛋白的基因发生突变会导致尿液中 Mg 2+ 过度流失。
支架蛋白组织连接蛋白复合物
与黏附连接的钙粘蛋白分子一样，紧密连接的 claudins 和 occludins 在其细胞外侧相互作用以促进连接组装。与黏附连接一样，紧密连接中粘附蛋白的组织取决于结合粘附蛋白胞质侧的其他蛋白质。紧密连接的关键组织蛋白是 zonula occludens (ZO) 蛋白。ZO 家族的三个主要成员——O-1、ZO-2 和 ZO-3——是大型支架蛋白，为紧密连接提供结构支撑。这些细胞内分子由一系列蛋白质结合域组成，通常包括几个 PDZ 域，它们可以识别和结合特定伴侣蛋白的 C 末端尾部（图 19-2）。这些支架蛋白的一个结构域可以附着于
细胞 1
细胞 2
(A) (B)
C
C
N
N
claudino ccludin
紧密连接蛋白
MBoC7 m19.21/19.21
相互作用
质膜
细胞间隙
occludin 和
claudin
蛋白的封闭链
细胞 1
细胞 2
0.3 祄
图 19?1 紧密连接模型。
(A) 封闭链将相邻的
质膜连接在一起。这些链由跨膜蛋白组成，这些跨膜蛋白在细胞间隙中接触并形成密封。(B) 封闭链的分子组成。紧密连接的主要细胞外成分是具有四个跨膜域的蛋白质家族的成员。其中一种蛋白质 claudin 对密封链的组装和结构最为重要，而相关蛋白质 occludin 则控制连接通透性。这些蛋白质的两个末端均位于膜的细胞质侧，在那里它们与大型支架蛋白相互作用，这些支架蛋白组织密封链并将紧密连接与肌动蛋白细胞骨架连接起来（此处未显示，但请参见图 19-2）。
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1120 第 19 章：细胞连接和细胞外基质 1121 细胞连接
一个 claudin 蛋白，而其他蛋白可以附着在 occludin 或肌动蛋白细胞骨架上。
此外，一个支架蛋白分子可以与另一个分子结合。 通过这种方式，
细胞组装出一个细胞内蛋白质网状结构，组织和定位
紧密连接的密封链。
紧密连接的密封链网络通常位于
粘附体和桥粒连接的顶端，这些连接将细胞机械地结合在一起；
整个组合体称为连接复合体（见图 19？）。该连接复合体的各个部分相互依赖以形成。例如，阻断粘附连接形成的抗钙粘蛋白抗体也会抑制紧密连接的形成。
间隙连接以电和代谢方式耦合细胞
紧密连接阻断上皮细胞间隙之间的通道，防止细胞外分子从上皮的一侧泄漏到另一侧。另一种连接结构具有完全不同的功能：它连接相邻细胞之间的间隙，从而创建从一个细胞质到另一个细胞质的直接通道。这些通道称为间隙连接。间隙连接存在于大多数动物组织中，包括结缔组织以及上皮和心肌。每个间隙连接在常规电子显微照片中都显示为一个斑块，其中两个相邻细胞的膜被约 2? nm 的均匀窄间隙隔开（图 19?3）。间隙是
图 19?2 紧密连接处的支架蛋白。支架蛋白 ZO-1、ZO-2 和 ZO-3 集中在紧密连接的质膜下方。每种蛋白质都含有多个蛋白质结合域，包括三个 PDZ 域、一个 SH3 域、一个 GK 域和一个富含脯氨酸的域 (P)，它们像一根柔韧的绳子上的珠子一样连接在一起。这些域使蛋白质能够相互作用并与许多其他伙伴（如箭头所示）相互作用，从而形成紧密编织的蛋白质网络，该网络组织紧密连接的密封链并将它们连接到肌动蛋白细胞骨架。具有类似结构的支架蛋白有助于组织其他连接复合体，包括神经突触处的连接复合体。
PDZ PDZ PDZ SH3 GK P
PDZ PDZ PDZ SH3 GK P
PDZ PDZ PDZ SH3 GK P
N
N
N
ZO-1
claudin
结构域
ZO-2
结构域
ZO-3
结构域
occludin 肌动蛋白
ZO
蛋白
信号传导
蛋白
MBoC7 m19.22/19.22
(A)
100 nm
膜
大间隙连接
小间隙连接
(B)
100 nm
MBoC7 m19.23/19.23
图 19?3 电子显微镜下的间隙连接。 （A）培养成纤维细胞间大间隙连接斑块和小间隙连接斑块的薄切片和（B）冷冻断裂电子显微照片。在 B 中，每个间隙连接被视为一簇均匀的膜内颗粒。每个膜内颗粒对应于一个连接子（见图 19-5）。
[摘自 N.B. Gilula，《细胞通讯》（R.P. Cox 编辑），第 1-9 页。纽约：
Wiley，1974 年。经 John WIley and Sons 许可。]
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1122 第 19 章：细胞连接和细胞外基质
由通道形成蛋白跨越，其中有两个不同的家族，
称为连接蛋白和连接蛋白。连接蛋白是脊椎动物中的主要间隙连接蛋白，在人类中有 21 种同工型。连接蛋白存在于无脊椎动物的间隙连接中。
间隙连接的孔径约为 1.4 nm，可交换无机离子和其他小的水溶性分子，但不能交换蛋白质或核酸等大分子（图 19-4）。通过微电极注入一个细胞的电流会由于携带电荷的离子通过间隙连接的流动而引起相邻细胞的电干扰。这种通过间隙连接的电耦合在含有电可兴奋细胞的组织中起着明显的作用：动作电位可以在细胞之间迅速传播，而不会像化学突触那样出现延迟。例如，在脊椎动物中，通过间隙连接的电耦合使心肌细胞的收缩以及负责肠道蠕动的平滑肌细胞的收缩同步。间隙连接也出现在许多细胞不可电兴奋的组织中。原则上，小代谢物和离子的共享提供了一种机制，用于协调此类组织中单个细胞的活动，并平滑不同细胞中小分子浓度的随机波动。
间隙连接连接子由六个跨膜连接蛋白亚基组成 连接蛋白是四次跨膜蛋白，其中六个组装形成半通道或连接子。当两个接触细胞的质膜中的连接子对齐时，它们会形成一个连续的水通道，连接两个细胞内部（图 19-5）。间隙连接由许多这样的连接子对组成，形成一种分子筛。这种筛子不仅提供了细胞之间的通讯通道，而且还提供了一种细胞粘附形式，可以补充我们之前讨论过的钙粘蛋白和紧密连接蛋白介导的粘附。
图 19-5 间隙连接。（A）两个相邻细胞相互作用的质膜通过间隙连接连接在一起。每个脂质双层都显示为灰色薄片。蛋白质组装体称为连接子（绿色），每个连接子由六个连接蛋白亚基组成，穿透相对的脂质双层。两个连接子跨细胞间隙连接，形成连接两个细胞的连续水通道。（B）连接子的组织连接蛋白
变成连接子，连接子
变成细胞间通道。连接子
可以是同源的或异源的，细胞间通道
可以是同型的或异型的。（C）通过人类连接蛋白 26 的 X 射线晶体学确定的同源间隙连接通道的高分辨率结构。在这个视图中，我们俯视由六个连接蛋白亚基形成的孔。该结构说明了通道的一般特征，并表明孔径约为 1.4 nm，这与对不同大小的分子的间隙连接通透性的研究预测一致（见图 19-4）。（PDB 代码：2ZW3。）
图 19-4 确定间隙连接通道的大小。当将各种大小的荧光分子注入由间隙连接耦合的两个细胞中的一个时，质量小于约 1000 道尔顿的分子可以进入另一个细胞，但较大的分子则不能。因此，耦合细胞共享其小分子（例如无机离子、糖、氨基酸、核苷酸、维生素和细胞内信号分子环磷酸腺苷和肌醇三磷酸），但不共享其大分子（蛋白质、核酸和多糖）。
质量
（道尔顿）
100
1000
5000
20,000
MBoC7 m19.24/19.24
相互作用
质膜
通道
直径 1.4 nm
连接子
由
六个亚基组成
间隙
2？ nm
两个连接子在相邻细胞之间形成开放通道
(A)
(B) 连接蛋白 连接子
同型
异型 同型 异型
细胞间通道
(C)
1.4 nm
MBoC7 m19.25/19.25
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1122 第 19 章：细胞连接和细胞外基质 1123 细胞连接
不同组织中的间隙连接可能具有不同的特性，因为它们是由连接蛋白的不同组合，形成了具有不同通透性和调节性的通道。大多数细胞类型表达不止一种类型的连接蛋白，两种不同的连接蛋白可以组装成异源连接子，具有其自身独特的特性。此外，表达不同连接蛋白的相邻细胞可以形成细胞间通道，其中两个对齐的半通道不同（见图 19-5B）。与常规离子通道（第 11 章讨论）一样，单个间隙连接通道并非始终保持开放；相反，它们在开放和关闭状态之间切换。这些变化由各种刺激触发，包括两个连接细胞之间的电压差、每个细胞的膜电位以及细胞质的各种化学性质，包括 pH 值和游离 Ca 2+ 浓度。一些间隙连接亚型也可以受细胞外信号（如神经递质）的调节。我们才刚刚开始了解这些不同门控机制的生理功能和结构基础。
每个间隙连接斑块都是一个动态结构，可以很容易地组装、拆卸或重塑，并且可以包含几个到数千个连接子的簇（见图 19-3B）。对活细胞中荧光标记的连接蛋白的研究表明，新的连接子不断添加到现有连接斑块的周围，而旧的连接子则从中间移除并被破坏（图 19-6）。这种周转非常迅速：连接蛋白分子的半衰期只有几个小时。
从斑块中间去除旧连接子的机制尚不清楚，但将新连接子传递到其外围的途径似乎很清楚：它们像其他整合膜蛋白一样通过胞吐插入质膜，然后在膜平面上扩散，直到它们撞到连接子斑块的外围并被捕获。这有一个推论：远离间隙连接的质膜应该包含尚未与另一个细胞上的对应物配对的连接子半通道。人们认为这些未配对的半通道通常保持闭合构象，防止细胞通过它们泄漏而丢失小分子。但也有证据表明，在某些情况下，它们可以打开并充当释放小信号分子的通道。
在植物中，胞间连丝发挥许多与间隙连接相同的功能
植物组织的组织原理与动物不同。植物细胞被囚禁在坚韧的细胞壁内，细胞壁由富含纤维素和其他多糖的细胞外基质组成，我们将在后面讨论。
图 19-6 间隙连接处的连接蛋白周转。细胞被转染了稍微修改的连接蛋白基因，该基因编码的连接蛋白带有一个短氨基酸标签，序列中包含四个半胱氨酸因此 Cys-Cys-X-X-Cys-Cys（其中 X 表示任意氨基酸）。该四半胱氨酸标签可以与某些小的荧光染料分子牢固结合，这些分子可以添加到培养基中，并通过扩散穿过质膜很容易进入细胞。在所示的实验中，首先添加绿色染料以标记细胞中的所有连接蛋白分子，然后清洗细胞并孵育 4 或 8 小时。在这段时间结束时，将红色染料添加到培养基中，再次清洗细胞并固定。实验开始时已经存在的连接蛋白分子被标记为绿色（并且不吸收红色染料，因为它们的四半胱氨酸标签已经被绿色染料饱和），而随后在 4 或 8 小时的孵育期间合成的连接蛋白则被标记为红色。荧光图像显示了以这种方式处理的细胞对之间的间隙连接。间隙连接斑块的中心部分是绿色的，表明它由旧的连接蛋白分子组成，而外围是红色的，表明它由之前 4 或 8 小时内合成的连接蛋白组成。孵育时间越长，旧分子的绿色中心斑块越小，被招募来替换旧分子的新分子的外围环越大。 （摘自
G. Gaietta 等人，Science 296:503?07,
2002。经 AAAS 许可。）
横截面正面视图
4 小时孵育 8 小时孵育 8 小时孵育
1 祄 2 祄
MBoC7 m19.26/19.26
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1124 第 19 章：细胞连接和细胞外基质
相邻细胞的细胞壁牢固地粘合在一起，从而消除了
表明需要锚定连接来将细胞固定到位。但仍然需要直接的细胞间通讯。因此，植物细胞只有一类细胞间连接，即胞间连丝。与间隙连接一样，它们直接连接相邻细胞的细胞质。在植物中，一对典型的相邻细胞之间的细胞壁至少有 0.1 厘米厚，因此需要一种与间隙连接非常不同的结构来介导跨细胞通讯。胞间连丝解决了这个问题。除了少数特殊的例外，高等植物中的每个细胞都通过这些结构与其邻居相连，这些结构通过中间的细胞壁形成精细的细胞质通道。如图 19-7A 所示，一个细胞的质膜与其相邻细胞的质膜在每个胞间连丝处连续，胞间连丝通过直径为 20-0 nm 的大致圆柱形通道连接两个细胞的细胞质。在大多数胞间连丝中，穿过通道中心的是一个较窄的圆柱形结构，即连丝小管，它与每个连接细胞中的光滑内质网 (ER) 元素连续（图 19-7B、C 和 D）。在连丝小管的外侧和由质膜形成的圆柱形通道的内表面之间是胞质溶胶环，小分子可以通过它从一个细胞传递到另一个细胞。随着每个新细胞壁在细胞分裂的胞质分裂阶段组装，胞间连丝 - 胞质在其内产生。它们形成于光滑内质网元件周围，这些元件被困在发育中的细胞板上（第 17 章中讨论）。它们也可以从头插入预先存在的细胞壁，在那里它们通常以密集的簇（称为凹坑场）的形式存在。当不再需要时，可以去除胞间连丝。尽管胞间连丝和间隙连接在结构上存在根本差异，但它们似乎以非常相似的方式发挥作用。通过注射不同大小的示踪分子获得的证据表明，胞间连丝允许质量小于约 800 道尔顿的分子通过，这与间隙连接的尺寸截止值相似。与间隙连接一样，通过胞间连丝的运输受到调节。例如，染料注射实验表明，在某些细胞或细胞群之间（这些细胞或细胞群通过看似正常的胞间连丝连接），即使是低分子量分子的移动也会受到阻碍；在这些情况下，限制通讯的机制尚不明确。
细胞质
胞间连丝
质膜衬里
胞间连丝，连接
两个相邻细胞
光滑的
内质网
连丝
胞质溶胶
相邻植物细胞的细胞壁
100 nm
(B) (A)
(C)
质膜
内质网
连丝
细胞壁
0.1 祄
(D)
细胞壁
质膜
连丝
25 nm
MBoC6 e20.31/19.27
图 19?7 胞间连丝。(A) 胞间连丝的细胞质通道穿透
植物细胞壁并将植物中的细胞连接在一起。 （B）每个胞间连丝都衬有质膜，质膜是两个相连的细胞。它通常还包含一个细管结构，即来自光滑内质网的连丝。（C）水蕨胞间连丝纵向切片的电子显微照片。质膜排列在孔内，从一个细胞连续到另一个细胞。还可以看到内质网及其与中央连丝的关联。（D）横截面上看到的类似胞间连丝。 （C 和 D，
来自 R. Overall 等人，Protoplasma 111:134-50，1982 年。）
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1124 第 19 章：细胞连接和细胞外基质 1125 细胞连接
选择素介导血流中的瞬时细胞粘附
现在我们通过简要描述一些组织中使用的更专业的粘附机制来完成对细胞连接和粘附的概述。除了我们已经讨论过的那些，至少还有三个其他细胞粘附蛋白超家族很重要：整合素、选择素和粘附性免疫球蛋白 (Ig) 超家族成员。我们稍后将更详细地讨论整合素：它们的主要功能是细胞基质粘附，但其中一些在特殊情况下介导细胞粘附。Ca 2+ 依赖性提供了一种简单的方法来通过实验区分这些粘附蛋白类别。选择素，如钙粘蛋白和整合素，需要 Ca 2+ 才能发挥粘附功能；而 Ig 超家族成员则不需要。选择素是细胞表面碳水化合物结合蛋白 (凝集素)，可介导血流中各种瞬时细胞粘附相互作用。至少在脊椎动物中，它们的主要作用是控制白细胞进入淋巴器官和发炎组织的交通。白细胞过着游牧生活，在血流和组织之间流动，这需要特殊的粘附行为。选择素控制白细胞与血管内皮细胞的结合，从而使血细胞能够从血流迁移到组织中。每个选择素都是跨膜蛋白，具有保守的凝集素结构域，可与另一个细胞上的特定寡糖结合（图 19-8A）。至少有三种类型：白细胞上的 L-选择素、血小板和因炎症反应而局部激活的内皮细胞上的 P-选择素，以及炎症反应后期内皮细胞上的 E-选择素。在淋巴器官（如淋巴结或脾脏）中，内皮细胞表达的寡糖可被淋巴细胞上的 L-选择素识别，导致淋巴细胞徘徊并被困。在炎症部位，角色则相反：内皮细胞启动选择素的表达，选择素可识别白细胞和血小板上的寡糖，标记这些细胞以帮助处理局部紧急情况。然而，选择素并不是单独起作用的；它们与整合素协同作用，从而加强血细胞与内皮的结合。由选择素和整合素介导的细胞粘附是异嗜性的；也就是说，结合的是不同类型的分子。选择素
与糖蛋白和糖脂上的特定寡糖结合，而整合素
与特定的免疫球蛋白家族蛋白结合。
选择素和整合素依次起作用，使白细胞离开血流并进入组织（图 19-8B）。选择素介导弱粘附
，因为选择素的凝集素结构域与其碳水化合物配体的结合
基底膜
弱粘附
和滚动
（选择素依赖性）
强粘附
和迁移
（整合素依赖性）
血管
白细胞
内皮细胞
MBoC7 m19.28/19.28
肌动蛋白
丝
衔接蛋白
凝集素结构域
P-选择素
细胞外
空间
胞质溶胶
(A) (B)
组织
图 19?8 选择素的结构和功能。 (A) P-选择素图，
通过衔接蛋白附着在肌动蛋白细胞骨架上。 (B) 选择素和整合素如何介导白细胞从血流迁移到组织所需的细胞粘附。内皮细胞上的选择素与白细胞上的寡糖结合较弱，因此它变得松散地附着并沿着血管壁滚动。然后，白细胞激活一种称为 LFA1 的细胞表面整合素，该整合素与内皮细胞膜上一种称为 ICAM1（属于 Ig 超家族）的蛋白质结合。白细胞粘附在血管壁上，然后爬出血管（电影 19.2）。
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1126 第 19 章：细胞连接和细胞外ar 基质
亲和力较低。这使得白细胞能够微弱地、可逆地粘附在内皮上，在血流的推动下，沿着血管表面滚动。滚动持续到血细胞激活其整合素。正如我们稍后讨论的那样，这些跨膜分子可以转换为粘附构象，使它们能够附着在细胞外部的特定大分子上——在本例中，是内皮细胞表面的蛋白质。一旦以这种方式附着，白细胞就会从血流中逃逸到组织中，通过在相邻的内皮细胞之间爬出血管。
免疫球蛋白超家族成员介导 Ca2+ 依赖性细胞粘附
白细胞整合素识别的主要内皮细胞蛋白称为 ICAM（细胞间细胞粘附分子）或 VCAM（血管细胞粘附分子）。它们是另一个庞大而古老的细胞表面分子家族——免疫球蛋白 (Ig) 超家族的成员。它们包含一个或多个细胞外 Ig 样结构域，这些结构域是抗体分子的特征。它们在免疫系统之外具有许多与免疫防御无关的功能。
虽然内皮细胞上的 ICAM 和 VCAM 都介导与整合素的异嗜性结合，但许多其他 Ig 超家族成员似乎介导同嗜性结合。一个例子是神经细胞粘附分子 (NCAM)，它由各种细胞类型表达，包括大多数神经细胞（图 19-9）。
NCAM 可以采取不同的形式，由单个基因产生的 RNA 转录本的替代剪接产生。某些形式的 NCAM 携带异常大量的唾液酸（链中含有数百个重复的唾液酸单元）。由于带负电荷，长聚唾液酸链可以干扰细胞粘附（因为同种电荷相互排斥）；因此，这些形式的 NCAM 可以起到抑制粘附而不是引起粘附的作用。另一组 Ig 超家族成员，连接蛋白，与钙粘蛋白协作，帮助在许多组织中建立和加强粘附连接。连接蛋白家族成员含有三个 Ig 样结构域（见图 19-9），并与其他连接蛋白相互作用，有时与同一家族成员（同嗜性）相互作用，有时与不同的家族成员（异嗜性）相互作用。它们短的细胞内尾巴与衔接蛋白结合，该衔接蛋白将连接蛋白与肌动蛋白细胞骨架连接起来，并与粘附连接处的钙粘蛋白连接起来。连接蛋白有助于在胚胎发育过程中建立细胞间相互作用。例如，在听觉和嗅觉上皮中，感觉细胞作为单个细胞分布在较大的支持细胞场中。这些细胞类型在上皮中的分布取决于特定的相互作用
二硫键 N
NN
N
Ig 样结构域
?bronectin 类型 III 结构域
C
CC C
CYTOSOL
NCAM ICAM 连接蛋白
MBoC7 m19.29/19.29
图 19-9 细胞粘附分子 Ig 超家族成员。 NCAM 在神经元和许多其他细胞类型上表达，并介导同型结合。ICAM 在内皮细胞和一些其他细胞类型上表达，并与白细胞上的整合素异型结合。Nectin 在许多细胞类型中表达，并且经常在粘附连接处发现，在那里它与钙粘蛋白相互作用，以帮助在组织形成过程中建立和加强特定的细胞间相互作用。
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1126 第 19 章：细胞连接和细胞外基质 1127 动物的细胞外基质
感觉细胞和支持细胞表面上的 nectin 家族成员之间。
当 nectin 表达通过实验减少时，这些上皮的形成就会有缺陷。
给定类型的细胞通常使用各种不同的粘附蛋白与其他细胞相互作用，就像每个细胞使用各种不同的受体来响应其环境中的许多可溶性细胞外信号分子一样。尽管钙粘蛋白和免疫球蛋白超家族成员经常在同一细胞上表达，但钙粘蛋白介导的粘附作用要强得多，它们主要负责将细胞结合在一起、将细胞集合分离成离散组织以及维持组织完整性。免疫球蛋白超家族成员似乎在发育和再生过程中对这些粘附相互作用的微调做出了更大的贡献，在各种特殊的粘附现象中发挥作用，例如在血细胞和特殊上皮细胞中讨论的现象。因此，虽然缺乏 N-钙粘蛋白的突变小鼠在发育早期死亡，但缺乏免疫球蛋白超家族成员的小鼠发育相对正常，但表现出中度异常在某些组织的发育过程中。
摘要
在上皮细胞以及某些其他组织中，细胞通过强大的细胞粘附直接相互连接，这种粘附由跨膜蛋白（称为钙粘蛋白）介导，钙粘蛋白在细胞内锚定在细胞骨架上。钙粘蛋白通常以同种方式相互结合：一个钙粘蛋白分子的头部与对侧细胞上类似钙粘蛋白的头部结合。这种选择性使不同类型的混合细胞群能够根据它们表达的特定钙粘蛋白相互分类，并有助于控制发育过程中的细胞重排。
粘附连接处的“经典”钙粘蛋白通过细胞内衔接蛋白（称为连环蛋白）与肌动蛋白细胞骨架相连。它们在钙粘蛋白分子的细胞内尾部形成锚定复合物，不仅参与物理锚定，还参与检测和响应连接处的张力和其他调节信号。紧密连接密封上皮细胞之间的间隙，为分子在细胞片上的扩散形成屏障，还有助于分离上皮细胞顶端和基底外侧质膜域中的蛋白质群。紧密连接蛋白是形成紧密连接的主要跨膜蛋白。细胞内支架蛋白将紧密连接蛋白和其他连接蛋白组织成与肌动蛋白细胞骨架相连的复杂蛋白质网络。许多动物组织的细胞通过间隙连接连接在一起，间隙连接的形式为簇状连接子斑块，通常允许小于约 1000 道尔顿的分子直接从一个细胞内部传递到下一个细胞内部。通过间隙连接连接的细胞共享许多无机离子和其他小分子，因此在化学和电学上耦合。另外三类跨膜粘附蛋白介导更短暂的细胞粘附：选择素、免疫球蛋白 (Ig) 超家族成员和整合素。选择素在白细胞、血小板和内皮细胞上表达；它们与细胞表面的碳水化合物基团异嗜性结合，有助于介导这些细胞之间的粘附相互作用。Ig 超家族蛋白也参与这些相互作用以及许多其他粘附过程；其中一些是同嗜性结合，一些是异嗜性结合。整合素虽然主要起着将细胞附着在细胞外基质上的作用，但也可以通过与特定的免疫球蛋白超家族蛋白结合来介导细胞粘附。
动物的细胞外基质
组织不仅仅是由细胞组成的。它们还包含构成细胞外基质的极其复杂和错综复杂的大分子网络。
该基质由许多不同的蛋白质和多糖组成，这些蛋白质和多糖在局部分泌并组装成有组织的网状结构，与产生它们的细胞的表面紧密相关。
不同动物组织中构成细胞外基质的大分子类别大致相似，但这些不同类别分子的相对数量和组织方式的差异导致了材料的惊人多样性。基质可以钙化形成坚硬如石的骨骼或牙齿结构，也可以形成透明的角膜物质，还可以形成绳状组织，使肌腱具有巨大的抗拉强度。它形成水母中的果冻。它覆盖在甲虫或龙虾的身体上，形成坚硬的甲壳。此外，细胞外基质不仅仅是提供物理支持的被动支架。它在调节接触、栖息或爬过其网状结构的细胞的行为方面发挥着积极而复杂的作用，影响它们的生存、发育、迁移、增殖、形状和功能。在本节中，我们将描述动物组织中细胞外基质的主要特征，重点介绍脊椎动物。我们首先概述基质中的主要大分子类别，然后介绍基底膜的结构和功能，基底膜是位于所有上皮细胞下方的一层特殊的细胞外基质薄层。在下一节中，我们将描述将细胞连接到基质的各种连接类型。
细胞外基质由其中的细胞制造和定向
构成细胞外基质的大分子主要由基质中的细胞局部产生。这些细胞还有助于组织基质：定向细胞内细胞骨架的离子可以控制外部产生的基质的方向。在大多数结缔组织中，基质大分子由称为成纤维细胞的细胞分泌（图 19-0）。然而，在某些特殊类型的结缔组织中，例如软骨和骨，它们是由成纤维细胞家族的细胞分泌的，这些细胞有更具体的名称：例如，软骨细胞形成软骨，成骨细胞形成骨骼。
细胞外基质由三大类大分子构成：（1）糖胺聚糖（GAG），它们是大而带电的多糖，通常以蛋白聚糖的形式与蛋白质共价连接；（2）纤维蛋白，主要属于胶原蛋白家族； （3）一大类非胶原糖蛋白，它们携带传统的天冬酰胺链接寡糖（第 12 章中介绍）。这三类大分子都有许多成员，形状和大小也多种多样（图 19-1）。哺乳动物被认为有近 300 种基质蛋白，包括约 36 种蛋白聚糖、约 40 种胶原蛋白和 200 多种糖蛋白，这些糖蛋白通常包含多个子域并自缔合形成多聚体。此外，还有大量的基质相关蛋白和酶，它们可以通过交联、降解或其他机制改变基质行为，人们开始发现基质是一种几乎无限可变的材料。每种组织都含有自己独特的基质成分混合物，从而形成专门满足该组织需求的细胞外基质。结缔组织中的蛋白多糖分子通常形成高度水合的凝胶状“圆形物质”，其中嵌入胶原蛋白和糖蛋白。多糖凝胶可抵抗基质上的压缩力，同时允许营养物质、代谢物和激素在血液和组织细胞之间快速扩散。胶原纤维可增强并帮助组织
10 祄
MBoC7 m19.30/19.30
图 19?0 结缔组织中的成纤维细胞。此扫描电子显微照片显示了来自大鼠角膜的组织。成纤维细胞周围的细胞外基质主要由胶原纤维组成。糖蛋白、透明质酸和蛋白聚糖通常形成填充纤维网络间隙的水合凝胶，但这些物质已通过酶和酸处理去除。（T. Nishida 提供。）
图 19-1 一些主要细胞外基质大分子的比较形状和大小。
蛋白质显示为绿色，糖胺聚糖 (GAG) 显示为红色。
100 nm
巢蛋白
装饰蛋白
透明质酸
?bronectin
?brillar 胶原蛋白
层粘连蛋白
聚集蛋白
IV 型胶原蛋白
perlecan
MBoC7 m19.31/19.31
蛋白聚糖和 GAG
纤维蛋白
糖蛋白
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1128 第 19 章：细胞连接和细胞外基质 1129 动物的细胞外基质
基质，而其他纤维蛋白质，例如橡胶状的弹性蛋白，赋予它弹性。最后，许多基质糖蛋白帮助细胞在适当的位置迁移、定居和分化。
糖胺聚糖 (GAG) 链占据大量空间并形成水合凝胶
糖胺聚糖 (GAG) 是由重复的二糖单元组成的无支链多糖链。重复二糖中的两种糖之一始终是氨基糖（N-乙酰葡萄糖胺或 N-乙酰半乳糖胺），在大多数情况下是硫酸化的。第二种糖通常是糖醛酸（葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸）。由于大多数糖上都有硫酸盐或羧基，因此 GAG 带负电荷较多（图 19-2）。事实上，它们是动物细胞产生的阴离子最多的分子。根据糖类、糖类之间的连接类型以及硫酸基团的数量和位置，GAG 可分为四大类：(1) 透明质酸，
(2) 硫酸软骨素和硫酸皮肤素，
(3) 肝素和硫酸乙酰肝素，
(4) 硫酸角质素。
多糖链太硬，无法折叠成紧凑的球状结构，
而且它们具有很强的亲水性。因此，GAG 倾向于采用高度延伸的构象，相对于其质量而言，占据巨大的体积（图 19-3），
即使在非常低的浓度下，它们也会形成水合凝胶。结缔组织中 GAG 的重量通常不到蛋白质重量的 10%，但 GAG 链填充了大部分细胞外空间。它们的高密度负电荷会吸引大量阳离子，尤其是渗透活性的 Na +，从而导致大量水分被吸入基质。这会产生膨胀压力或膨压，使基质能够承受压缩ve 力（与抵抗拉伸力的胶原纤维相反）。例如，衬在膝关节上的软骨基质可以通过这种方式支撑数百个大气压的压力。
GAG 的生产缺陷会影响许多不同的身体系统。
例如，在一种罕见的人类遗传病中，皮肤素硫酸盐二糖的合成存在严重缺陷。受影响的个体身材矮小，外表过早衰老，皮肤、关节、肌肉和骨骼普遍存在缺陷。
透明质酸在组织形态形成和修复过程中充当空间填充物
透明质酸（也称为透明质酸或透明质酸盐）是最简单的 GAG（图 19-4）。它由多达 25,000 个二糖单元的规则重复序列组成，在成年动物的所有组织和体液中含量不等，在早期胚胎中尤其丰富。透明质酸不是典型的 GAG，因为它不含硫酸化糖，所有二糖单元都是相同的，链长巨大，并且通常不与任何核心蛋白共价连接。此外，其他 GAG 在细胞内合成并通过胞吐释放，而透明质酸则由嵌入质膜的酶复合物直接从细胞表面旋转出来。
图 19-2 肝素糖胺聚糖 (GAG) 链的重复二糖序列。
这些链可以由多达 75 个二糖单元组成，但通常不到该大小的一半。由于存在羧基和硫酸基，因此链上负电荷密度较高；事实上，肝素是已知的带电最密集的生物分子。最常见的肝素形式在每个二糖中带有三个硫酸基，如图所示。体内，硫酸化和非硫酸化基团的比例变化很大。肝素平均每个二糖约有 2.7 个硫酸基。硫酸肝素是一种密切相关的 GAG，其长度通常是肝素的两倍，带电较少，平均每个二糖约有 1 个硫酸基。
OH
O
COO OH
OSO 3 NHSO 3
O
O
CH 2 OSO 3
O OH
O
COO OH
OSO 3 NHSO 3
O
O
CH 2 OSO 3
重复二糖
硫酸化
N-乙酰葡萄糖胺
硫酸化
艾杜糖醛酸
MBoC7 m19.32/19.32
球状蛋白 (50,000)
血影蛋白 (1 ?106)
胶原蛋白 (400,000)
透明质酸 (8 ?106)
300 nm
MBoC7 m19.33/19.33
图 19?3 各种蛋白的相对尺寸和体积
大分子。图中显示了几种蛋白质和单个水合透明质酸分子，分子量以道尔顿为单位。
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1130 第 19 章：细胞连接和细胞外基质
透明质酸被认为在抵抗组织和关节中的压缩力方面发挥着作用。它在胚胎发育过程中作为空间填充物也很重要，因为它可以用来迫使结构形状发生变化，因为少量的透明质酸会随着水的膨胀而占据很大的体积。从上皮基底侧局部合成的透明质酸可使上皮变形，在其下方形成无细胞空间，随后细胞迁移到该空间中。例如，在发育中的心脏中，透明质酸合成有助于形成分隔心腔的瓣膜和隔膜。其他几个器官中也发生类似的过程。当细胞迁移结束时，过量的透明质酸通常会被透明质酸酶降解。透明质酸在伤口愈合过程中也会大量产生，它是关节液的重要组成部分，在关节液中起润滑剂的作用。
蛋白聚糖由共价连接到核心蛋白的 GAG 链组成
除透明质酸外，所有 GAG 都以蛋白聚糖的形式共价连接到蛋白质上，大多数动物细胞都会产生蛋白聚糖。膜结合核糖体
形成蛋白聚糖的多肽链或核心蛋白，然后将其
穿入内质网腔内。多糖链
主要是在高尔基体中组装在这种核心蛋白上，然后通过胞吐作用输送到细胞外部。首先，将一种特殊的连接四糖
附着在核心蛋白上的丝氨酸侧链上，作为多糖生长的引物；然后，通过特定的糖基转移酶
一次添加一种糖（图 19-5）。当仍在高尔基体中时，许多聚合糖
会通过一系列连续且协调的反应进行共价修饰。这些修饰包括硫酸化（增加负电荷）和
图 19-4 透明质酸（一种相对简单的 GAG）中的重复二糖
序列。这种在脊椎动物中普遍存在的分子由一条长链，最多有 25,000 个二糖。注意没有硫酸基团。
图 19-5 蛋白聚糖分子中 GAG 链与其核心蛋白之间的连接。首先在丝氨酸侧链上组装特定的连接四糖。然后合成主要由重复二糖单元组成的 GAG 链的其余部分，每次添加一个糖。在硫酸软骨素中，二糖由 d -葡萄糖醛酸和 N-乙酰- d -半乳糖胺组成；在硫酸肝素中，它是 d -葡萄糖醛酸或 l -艾杜糖醛酸和 N-乙酰- d -葡萄糖胺。
O
CH 2 OH
NHCOCH 3
OH
OH
HO
O O
O
COO
重复二糖
N-乙酰葡萄糖胺
葡萄糖醛酸
MBoC7 m19.34/19.34
O
CH 2 OH
NHCOCH 3
OH
OH
HO
O O
COO
H
H N
C
CO
O CH 2
n
连接四糖
核心蛋白
丝氨酸
MBoC7 m19.35/19.35
木糖 半乳糖 葡萄糖醛酸
半乳糖
重复
二糖
GAG
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1130 第 19 章：细胞连接和细胞外基质 1131 动物的细胞外基质
差向异构化，改变糖分子中单个碳原子周围取代基的构型。
蛋白聚糖与其他糖蛋白的区别在于其糖侧链的性质、数量和排列。根据定义，蛋白聚糖的糖侧链中至少有一个必须是 GAG。糖蛋白通常含有相对较短的支链寡糖链，这些链仅占其质量的一小部分，而蛋白聚糖可含有高达 95% 的碳水化合物（按质量计算），其中大部分是长而无支链的 GAG 链，每条链通常长约 80 个糖。原则上，蛋白聚糖具有几乎无限的异质性潜力。即使是单一类型的核心蛋白也可以携带数量和类型高度可变的附着 GAG 链。此外，每个 GAG 中二糖的底层重复序列可以通过复杂的硫酸盐基团模式进行修改。核心蛋白也是多种多样的，尽管其中许多属于结构相关的家族，这些家族具有与 GAG 或其他蛋白质结合的特定域。蛋白聚糖可能非常大。例如，作为软骨主要成分的蛋白聚糖聚集蛋白聚糖的质量约为 3 ? 106 道尔顿，具有 100 多个 GAG 链。其他蛋白聚糖则小得多，只有 1?0 个 GAG 链；例如，装饰蛋白聚糖由成纤维细胞分泌，具有单个 GAG 链（见图 19-1）。装饰蛋白聚糖与胶原纤维结合，并调节纤维组装和纤维直径；无法制造装饰蛋白聚糖的小鼠皮肤脆弱，抗拉强度降低。这些不同类型的 GAG 和蛋白聚糖可以结合，在细胞外基质中形成更大的聚合物复合物。例如，聚集蛋白聚糖分子与软骨基质中的透明质酸组装形成与细菌一样大的聚集体（图 19-6）。此外，除了相互结合外，GAG 和
蛋白聚糖还与纤维基质蛋白（如胶原蛋白）和蛋白质网状结构（如基底膜）结合，形成极其复杂的复合物（图 19-7）。
并非所有蛋白聚糖都是细胞外基质的分泌成分。
一些是质膜的组成部分，其核心蛋白
图 19-6 来自胎牛软骨的聚集蛋白聚糖聚集体。（A）用铂阴影标记的聚集蛋白聚糖聚集体的电子显微照片。
还可以看到许多游离的聚集蛋白聚糖分子。（B）A 中所示的巨型聚集蛋白聚糖聚集体的绘图。它由大约 100 个聚集蛋白聚糖单体（见图 19-1）组成，这些单体通过核心蛋白的 N 端结构域与单个透明质酸分子非共价结合。连接蛋白与蛋白聚糖的核心蛋白和透明质酸分子结合，从而稳定聚集体。这种复合物的分子量可以是 108 道尔顿或更大，其体积相当于细菌的体积，约为 2 立方厘米。 （A，劳伦斯·罗森伯格提供。）
1 祄
透明质酸
分子
角质素
硫酸盐
硫酸软骨素
连接蛋白
核心蛋白
（聚集蛋白聚糖）
（B）
1 祄聚集蛋白聚糖聚集体
（A）
MBoC7 m19.37/19.36
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1132 第 19 章：细胞连接和细胞外基质
插入脂质双层或通过甘氨酸附着在脂质双层上
糖基磷脂酰肌醇 (GPI) 锚。特征最明显的血浆膜蛋白聚糖是多聚糖，它具有跨膜核心蛋白，其细胞内结构域与肌动蛋白细胞骨架相互作用ton 并与细胞皮层中的信号分子相互作用。细胞外结构域与多个 GAG 链（主要是硫酸肝素）相连。多配体聚糖位于多种细胞表面，包括成纤维细胞和上皮细胞。在成纤维细胞中，多配体聚糖可在细胞基质粘附中发现，它们通过与细胞表面的纤连蛋白以及细胞内的细胞骨架和信号传导蛋白相互作用来调节整合素功能。正如我们稍后讨论的那样，多配体聚糖和相关的蛋白聚糖（称为 glypicans）也与可溶性肽生长因子相互作用，影响它们对细胞生长和增殖的影响。
胶原蛋白是细胞外基质的主要蛋白质
胶原蛋白是存在于所有多细胞动物中的纤维蛋白家族。
它们由结缔组织细胞大量分泌，由许多其他类型的细胞分泌较少量。胶原蛋白是皮肤和骨骼的主要成分，是哺乳动物中最丰富的蛋白质，占总蛋白质质量的 25%。
典型胶原蛋白分子的主要特征是其长而硬的三链螺旋结构，其中三个胶原蛋白多肽链（称为
a 链）以绳状超螺旋相互缠绕（图 19-8）。
胶原蛋白富含脯氨酸和甘氨酸，这两者都对三链螺旋的形成至关重要。
人类基因组包含 42 个不同的基因，编码不同的胶原蛋白
a 链。这些基因的不同组合在不同的组织中表达。
尽管原则上可以从 42 个
a 链的各种组合组装出数千种类型的三链胶原蛋白分子，但只有有限数量的三螺旋组合是可能的，并且大约发现了 40 种类型的胶原蛋白分子。类型 I 是迄今为止最常见的类型，
胶原蛋白 ?bril
0.5 祄
MBoC7 m19.38/19.37
图 19?7 大鼠软骨细胞外基质中的蛋白聚糖。
将组织在 -96℃下快速冷冻，并在冷冻状态下固定和染色（此过程称为冷冻替代）以防止 GAG 链断裂。在这张电子显微照片中，可以看到蛋白聚糖分子形成细丝状网络，其中嵌入了单个横纹胶原纤维。
蛋白聚糖分子中染色较深的部分是核心蛋白；染色较淡的线是 GAG 链。 （？1984 E.B. Hunziker 和
R.K. Schenk。最初发表于 J. Cell
Biol. https://doi.org/10.1083/jcb.98.1.277。经洛克菲勒大学出版社许可。）
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
1.5 nm
甘氨酸
（A） （B）
MBoC7 m19.39/19.38
图 19-8 典型胶原蛋白分子的结构。（A）单个胶原蛋白链的一部分模型，其中每个氨基酸都由一个球体表示。该链长约 1000 个氨基酸。它呈左旋螺旋排列，每圈有三个氨基酸，每三个氨基酸有一个甘氨酸。因此，a 链由一系列三联体 Gly-X-Y 序列组成，其中 X 和 Y 可以是任何氨基酸（尽管 X 通常是脯氨酸，而 Y 通常是羟脯氨酸，羟脯氨酸是一种在细胞胶原蛋白合成过程中发生化学修饰的脯氨酸）。（B）胶原蛋白分子的一部分模型，其中三个 a 链（每个以不同的颜色显示）相互缠绕形成三链螺旋棒。甘氨酸是唯一一种足够小的氨基酸，可以占据三螺旋的拥挤内部。仅显示了分子的一小部分；整个分子长 300 纳米。 （来自 B.L. Trus 的模型。）
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1132 第 19 章：细胞连接和细胞外基质 1133 动物的细胞外基质
是皮肤和骨骼的主要胶原蛋白。它属于纤维状胶原蛋白或纤维形成胶原蛋白：分泌到细胞外空间后，它们会组装成称为胶原纤维的高级聚合物，这些纤维是成熟组织中数百微米长的细结构（直径为 10-00 纳米），在电子显微照片中清晰可见（图 19-9；另见图 19-7）。胶原纤维通常会聚集成更大的线状束，直径为几微米，在光学显微镜下可见为胶原纤维。IX 型和 XII 型胶原蛋白被称为纤维相关胶原蛋白，因为它们装饰胶原纤维的表面。它们被认为将这些纤维彼此连接起来，并与细胞外基质中的其他成分连接起来。 IV 型和
VII 型是网络形成胶原蛋白：IV 型构成基底膜的主要部分，
而 VII 型分子形成二聚体，组装成称为锚定纤维的特殊结构。锚定纤维有助于将多层上皮的基底膜附着到下面的结缔组织上，因此在皮肤中特别丰富。还有许多含有短胶原样片段的“胶原样”蛋白质。这些包括 XVII 型胶原蛋白，它具有跨膜结构域，存在于半桥粒中，以及 XVIII 型胶原蛋白，它是基底膜中蛋白聚糖的核心蛋白。许多蛋白质似乎是通过重复复制原始 DNA 序列而进化的，从而产生重复的氨基酸模式。编码大多数纤维胶原蛋白的 α 链的基因提供了一个很好的例子：它们非常大（长度可达 44 千碱基），包含大约 50 个外显子。大多数外显子的长度为 54 个核苷酸或 54 个核苷酸的倍数，这表明这些胶原蛋白起源于一个原始基因的多次重复，该基因包含 54 个核苷酸，并编码六个 Gly-X-Y 重复序列（见图 19-8）。表 19 提供了本章讨论的一些胶原蛋白类型的更多详细信息。胶原蛋白链经历一系列翻译后修饰单个胶原蛋白多肽链在膜结合核糖体上合成，并作为较大的前体（称为 pro-a 链）注入内质网 (ER) 腔内。这些前体不仅具有将新生多肽引导至
图 19-9 胚胎鸡皮肤结缔组织中被胶原纤维包围的成纤维细胞。在这张电子显微照片中，纤维束排列成束，彼此几乎成直角。因此，一些纤维束呈纵向排列，而另一些则呈横截面排列。胶原纤维由成纤维细胞产生。 （摘自 C.
Ploetz 等人，J. Struct. Biol. 106:73?1, 1991。经 Elsevier 许可。）
1 祄
MBoC7 m19.40/19.39
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1134 第 19 章：细胞连接和细胞外基质
ER，但在它们的 N 端和 C 端都有额外的氨基酸，称为前肽，在胶原蛋白组装的后期步骤中被剪掉。此外，在内质网腔内，选定的脯氨酸和赖氨酸被羟基化，分别形成羟脯氨酸和羟赖氨酸，然后一些羟赖氨酸被糖基化。每个脯氨酸链与另外两个脯氨酸链结合，形成称为原胶原的三链螺旋分子。羟脯氨酸和羟赖氨酸的羟基（图 19-0）形成链间氢键，有助于稳定三链螺旋。催化脯氨酸羟基化的酶需要抗坏血酸（维生素 C）。坏血病是一种由饮食中缺乏维生素 C 引起的疾病，直到十九世纪，水手们中才普遍存在这种疾病。有缺陷的原 a 链无法形成稳定的三重螺旋，因此会降解，从而抑制新胶原纤维的产生。在健康组织中，胶原蛋白会不断降解和替换（根据组织的不同，更新时间可能是数月或数年）。坏血病会导致替换失败，在几个月内，随着基质中原有正常胶原蛋白的逐渐丢失，血管会变得脆弱，牙齿会松动，伤口会停止愈合。分泌后，纤维状原胶原蛋白分子的前肽会被细胞外的特定蛋白水解酶去除。这会将原胶原蛋白分子转化为胶原蛋白，后者在细胞外空间组装形成更大的胶原纤维。前肽至少有两个功能。首先，
表 19?胶原蛋白的某些类型及其特性
类型 聚合形式 组织分布 突变表型
形成纤维的
（纤维状）
I 纤维 骨、皮肤、肌腱、韧带、角膜、内脏
（占身体胶原蛋白的 90%）
严重骨缺损、骨折
（成骨不全症）
II 纤维 软骨、椎间盘、脊索、眼玻璃体
软骨缺陷、侏儒症
（软骨发育不良）
III 纤维 皮肤、血管、内脏
皮肤脆弱、关节松弛、血管易破裂（血管性 Ehlers朌anlos 综合征）
V 纤维（I 型） 同 I 型 皮肤脆弱、松弛关节（经典的 Ehlers?
Danlos 综合征）
XI 纤维（II 型） 同 II 型 近视、失明
纤维相关 IX 与 II 型纤维横向相关
软骨 骨关节炎
XII 与 I 型纤维横向相关
肌腱 骨骼和肌肉异常
网络形成 IV 片状网络 基底膜 肾脏疾病（肾小球肾炎）、
耳聋
VII 锚定纤维rils 位于复层鳞状上皮之下
皮肤起水泡
跨膜 XVII 非纤维状 半桥粒 皮肤起水泡
蛋白聚糖
核心蛋白
XVIII 非纤维状 基底膜 近视、视网膜脱落、脑积水
请注意，I、IV、V、IX 和 XI 型均由两种或三种类型的 α 链组成（每种情况下都是不同的、不重叠的集合），而
II、III、VII、XII、XVII 和 XVIII 型各仅由一种类型的 α 链组成。
C
+
N C
CH 2 CH 2
CH
OH
O
NH 3
CH 2
C
CH 2
CH 2
H
C
O
H
C N
H OH
蛋白质中的羟赖氨酸
蛋白质中的羟脯氨酸
MBoC7 m19.64(5th ed)/19.40
图 19?0 羟赖氨酸和羟脯氨酸。这些修饰氨基酸在胶原蛋白中很常见。它们是由赖氨酸和脯氨酸被掺入前胶原分子后起作用的酶形成的。
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1134 第 19 章：细胞连接和细胞外基质 1135 动物的细胞外基质
它们引导三链胶原分子的细胞内形成。
其次，由于它们被保留到分泌后，它们阻止了细胞内形成大的胶原纤维，这对细胞来说可能是灾难性的。
原纤维在细胞外空间形成后，会通过组成胶原蛋白分子的赖氨酸残基之间形成共价交联而大大增强（图 19-1）。所涉及的共价键类型仅在胶原蛋白和弹性蛋白中发现。如果交联受到抑制，原纤维的抗拉强度会急剧降低：胶原组织变得脆弱，皮肤、肌腱和血管等结构容易撕裂。交联的程度和类型因组织而异。例如，胶原蛋白在跟腱中交联程度特别高，而抗拉强度至关重要。
分泌的原纤维相关胶原蛋白有助于组织原纤维
与抵抗压缩力的 GAG 相比，胶原纤维形成的结构可抵抗拉力。纤维原纤维的直径各不相同，在不同组织中的排列方式也不同。例如，在哺乳动物的皮肤中，它们被编织成柳条编织图案，以抵抗多个方向的拉伸应力；皮革由这种经过适当保存的材料组成。在肌腱中，胶原纤维原纤维排列成平行束，沿着拉伸主轴排列。在成熟的骨骼和角膜中，它们排列成有序的胶合板状层，每层中的纤维原纤维彼此平行，但几乎与两侧层中的纤维原纤维成直角。蝌蚪皮肤也有同样的排列方式（图 19-2）。结缔组织细胞本身决定了胶原纤维原纤维的大小和排列方式。这些细胞可以表达一种或多种不同类型的纤维状胶原分子基因。但即使是由相同胶原蛋白混合物组成的纤维原纤维，在不同组织中的排列方式也不同。这是如何实现的？部分答案是，细胞可以通过引导胶原纤维在质膜附近形成来调节分泌后胶原分子的分布。
此外，细胞可以通过分泌不同种类和数量的其他基质大分子以及纤维状胶原来影响这种组织。
具体来说，它们会分泌纤维蛋白纤连蛋白，正如我们后面讨论的那样，这先于胶原纤维的形成并有助于引导它们的组织。
纤维相关胶原蛋白，如 IX 型和 XII 型胶原蛋白，被认为在组织胶原纤维方面特别重要。它们与纤维状胶原蛋白的不同之处在于以下方面。首先，它们的三链螺旋结构被一个或两个短的非螺旋结构域打断，这使得这些分子比纤维状胶原分子更灵活。其次，它们不会相互聚集形成细胞外空间的纤维。相反，它们以周期性的方式与由纤维状胶原蛋白形成的纤维表面结合。IX 型分子与软骨、角膜和眼玻璃体中的含 II 型胶原蛋白的纤维结合（图 19-3），而 XII 型分子与肌腱和其他各种组织中的含 I 型胶原蛋白的纤维结合。
5 祄
MBoC7 m19.41/19.42
分子内交联
分子间交联
MBoC7 m19.65(5thEd)/19.41
图 19-2 蝌蚪皮肤中的胶原蛋白纤维。这张电子显微照片显示了原纤维的胶合板状排列：连续的原纤维层几乎以直角相互排列。
这种组织也存在于成熟的骨骼和角膜中。（Jerome Gross 供图。）
图 19?1 Cr胶原纤维内修饰的赖氨酸侧链之间形成的 oss 连接。共价分子内和分子间交联分几个步骤形成。首先，细胞外酶赖氨酰氧化酶使某些赖氨酸和羟基赖氨酸脱氨基，产生高反应性的醛基。然后醛自发反应，相互之间或与其他赖氨酸或羟基赖氨酸形成共价键。大多数交联形成于胶原分子两端的短非螺旋片段之间。
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1136 第 19 章：细胞连接和细胞外基质
纤维相关胶原被认为介导胶原纤维之间的相互作用以及与其他基质大分子的相互作用，以帮助确定基质中纤维的组织。
弹性蛋白赋予组织弹性
许多脊椎动物组织，如皮肤、血管和肺，需要既坚固又有弹性才能发挥作用。这些组织的细胞外基质中的弹性纤维网络使它们具有在短暂拉伸后回缩的弹性（图 19-4）。弹性纤维的延展性至少是相同横截面积的橡皮筋的五倍。长而无弹性的胶原纤维与弹性纤维交织在一起，以限制拉伸程度并防止组织撕裂。弹性纤维的主要成分是弹性蛋白，这是一种高度疏水性的蛋白质（约 750 个氨基酸长），与胶原蛋白一样，它富含脯氨酸和甘氨酸，但与胶原蛋白不同，它没有糖基化。可溶性原弹性蛋白（弹性蛋白的生物合成前体）分泌到细胞外空间并组装成靠近质膜的弹性纤维，通常在细胞表面内褶中。分泌后，原弹性蛋白分子彼此高度交联，形成广泛的弹性蛋白纤维和片层网络。与交联胶原蛋白分子中起作用的机制类似的机制在弹性蛋白分子中的赖氨酸之间形成交联。
(A)
IX 型胶原蛋白分子
?II 型胶原蛋白纤维
(B)
(C)
100 nm
100 nm
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图 19?3 IX 型胶原蛋白。 (A) IX 型胶原蛋白分子以周期性模式结合到含有 II 型胶原蛋白的纤维表面。
(B) 软骨中旋转阴影的 II 型胶原蛋白纤维的电子显微照片，由 IX 型胶原蛋白分子装饰。 (C) 单个 IX 型胶原蛋白分子。 （B 和 C，1988 年，L. Vaughan 等人。最初发表于 J. Cell Biol. https://doi.org/10.1083/jcb.106.3.991。经洛克菲勒大学出版社许可。）
（A）
1 毫米
（B）
100 祄
MBoC7 m19.44/19.44
图 19-4 弹性纤维。这些扫描电子显微照片显示（A）狗主动脉一段的低倍视图和（B）同一血管外层纵向弹性纤维密集网络的高倍视图。所有其他成分已被酶和甲酸消化掉。 （摘自 K.S.
Haas 等人，Anat. Rec. 230:86?6, 1991。
经 Wiley-Liss 许可。）
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1136 第 19 章：细胞连接和细胞外基质 1137 动物的细胞外基质
弹性蛋白主要由两种沿多肽链交替排列的短片段组成：疏水片段，负责分子的弹性特性；以及富含丙氨酸和赖氨酸的 α 螺旋片段，它们与相邻的分子交联。每个片段由单独的外显子编码。关于弹性纤维中弹性蛋白分子的构象以及这些纤维的结构如何解释其橡胶般的特性，目前仍不确定。然而，似乎弹性蛋白多肽链的某些部分，就像普通橡胶中的聚合物链一样，采用了松散的“随机卷曲”构象，而交联成弹性纤维网络的组分分子的随机卷曲性质使网络能够像橡皮筋一样伸展和回缩（图 19-5）。弹性蛋白是动脉中的主要细胞外基质蛋白，占最大动脉——主动脉干重的 50%（见图 19-4）。弹性蛋白基因突变导致小鼠或人类缺乏该蛋白，导致主动脉和其他动脉变窄，动脉壁平滑肌细胞过度增殖。显然，动脉的正常弹性是抑制这些细胞增殖所必需的。弹性纤维并非仅由弹性蛋白组成。弹性蛋白核心被一层微纤维，每个微纤维的直径约为 10 纳米。在发育中的组织中，微纤维先于弹性蛋白出现，似乎为引导弹性蛋白沉积提供了支架。微纤维阵列本身具有弹性，在某些地方，它们在没有弹性蛋白的情况下仍然存在：例如，它们有助于将晶状体固定在眼睛中的位置。微纤维由多种不同的糖蛋白组成，包括大型糖蛋白原纤维蛋白，它与弹性蛋白结合，对弹性纤维的完整性至关重要。原纤维蛋白基因突变会导致马凡氏综合征，这是一种相对常见的人类疾病。在最严重的患者中，主动脉容易破裂；其他常见影响包括晶状体移位以及骨骼和关节异常。患病者通常身材异常高大瘦削：亚伯拉罕·林肯
被怀疑患有此病。
细胞控制并响应基质的机械特性
细胞与细胞外基质在机械和化学上相互作用，
培养研究表明，机械相互作用可对结缔组织的结构产生巨大影响。因此，当成纤维细胞与培养皿中形成凝胶的随机取向的胶原纤维网混合时，成纤维细胞会拉动网状结构，从其弹性纤维中吸收胶原蛋白
拉伸 放松 交联 单个弹性蛋白分子
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图 19-5 拉伸弹性蛋白分子网络。分子通过共价键（红色）连接在一起，形成交联网络。在这个模型中，网络中的每个弹性蛋白分子都可以像随机线圈一样伸展和收缩，因此整个组件可以像橡皮筋一样伸展和回缩。
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1138 第 19 章：细胞连接和细胞外基质
周围环境，从而导致凝胶收缩至其初始体积的一小部分。通过类似的活动，成纤维细胞簇被密集排列且沿圆周方向排列的胶原纤维包裹。
如果将两小块含有成纤维细胞的胚胎组织放在胶原凝胶上，中间的胶原蛋白会组织成一条紧密排列的纤维带，连接两个外植体（图 19-6）。成纤维细胞随后沿着排列的胶原纤维从外植体中移出。因此，成纤维细胞影响胶原纤维的排列，而胶原纤维反过来又影响成纤维细胞的分布。
成纤维细胞在组织体内细胞外基质方面可能发挥类似的作用。首先，它们合成胶原纤维并以正确的方向沉积。然后，它们对所分泌的基质进行加工，爬过并拉扯基质，从而形成肌腱和韧带，以及包围和连接大多数器官的坚韧致密的结缔组织层。
除了决定它们产生的胶原纤维的方向外，
成纤维细胞还控制细胞外基质的整体密度和组成，而细胞外基质在不同组织中的密度和组成差异很大。
某些组织，如肌腱和
软骨，由致密基质组成，这种基质比脂肪和大脑等组织的柔软弹性基质更坚硬，更耐变形。
这些差异取决于这些组织中的细胞调节产生的胶原蛋白和其他蛋白质的类型、基质蛋白合成和降解的相对速率以及胶原蛋白和弹性蛋白交联量的能力。
基质的密度反过来又调节穿过它的成纤维细胞和其他细胞的行为；例如，干细胞的增殖、迁移和发育命运受基质组成和密度的影响。异常高的基质密度与某些纤维化疾病有关，并且似乎是某些癌症的风险因素。纤连蛋白和其他多结构域糖蛋白有助于组织基质除了蛋白聚糖、胶原蛋白和弹性纤维外，细胞外基质还含有大量且种类繁多的糖蛋白，这些糖蛋白通常具有多个结构域，每个结构域都有针对其他基质大分子和细胞表面受体的特定结合位点（图 19-7）。因此，这些蛋白质有助于组织基质并帮助细胞附着在基质上。与蛋白聚糖一样，它们还通过充当细胞可以迁移的轨道或作为驱虫剂将细胞挡在禁区之外来引导发育组织中的细胞运动。它们还可以结合并影响 pept 的功能ide
生长因子和附近细胞产生的其他小分子。
1 毫米
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迁移的成纤维细胞
排列的胶原纤维
心脏
外植体
图 19-6 细胞对细胞外基质的塑造。该显微照片显示了两块胚胎鸡心脏（富含成纤维细胞和心肌细胞）之间的区域，这些心脏在胶原凝胶上培养了 4 天。外植体之间形成了一条致密的排列的胶原纤维束，这可能是由于外植体中的成纤维细胞拉扯胶原蛋白造成的。
（摘自 D. Stopak 和 A.K. Harris，Dev. Biol.
90:383-98，1982。经 Elsevier 许可。）
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1138 第 19 章：细胞连接和细胞外基质 1139 动物的细胞外基质
这类基质蛋白中最了解的成员是纤连蛋白，
一种存在于所有脊椎动物中的大型糖蛋白，对许多细胞基质相互作用很重要。无法产生纤连蛋白的突变小鼠在胚胎发生早期死亡，因为它们的内皮细胞无法形成适当的血管。
这种缺陷被认为是由于这些细胞与周围细胞外基质相互作用异常所致，而细胞外基质通常含有纤连蛋白。
纤连蛋白是由两个非常大的亚基组成的二聚体，它们通过 C 末端的二硫键连接。每个亚基包含一系列小的重复域或模块，由短段柔性多肽链隔开（图 19-8）。每个域通常由单独的外显子编码，这表明纤连蛋白基因与编码许多基质蛋白的基因一样，是通过多次外显子重复进化而来的。在人类基因组中，只有一个纤连蛋白基因，包含大约 50 个大小相似的外显子，但转录本可以以不同的方式剪接以产生多种纤连蛋白亚型（见图 19-8B）。纤连蛋白中的主要重复域称为 III 型纤连蛋白重复，其长度约为 90 个氨基酸，每个亚基至少出现 15 次。这种重复是脊椎动物中所有蛋白质结构域中最常见的。
纤连蛋白与整合素结合
分析复杂的多功能蛋白质分子（如纤连蛋白）的一种方法是合成蛋白质的各个区域并测试它们结合其他蛋白质的能力。通过这些方法和其他方法，可以证明纤连蛋白的一个区域与胶原蛋白结合，另一个区域与蛋白聚糖结合，另一个区域与各种细胞表面的特定整合素结合（见图 19-8B）。然后使用与整合素结合域不同片段相对应的合成肽来证明结合依赖于在 III 型重复之一中发现的特定三肽序列（Arg-Gly-Asp 或 RGD）（见图 19-8C）。即使是含有此 RGD 序列的非常短的肽也可以与纤连蛋白竞争细胞上的结合位点，从而抑制细胞与纤连蛋白基质的附着。除了纤连蛋白之外，几种细胞外蛋白也具有介导细胞表面结合的 RGD 序列。这些蛋白质中的许多都是细胞外基质的组成部分。许多基质糖蛋白都是大型支架蛋白，含有特定蛋白质相互作用域的多个副本。每个域都折叠成一个离散的球状结构，许多这样的域沿着蛋白质排列，就像串珠一样。该图显示了哺乳动物中发现的大约 200 种基质糖蛋白中的四种代表性蛋白质。每种蛋白质都包含多个重复域，其名称列在底部的图例中。例如，纤连蛋白包含三种不同的纤连蛋白重复序列（类型 I✓II，此处标记为 FN1、FN2 和 FN3）的大量副本。蛋白质中心附近的两个 III 型重复序列含有重要的细胞表面整合素结合位点，而附近的三个 III 型重复序列则形成肝素或硫酸肝素蛋白聚糖的结合位点。N 端的 FN 重复序列参与结合纤维蛋白或胶原蛋白。其他基质蛋白含有类似于表皮生长因子 (EGF) 的重复序列，表皮生长因子是细胞生长和增殖的主要调节剂；这些重复序列可能在基质蛋白中发挥类似的信号传导功能。其他蛋白质含有结合和调节可溶性生长因子功能的结构域，例如胰岛素样生长因子结合蛋白 (IGFBP) 重复序列。为了增加结构多样性，许多这些蛋白质由 RNA 转录本编码，这些转录本可以以不同的方式剪接，添加或去除外显子，例如纤连蛋白中的外显子。最后，许多基质蛋白的调节功能通过组装成多聚体形式得到进一步扩展，如右图所示：纤连蛋白形成在 C 末端连接的二聚体，而肌腱蛋白和血小板反应蛋白分别形成在 N 末端连接的六聚体和三聚体。
其他结构域包括来自血小板反应蛋白的四个重复序列（TSPN、TSP1、TSP3、
TSP_C）。VWC，C 型血管性血友病；
FBG，纤维蛋白原样。 （改编自 R.O.
Hynes 和 A. Naba，Cold Spring Harb.
Perspect. Biol. 4:a004903，2012。经 Cold Spring Harbor
Laboratory Press 许可。）
N C
NC
NC
?bronectin
CYR61
tenascin
thrombospondin
重复域的关键：
FN1 FN2 FN3 EGF
VWC C 端 cys knot FBG + 交替剪接外显子
TSPN TSP1 TSP3 TSP_C IGFBP
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brin brin 胶原蛋白整合素肝素
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1140 第 19 章：细胞连接和细胞外基质
细胞外基质，而其他则参与血液凝固。含有 RGD 序列的肽在抗凝血药物的开发中很有用。
有些蛇使用类似的策略使受害者流血：它们将含有 RGD 的抗凝血蛋白（称为解离素）分泌到毒液中。
与含有 RGD 的蛋白质结合的细胞表面受体是整合素家族的成员，我们将在后面详细描述。每种整合素都特异性地识别其自己的一小组基质分子，这表明紧密结合不仅仅需要 RGD 序列。此外，RGD 序列并不是唯一用于结合整合素的序列基序：许多整合素会识别并结合其他基序。
细胞施加的张力调节纤连蛋白原纤维的组装
纤连蛋白既可以以可溶形式存在，在血液和其他体液中循环，也可以以不溶性纤连蛋白原纤维的形式存在，其中纤连蛋白二聚体通过额外的二硫键相互交联并形成细胞外基质的一部分。然而，与可以在试管中自组装成原纤维的纤维状胶原分子不同，纤连蛋白分子仅在细胞表面组装成原纤维，并且仅在这些细胞具有适当的纤连蛋白结合蛋白（特别是整合素）时才组装成原纤维。整合素提供从细胞外的纤连蛋白到细胞内的肌动蛋白细胞骨架的连接。该连接将张力传递给纤连蛋白分子（前提是它们还附着于其他结构）并拉伸它们，从而暴露纤连蛋白分子中的隐秘结合位点（图 19-9）。这使它们
(A)
100 nm
(B) (C)
胶原蛋白结合
整合素结合
肝素结合
协同作用
序列
RGD 序列
Arg
Gly
Asp
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N
N
CC
SS
SS
图 19-8 纤连蛋白二聚体的结构。 (A) 单个纤连蛋白二聚体分子的电子显微照片，用铂标记；红色箭头标记连接的 C 末端。 (B) 两条多肽链相似但通常不相同（由相同基因但不同剪接的 mRNA 组成）。它们由 C 末端附近的两个二硫键连接。每条链长近 2500 个氨基酸，折叠成多个域（见图 19-7）。如图所示，一些域专门用于结合特定分子。为简单起见，并未显示所有已知的结合位点。 (C) 第九和第十个 III 型纤连蛋白重复序列的三维结构，由 x 射线晶体学确定。Arg-Gly-Asp (RGD) 和“协同作用”红色显示的序列对于结合细胞表面的整合素很重要。 （A，来自 J. Engel 等人，J. Mol. Biol. 150:97-20, 1981。经 Elsevier 许可；C，来自 D.J. Leahy，Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 13:363-93, 1997。经 Annual Reviews 许可。）
图 19-9 纤连蛋白的张力感应。一些 III 型纤连蛋白重复序列被认为在纤连蛋白被拉伸时展开。展开会暴露与其他纤连蛋白分子相互作用的隐秘结合位点，从而形成如图 19-0 所示的纤连蛋白细丝。 （摘自
V. Vogel 和 M. Sheetz，Nat. Rev. Mol. Cell
Biol. 7:265-75, 2006。经 Springer Nature 许可。）
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1140 第 19 章：细胞连接和细胞外基质 1141 动物的细胞外基质
直接相互结合并募集额外的纤连蛋白分子
形成原纤维（图 19-0）。这种对张力的依赖和与细胞表面的相互作用确保了纤连蛋白原纤维在有机械需要的地方聚集
脚手架而不是在血液等不适当的位置。
许多其他细胞外基质蛋白含有多个 III 型纤连蛋白重复序列（见图 19-7），施加在这些蛋白质上的张力也可能揭示隐秘的结合位点，从而影响它们的行为。
基底膜是细胞外基质的一种特殊形式
到目前为止，在本节中，我们回顾了主要类别的细胞外基质成分的结构和功能的一般原理。
我们现在描述其中一些成分如何组装成一种称为基底膜（也称为基底膜）的特殊类型的细胞外基质。这种极薄、坚韧、柔韧的基质分子片是所有上皮细胞的基本基础。虽然体积小，但它在身体结构中起着关键作用。和钙粘蛋白一样，它似乎是所有多细胞动物共有的特征之一，而且似乎在多细胞动物进化的早期就出现了。基底膜的主要分子成分是最古老的细胞外基质大分子之一。基底膜通常厚 40-20 纳米。它位于上皮细胞下方，还包围单个肌肉细胞、脂肪细胞和施万细胞（它们包裹周围神经细胞轴突形成髓鞘）。因此，基底膜将这些细胞和上皮与下层或周围的结缔组织分开，并在它们之间形成机械连接。在其他位置，例如肾小球，基底膜位于两个细胞片之间，起选择性过滤器的作用（图 19-1）。然而，基底膜不仅仅具有简单的结构和过滤作用。它们能够决定细胞极性；
影响细胞代谢；组织相邻质膜中的蛋白质；
促进细胞存活、增殖或分化；并作为细胞迁移的通道。
层粘连蛋白和 IV 型胶原蛋白是基底层的主要成分
基底层由其两侧的细胞合成：上皮细胞
贡献一组基底层成分，而下层结缔组织床（称为基质，希腊语为“edding”）的细胞贡献另一组（图 19-2）。虽然成熟基底层的确切组成因组织而异，甚至同一层的不同区域也不同，但它通常含有糖蛋白层粘连蛋白、IV 型胶原蛋白和巢蛋白，以及蛋白聚糖基底膜蛋白。其他常见的基底层成分是纤连蛋白和 XVIII 型胶原蛋白（胶原家族的非典型成员，形成蛋白聚糖的核心蛋白）。
图 19-0 纤连蛋白组织成原纤维在细胞表面。此荧光显微照片显示了迁移的小鼠成纤维细胞的前端。细胞外纤连蛋白染成绿色，细胞内肌动蛋白丝染成红色。纤连蛋白最初以小点状聚集体的形式存在于细胞前缘附近。它聚集在粘着斑（肌动蛋白丝的锚定点，稍后讨论）处，并组织成与肌动蛋白丝平行的纤维。跨越细胞膜的整合素分子将细胞外的纤连蛋白与细胞内的肌动蛋白丝连接起来（见图 19-6）。通过这种连接对纤连蛋白分子施加的张力被认为会拉伸它们，从而暴露出促进纤维形成的结合位点。 （感谢 Roumen Pankov 和 Kenneth Yamada 提供。）
图 19-1 基底膜的三种组织方式。基底膜片（黄色）包围某些细胞（例如骨骼肌细胞），位于上皮之下，并介于两个细胞片之间（如肾小球）。
请注意，在肾小球中，两个细胞片之间都有间隙，基底膜具有过滤和支持功能，有助于确定哪些分子会从血液进入尿液。过滤还取决于其他基于蛋白质的结构，称为裂隙隔膜，它们横跨上皮片中的细胞间隙。
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10 祄
肌肉
基底膜
肌细胞 质膜
结缔组织
上皮
腔或
外表面
结缔组织 基底膜
肾 肾小球
血液 内皮细胞
上皮细胞
尿液
基底膜
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1142 第 19 章：细胞连接和细胞外基质
层粘连蛋白是片状结构的主要组织者，在发育早期，基底膜主要由层粘连蛋白分子组成。层粘连蛋白构成一个庞大的蛋白质家族，每个家族都由由三条长多肽链（a、? 和 ?）组成，这些多肽链通过二硫键连接在一起，排列成不对称的花束形状，就像一束三朵花，花茎在底部扭在一起，但花头保持分开（图 19-3）。这些异三聚体可以在体外自组装成网络，主要是通过它们的头部之间的相互作用，尽管需要与细胞相互作用才能将网络组织成有序的薄片。因为每种类型的链都有几种同工型，并且
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上覆上皮细胞
下覆结缔组织
20 祄
图 19-2 基底膜支撑上皮细胞片。在这张小肠横截面的光学显微照片中，柱状上皮细胞片位于基底膜上（红色箭头）。胶原纤维网络和下层结缔组织中的其他纤维与基底膜的下表面相互作用。（Jose Luis Calvo/ Shutterstock。）图 19-3 层粘连蛋白的结构。（A）最容易理解的家族成员是层粘连蛋白-111，此处显示了其与其他分子的一些结合位点（灰色框）。层粘连蛋白是多结构域糖蛋白，由三种多肽（a、? 和 ?）组成，这些多肽通过二硫键结合成不对称的十字状结构。每条多肽链的长度超过 1500 个氨基酸。五种类型的 a 链、四种类型的 ? 链和三种类型的 ?已知有 100 多个链，这些亚基的各种组合可以组装成各种不同的层粘连蛋白，这些层粘连蛋白根据分配给其三个亚基的编号命名：例如，层粘连蛋白-111 包含 a1、? 和 ?1 亚基。每种亚型往往具有特定的组织分布：层粘连蛋白-332 存在于皮肤中，层粘连蛋白-211 存在于肌肉中，层粘连蛋白-411 存在于血管内皮细胞中。通过它们与其他蛋白质的结合位点，层粘连蛋白分子在组织基底膜并将其锚定到细胞中起着核心作用。（B）用铂标记的层粘连蛋白分子的电子显微照片。 （B，来自 J. Engel 等人，J. Mol. Biol. 150:97-20,
1981。经 Elsevier 许可。）
（A）（B）
50 nm
自
组装
自
组装
整合素
整合素
肌营养不良蛋白
基底膜蛋白
巢蛋白
卷曲螺旋结构域
20 nm
?链
?链
a链
H2N
NH2
NH2
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1142 第 19 章：细胞连接和细胞外基质 1143 动物的细胞外基质
这些可以以各种组合结合，可以产生许多不同的层粘连蛋白，从而产生具有独特特性的基底膜。然而，层粘连蛋白?1链是大多数层粘连蛋白异三聚体的组成部分；缺乏该基因的小鼠在胚胎发育过程中会死亡，因为它们无法形成基底膜。IV 型胶原蛋白是成熟基底膜的第二个基本成分，它也存在几种同工型。与构成骨或肌腱等结缔组织中蛋白质大部分的纤维状胶原蛋白一样，IV 型胶原蛋白分子由三个单独合成的长蛋白质链组成，这些长蛋白质链扭在一起形成绳状超螺旋；然而，它们与纤维状胶原蛋白的不同之处在于，三链螺旋结构在 20 多个区域被打断，允许多次弯曲。IV 型胶原蛋白分子通过其末端结构域相互作用，在细胞外组装成一个灵活的、毡状的网络，从而赋予基底膜抗拉强度。层粘连蛋白和 IV 型胶原蛋白与其他基底膜成分（如糖蛋白巢蛋白和蛋白聚糖底物）相互作用，从而形成高度交联的蛋白质和蛋白聚糖网络（图 19-4）。产生初始片状结构的层粘连蛋白分子首先相互连接，同时与细胞表面的受体结合。细胞表面受体主要是整合素家族的成员，但另一种重要的层粘连蛋白受体是肌营养不良蛋白，这是一种高度糖基化的跨膜蛋白。这些受体共同组织基底膜组装：它们用脚抓住层粘连蛋白分子，使层粘连蛋白头部处于相互作用的位置，从而形成二维网络。然后，该层粘连蛋白网络协调其他基底膜成分的组装。层粘连蛋白和细胞表面受体之间的相互作用对于上皮细胞粘附到下面的结缔组织至关重要。例如，在皮肤中，上皮外层——表皮——依赖于与基底膜的紧密相互作用，以保持其与下面的真皮的连接。在皮肤基底膜的关键成分层粘连蛋白-332 存在遗传缺陷的人中，表皮与真皮的连接很差。ermis。这会导致一种称为连接性大疱性表皮松解症的水疱性疾病，这是一种严重且有时致命的疾病。
基底膜具有多种功能
基底膜可以作为细胞运动的选择性屏障，也可以作为分子的过滤器。例如，上皮下面的层通常阻止下层结缔组织中的成纤维细胞接触
perlecan
(B) (A)
IV 型
胶原蛋白
层粘连蛋白
巢蛋白
质膜巢蛋白
perlecan
层粘连蛋白
IV 型胶原蛋白
整合素
整合素
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图 19?4 基底膜分子结构模型。 (A)
基底膜由层粘连蛋白、IV 型胶原蛋白和巢蛋白与蛋白聚糖底物蛋白聚糖之间的特定相互作用 (B) 形成。B 中的箭头连接可以直接相互结合的分子。IV 型胶原蛋白和层粘连蛋白有各种亚型，每种亚型都有独特的组织分布。
质膜中的跨膜层粘连蛋白受体（整合素和肌营养不良蛋白聚糖）被认为组织了基底膜的组装；仅显示了整合素。 （基于 H. Colognato 和 P.D.
Yurchenco，Dev. Dyn. 218:213?34, 2000。
经 John Wiley & Sons 许可。）
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1144 第 19 章：细胞连接和细胞外基质
与上皮细胞。然而，它不会阻止巨噬细胞、淋巴细胞或
神经过程穿过它，而是使用专门的蛋白酶
为它们的过境切开一个洞。基底膜在损伤后的组织再生中也发挥着重要作用。当肌肉、神经和上皮等组织中的细胞受损或死亡时，基底膜通常会存活下来，并提供再生细胞可以沿其迁移的支架。这样，原始组织结构就很容易重建。
关于基底膜在再生中的作用的一个特别引人注目的例子来自神经肌肉接头的研究，神经肌肉接头是运动神经元的神经末端与骨骼肌细胞形成化学突触的部位（第 11 章讨论）。在脊椎动物中，包围肌肉细胞的基底膜将突触处的神经细胞和肌肉细胞质膜分开，并且基底膜的突触区域具有独特的化学特性，具有 IV 型胶原蛋白和层粘连蛋白的特殊异构体以及称为集聚蛋白的蛋白聚糖。神经或肌肉受伤后，突触处的基底膜在正确位置重建突触方面起着核心作用（图 19-5）。
突触处基底膜成分的缺陷是某些形式的肌营养不良症的原因，在这种疾病中，肌肉正常发育，但在生命后期退化。
细胞必须能够降解基质，以及制造基质
细胞降解和破坏细胞外基质的能力与它们制造和结合细胞外基质的能力同样重要。在组织修复等过程中，基质需要快速降解，即使在成年动物看似静止的细胞外基质中，也存在缓慢而持续的周转，基质大分子被降解并重新合成。例如，这使得骨骼能够被重塑，以适应其所受压力的变化。
从单个细胞的角度来看，穿透基质的能力在两个方面至关重要：它使它们能够在嵌入基质时分裂，并使它们能够穿过基质。结缔组织中的细胞通常需要能够伸展才能分裂。如果细胞缺乏降解周围基质所需的酶，则会受到强烈抑制，无法分裂和迁移。
肌肉细胞
切割，使其
退化
神经
切割
退化的肌肉和神经
再生的肌肉纤维
再生的神经纤维
再生的神经
返回到原始连接点
新的乙酰胆碱受体
集中在原始连接点
连接基底膜
残留基底膜的外壳
神经肌肉连接
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图 19?5
再生实验
展示了神经肌肉连接处连接基底膜的特殊性质。如果青蛙肌肉及其运动神经被破坏，则每个肌肉细胞周围的基底膜仍保持完整，旧神经肌肉接头的位置仍可辨认。当神经而非肌肉再生时（右上），连接基底膜会将再生神经引导至原始突触位点。当肌肉而非神经再生时（右下），连接基底膜会导致新产生的乙酰胆碱受体（蓝色）在原始突触位点聚集。这些实验表明，连接基底膜控制着突触成分在基底膜两侧的定位。一些负责这些影响的分子已被确定。例如，运动神经元轴突在连接基底膜中沉积集聚蛋白，在那里，它调节肌细胞连接质膜中乙酰胆碱受体和其他蛋白质的组装。相反，肌细胞在连接基底膜中沉积一种特定的层粘连蛋白同工酶，这种分子很可能与神经元突触前膜上的特定离子通道相互作用。 MBOC7_ptr_ch19_1105-1162.indd 1144 MBOC7_ptr_ch19_1105-1162.indd 1144 02/12/21 12:26 PM 02/12/21 12:26 PM
1144 第 19 章：细胞连接和细胞外基质 1145 动物的细胞外基质
当细胞必须摆脱基底膜的限制时，基质成分的局部降解也是必需的。例如，在腺体等上皮结构正常分支生长过程中，需要进行局部降解，以增加上皮细胞的数量，当白细胞因感染或损伤而穿过血管基底膜进入组织时，也需要局部降解。基质降解对于癌细胞在体内的扩散和它们在侵入的组织中增殖的能力都很重要（第 20 章将讨论）。一般来说，基质成分由作用于产生它们的细胞附近的细胞外蛋白水解酶（蛋白酶）降解。许多这样的蛋白酶属于两大类之一。最大的一类是基质金属蛋白酶，在脊椎动物中有大约 50 种成员，它们的活性取决于结合的 Ca2+ 或 Zn2+。第二类是丝氨酸蛋白酶，它们的活性位点有一个反应性丝氨酸。金属蛋白酶和丝氨酸蛋白酶共同降解基质蛋白，如胶原蛋白、层粘连蛋白和纤连蛋白。一些金属蛋白酶，如胶原酶，具有高度特异性，可在少数位点裂解特定蛋白质。这样，基质的结构完整性在很大程度上得以保留，而发生的有限量的蛋白水解足以使细胞迁移。其他金属蛋白酶可能不那么具体，但由于它们锚定在质膜上，所以只在需要的地方起作用；这种类型的基质金属蛋白酶对于细胞嵌入基质时分裂的能力至关重要。显然，如果身体结构不崩溃，就必须严格控制降解基质的蛋白酶的活性。因此，采用多种机制来确保基质蛋白酶仅在正确的时间和地点被激活。蛋白酶活性通常被特定的锚定蛋白、膜相关激活剂和在不需要蛋白酶活性的区域产生特定的蛋白酶抑制剂限制在细胞表面。基质蛋白的蛋白水解裂解并不总是导致其被破坏，有时还会产生具有特定生物活性的蛋白质片段。例如，基质金属蛋白酶裂解 IV 型胶原蛋白会导致释放抑制血管局部形成的蛋白质片段。同样，某些组织中层粘连蛋白的裂解可以产生有助于控制局部细胞增殖的蛋白质片段。
基质蛋白聚糖和糖蛋白调节分泌蛋白的活性
细胞外基质的物理特性对于其作为组织结构支架和细胞锚定和迁移底物的基本作用非常重要。基质对细胞信号传导也有重要影响。细胞通过分泌肽信号分子（如生长因子和形态发生素）相互通信，这些信号分子通过细胞外液扩散以影响其他细胞（第 15 章讨论）。在到达目标的途中，信号分子会遇到紧密编织的细胞外基质网状结构，该基质含有高密度的负电荷和蛋白质相互作用域，可以与信号分子相互作用，从而以多种方式改变其功能。例如，蛋白聚糖的高电荷肝素硫酸链与许多分泌的信号分子相互作用，包括成纤维细胞生长因子 (FGF) 和血管内皮生长因子 (VEGF)，这些信号分子（除其他作用外）刺激多种细胞类型增殖。通过提供密集的生长因子结合位点，蛋白聚糖被认为能够产生这些因子的大型局部储存库，限制它们的扩散并将它们的作用集中在附近的细胞上。同样，蛋白聚糖可能有助于在胚胎中产生陡峭的形态发生素梯度，这对于发育过程中组织的模式形成非常重要。FGF 活性也可以通过蛋白聚糖增强，蛋白聚糖使 FGF 分子寡聚化并与
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1146 第 19 章：细胞连接和细胞外基质
细胞表面 FGF 受体相互作用，使 FGF 能够更有效地交联和激活其受体。蛋白聚糖作为信号分子分布和活性调节剂的重要性体现在当特定蛋白聚糖因突变而失活时可能发生的严重发育缺陷。例如，在果蝇中，几种信号蛋白在发育过程中的功能受与膜相关蛋白聚糖 Dally 和 Dally-like 相互作用的控制。这些蛋白聚糖家族成员，如前面描述的多配体蛋白聚糖，是与多个硫酸肝素分子连接的膜相关蛋白。它们被认为将信号蛋白集中在特定位置，并充当与传统细胞表面受体蛋白协同作用的共受体；因此，它们促进信号在正确位置的传导，并阻止信号在错误位置的传导。在果蝇卵巢中，Dally 部分负责限制一种名为 Dpp 的信号蛋白的定位和功能，这种蛋白会阻止生殖系干细胞的分化：当编码 Dally 的基因发生突变时，Dpp 活性会大大降低，卵母细胞发育异常。
其他几种基质分子与信号蛋白相互作用。例如，基底膜的 IV 型胶原蛋白与果蝇中的 Dpp 相互作用。
纤连蛋白含有与 VEGF 相互作用的 III 型纤连蛋白重复序列和与肝细胞生长因子 (HGF) 相互作用的另一个结构域，从而促进这些因子的活性。如前所述，许多基质糖蛋白含有大量结合结构域，这些结构域的排列可能会影响信号蛋白向其靶细胞的呈递（见图 19-7）。
最后，许多基质糖蛋白含有直接与特定细胞表面受体结合的结构域，从而产生影响细胞行为的信号，正如我们在下一节中描述的。
摘要
细胞嵌入复杂的细胞外基质中，该基质不仅将细胞结合在一起，还影响它们的生存、发育、形状、极性和迁移行为。基质包含各种蛋白质纤维，这些纤维交织在糖胺聚糖 (GAG) 链网络中。GAG 是带负电荷的多糖链（透明质酸除外），它们与蛋白质共价连接形成蛋白聚糖分子。GAG 吸引水并占据大量细胞外空间。蛋白聚糖也存在于细胞表面，它们通常作为辅助受体帮助细胞对分泌的信号蛋白作出反应。纤维形成蛋白赋予基质强度和弹性。
纤维状胶原蛋白是绳状的三链螺旋分子，在细胞外空间聚集成长纤维，从而提供拉伸强度。它们还形成细胞可以锚定的结构，通常通过大型多域糖蛋白（如层粘连蛋白和纤连蛋白）与细胞表面的整合素结合。弹性由弹性蛋白分子提供，弹性蛋白分子形成广泛的交联纤维和薄片网络，可以拉伸和回缩。
基底膜是一种特殊形式的细胞外基质，位于上皮细胞下方或包裹在某些其他细胞类型（如肌肉细胞）周围。基底膜由层粘连蛋白分子框架组织，层粘连蛋白分子通过其侧臂连接在一起，并与上皮细胞基底质膜中的整合素和其他受体结合。IV 型胶原蛋白分子与蛋白巢蛋白和大型蛋白多糖蛋白聚糖一起组装成片状网状结构，这是成熟基底膜的重要组成部分。基底膜为上皮提供机械支撑；它们形成上皮和结缔组织之间的界面和附着；它们在肾脏中充当过滤器；它们充当屏障以将细胞保持在适当的隔间中；它们影响细胞极性和细胞分化；并且它们在发育和组织再生过程中引导细胞迁移。
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1146 第 19 章：细胞连接和细胞外基质 1147 细胞基质连接
细胞基质连接
细胞制造细胞外基质，组织基质会吸收并降解它。基质又会对细胞产生强大的影响。这种影响主要通过充当基质受体的跨膜细胞粘附蛋白来发挥。这些蛋白质将细胞外的基质与细胞内的细胞骨架联系起来，但它们的作用远远超出了简单的被动机械附着。通过它们，基质的成分可以影响细胞行为的几乎任何方面。基质受体在上皮细胞中起着至关重要的作用，介导上皮细胞与下方的基底膜的相互作用。它们在结缔组织细胞中也同样重要，介导细胞与周围基质的相互作用。几种类型的分子可以作为基质受体或辅助受体，包括跨膜蛋白聚糖。但动物细胞上与大多数细胞外基质蛋白结合的主要受体是整合素。与钙粘蛋白和基底膜的关键成分一样，整合素是多细胞动物特有的基本结构工具包的一部分。
这个跨膜粘附分子大家族的成员具有在质膜上双向传递信号的非凡能力。基质成分与整合素的结合可以向细胞内部发送信息，而细胞内部的条件可以向外发送信号以控制整合素与基质的结合。施加在整合素上的张力可以使其加强对细胞内和细胞外结构的控制，而张力的丧失会使其松动，从而使分子信号复合物在膜的两侧解体。这样，整合素不仅可以传递机械和分子信号，还可以将一种信号转换为另一种信号。
整合素是连接细胞外基质和细胞骨架的跨膜异二聚体
整合素有很多种，但它们都以类似的方式运作。
整合素分子由两个非共价结合的糖蛋白亚基组成，称为a和？ 两个亚基都跨越细胞膜，具有短的细胞内C末端尾巴和大的N末端细胞外结构域
（图19-6）。细胞外结构域与细胞外基质蛋白中的特定氨基酸序列基序结合，或在某些情况下与表面蛋白质结合
活性整合素亚基
活性整合素亚基
细胞外基质蛋白
talin
vinculin
actin ?丝状体
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kindlin
CYTOSOL
图 19?6 活性整合素分子的亚基结构，将细胞外基质与肌动蛋白细胞骨架连接。整合素链的 N 端头部直接附着于细胞外蛋白，例如纤连蛋白；整合素亚基的 C 端细胞内尾部与与丝状肌动蛋白相互作用的衔接蛋白结合。最容易理解的衔接子是一种称为 talin 的巨型蛋白质，它包含一串多个结构域，用于结合肌动蛋白和其他蛋白质，例如粘着斑蛋白，有助于加强和调节与肌动蛋白丝的连接。 talin 的一端与整合素 α 亚基胞质尾部上的特定位点结合；其他调节蛋白，例如 kindlin，与尾部的另一个位点结合。
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1148 第 19 章：细胞连接和细胞外基质
其他细胞。整合素最容易理解的结合位点是前面提到的 RGD 序列（见图 19-8），它存在于纤连蛋白和其他细胞外基质蛋白中。一些整合素与纤连蛋白和其他蛋白质中的 Leu-Asp-Val (LDV) 序列结合。层粘连蛋白和胶原蛋白中存在额外的整合素结合序列。
人类含有 24 种整合素，它们由 8 种不同的 ? 链基因和 18 种不同的 α 链基因的产物形成，这些基因以不同的组合二聚化。每个整合素二聚体都有特定的特性和功能。
此外，由于不同细胞类型中的相同整合素分子可能具有不同的配体结合特异性，因此似乎额外的细胞类型特异性因子可以与整合素相互作用以调节其结合活性。整合素与其基质配体的结合也受到细胞外介质中 Ca 2+ 和 Mg2+ 浓度的影响，这反映了 α 和 ? 亚基中二价阳离子结合域的存在。二价阳离子影响整合素与其细胞外配体结合的亲和力和特异性。整合素二聚体的细胞内部分与几种不同蛋白质的复合物结合，这些蛋白质共同形成与细胞骨架的连接。对于 24 种人类细胞中除一种外的所有细胞，整合素，这种细胞内连接是肌动蛋白丝。这些连接依赖于在整合素亚基的短细胞质尾部组装的蛋白质（见图 19-6）。在许多情况下，一种称为 talin 的大型衔接蛋白是连接的组成部分，但也涉及许多其他蛋白质。与钙粘蛋白形成的肌动蛋白连接细胞连接一样，整合素形成的肌动蛋白连接细胞基质连接可能很小、不显眼且短暂，也可能很大、突出且持久。后者的例子是当成纤维细胞有足够的时间在培养皿的刚性表面上建立牢固附着时形成的粘着斑，以及将肌肉细胞附着到其肌腱上的肌腱连接。在上皮中，最突出的细胞基质附着位点是半胱氨酸 -
...亚基形成二聚体，至少有 12 个不同的 a 亚基，存在于几乎所有脊椎动物细胞中：a5? 是纤连蛋白受体，a6? 是层粘连蛋白
上皮细胞
角蛋白丝
半桥粒
基底膜
角蛋白
BP230
网蛋白
整合素 (a6?)
层粘连蛋白
XVII 型胶原蛋白
IV 型胶原蛋白
(A)
(B)
MBoC7 m19.56/19.57
图 19?7 半桥粒。(A)
半桥粒将上皮细胞点焊到基底膜上，将细胞外的层粘连蛋白与细胞内的角蛋白丝连接起来。(B) 半桥粒的分子成分。一种特殊的整合素（a6?整合素）横跨膜，通过称为网蛋白和BP230的衔接蛋白在细胞内附着于角蛋白丝，并在细胞外附着于层粘连蛋白。与整合素同时，粘合复合物还含有一种不寻常的胶原蛋白家族成员，称为XVII型胶原蛋白；它有一个跨膜结构域附着在其细胞外胶原蛋白区域上。这些成分中的任何一个缺陷都可能导致皮肤水疱病。一种这样的疾病称为大疱性类天疱疮，是一种自身免疫性疾病，其中免疫系统会产生针对XVII型胶原蛋白或BP230的抗体。
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1148 第 19 章：细胞连接和细胞外基质 1149 细胞基质连接
受体在许多类型的细胞上。不能制造任何 ?1 整合素的突变小鼠在胚胎发育早期死亡。仅无法制造
a7 亚基（肌肉中 ? 的伴侣）的小鼠存活但会患上肌营养不良症
（无法制造 a7? 整合素的层粘连蛋白配体的小鼠也是如此）。
?亚基与至少四种类型的亚基形成二聚体，并专门表达在白细胞表面，在使这些细胞抵抗感染方面起着重要作用。 ? 整合素主要介导细胞间相互作用，而不是细胞基质相互作用，与另一个细胞（例如内皮细胞）上的特定配体结合。 这些配体是细胞粘附分子 Ig 超家族的成员。 我们在本章前面已经描述了一个例子：白细胞上的此类整合素（L?，也称为 LFA1）使它们能够牢固地附着在感染部位的血管内皮细胞上的 Ig 家族蛋白 ICAM1 上（见图 19?8B）。 患有遗传性疾病白细胞粘附缺陷的人无法合成功能性 ? 亚基。因此，他们的白细胞缺乏整个 ? 受体家族，并反复遭受细菌感染。
? 整合素存在于血小板（以及各种其他细胞）中，
它们与几种基质蛋白结合，包括凝血因子纤维蛋白原。血小板必须与纤维蛋白原相互作用才能介导正常的血液凝固，
患有格兰茨曼病的人在遗传上缺乏 ? 整合素，
会出现凝血功能障碍并大量出血。
整合素可以在活性和非活性构象之间切换
细胞在组织中爬行——例如成纤维细胞或巨噬细胞，或上皮细胞沿基底膜迁移——以便能够建立和断开与基质的附着，并且如果要快速移动，则必须快速完成。同样地，循环白细胞必须能够打开或关闭其与内皮细胞结合的倾向，以便在炎症部位爬出血管。此外，在所有这些情况下，细胞外附着物的形成和破坏都必须与细胞外附着物的迅速组装和拆卸相结合。
表 19? 一些类型的整合素
整合素配体*分布
亚基突变时的表型
亚基突变时的表型
a5? 纤连蛋白 普遍存在 胚胎死亡；血管、体节、神经嵴缺陷
胚胎早期死亡（植入时）
a6? 层粘连蛋白 普遍存在 严重的皮肤起泡；其他上皮也有缺陷
胚胎早期死亡（植入时）
a7?层粘连蛋白 肌肉 肌营养不良症；肌腱连接缺陷
胚胎早期死亡
（植入时）
aL? (LFA1) Ig 超家族
反受体
（ICAM1）
白细胞 白细胞募集受损
白细胞粘附缺陷
（LAD）；炎症反应受损；复发性危及生命的感染
aIIb? 纤维蛋白原 血小板 出血；无血小板聚集
（格兰茨曼病）
出血；无血小板聚集
（格兰茨曼病）；轻度骨质硬化
a6? 层粘连蛋白 上皮中的半桥粒
严重皮肤起水泡；其他上皮也有缺陷
严重皮肤起水泡；其他上皮细胞中的缺陷也
* 未列出所有配体。
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1150 第 19 章：细胞连接和细胞外基质
细胞内的细胞骨架附着。跨越膜并介导附着的整合素分子不能仅仅是两端有粘性斑块的被动刚性物体。它们必须能够在活跃状态（它们很容易形成附着）和非活跃状态（它们不会形成附着）之间切换。
结构研究结合了电子显微镜和 X 射线晶体学，表明整合素以多种结构构象存在，反映不同的活性状态（图 19-8）。在非活性状态下，整合素二聚体的外部片段折叠在一起形成紧凑的结构，与基质蛋白的结合较差。在这种状态下，二聚体的细胞质尾部钩在一起，阻止它们与细胞骨架连接蛋白相互作用。在活性状态下，两个整合素亚基在膜上脱钩，露出细胞质衔接蛋白的细胞内结合位点，外部结构域像一对腿一样展开和延伸，露出亚基尖端的高亲和力基质结合位点。因此，从非活性状态到活性状态的转换取决于一个主要的构象变化，这种变化同时暴露了整合素分子末端的外部和内部配体结合位点。外部基质结合和内部细胞骨架连接由此耦合。根据细胞的需要，非活性状态和活性状态之间的转换由多种机制调节。在某些情况下，激活是通过“由外而内”的机制发生的：外部基质蛋白的结合，例如纤连蛋白的 RGD 序列，可以驱动一些整合素从低亲和力的非活性状态转换为高亲和力的活性状态。因此，talin 和其他细胞质衔接蛋白的结合位点暴露在链的尾部。这些衔接蛋白的结合导致肌动蛋白丝附着到整合素分子的细胞内末端（见图 19-6）。这样，当整合素在细胞外抓住其配体时，细胞通过将整合素分子与细胞骨架结合而做出反应，从而可以在细胞附着点施加力。因果链也可以反向运作。这种“由内而外”的整合素激活过程通常依赖于细胞内调节信号，这些信号刺激肌动蛋白和其他蛋白质与整合素α链相互作用的能力。肌动蛋白与整合素α链竞争其在α链尾部的结合位点。因此，当肌动蛋白与α链结合时，它会阻断细胞内的α连接，使整合素分子的两条腿分开。 “由内而外”整合素激活的调节在血小板中尤为明显，其中一种称为凝血酶的细胞外信号蛋白与细胞表面的特定 G 蛋白偶联受体 (GPCR) 结合，从而激活导致整合素激活的细胞内信号通路（图 19-9）。类似的信号通路很可能控制着许多其他细胞类型中的整合素激活。
a
?
非活性整合素 活性整合素 强配体结合 强衔接蛋白结合
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5 nm
图 19-8 整合素ins 有两种主要的活性状态。基于 x 射线晶体学和其他方法的数据，整合素分子的非活性（折叠）和活性（延伸）结构。
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1150 第 19 章：细胞连接和细胞外基质 1151 细胞基质连接
整合素聚集形成强粘附
整合素与其他细胞粘附分子一样，不同于激素和其他细胞外可溶性信号分子的细胞表面受体，因为它们通常以较低的亲和力结合配体，并且在细胞表面的浓度高出 10 到 100 倍。前面在钙粘蛋白粘附（见图 19?C）中提到的 Velcro 原理也在这里起作用。整合素在活化后聚集在一起形成致密斑块，其中许多整合素分子锚定在细胞骨架丝上。由此产生的蛋白质结构可能非常大且复杂，如成纤维细胞在培养皿的纤连蛋白涂层表面上形成的粘着斑。成熟细胞基质连接复合物的组装取决于数十种不同支架和信号蛋白的募集。肌动蛋白是许多细胞基质复合物的主要成分，但许多其他蛋白质也做出了重要贡献。这些包括整合素连接激酶 (ILK) 及其结合伙伴 pinch 和 parvin，它们共同形成三聚体复合物，在许多连接处充当组织枢纽。细胞基质连接还利用多种肌动蛋白结合蛋白，如黏着斑蛋白、zyxin、VASP 和 α-肌动蛋白，来促进肌动蛋白丝的组装和组织。许多细胞基质连接的另一个关键成分是粘着斑激酶 (FAK)，它与连接中的多种成分相互作用，并在信号传导中发挥重要作用，我们将很快对此进行描述。
细胞外基质附着通过整合素控制细胞增殖和存活
与其他跨膜细胞粘附蛋白一样，整合素的作用不仅仅是建立附着。它们还激活细胞内信号通路，从而根据周围基质的性质和细胞对基质的附着状态控制细胞行为的几乎任何方面。
许多细胞除非附着在细胞外基质上，否则在培养中不会生长或增殖；培养基中的营养物质和可溶性丝裂原是不够的。对于某些细胞类型，包括上皮细胞、内皮细胞和肌肉细胞
活性 talin
vinculin
actin ?fiment
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GT P GDP
GT P GDP
GT P RIAM
RIAM
RIAM
非活性
talin
actin-binding
domain
integrin-binding
domain
kindlin
凝血酶
凝血酶
受体
非活性
integrin
活性
integrin
Rap1
CYTOSOL
图 19?9 通过细胞内信号激活整合素。从细胞外接收到的信号可通过细胞内信号蛋白起作用，刺激整合素活化。如图所示，在血小板中，细胞外信号蛋白凝血酶激活细胞表面的 G 蛋白偶联受体，从而启动信号通路，导致单体 GTPase 家族成员 Rap1 活化。活化的 Rap1 与蛋白质 RIAM 相互作用，然后 RIAM 将 talin 募集到质膜。在此募集之前，talin 通过其 C 端肌动蛋白结合域和 N 端整合素结合域之间的相互作用处于非活性状态。当 RIAM 将 talin 募集到质膜时，talin 展开以暴露其整合素和肌动蛋白的结合位点。talin 与另一种称为 kindlin 的蛋白质一起与整合素 ? 链相互作用，触发整合素活化。然后，肌动蛋白与肌动蛋白和衔接蛋白（如黏着斑蛋白）相互作用，导致形成多个肌动蛋白连接（见图 19-6 和图 19-1）。
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1152 第 19 章：细胞连接和细胞外基质
细胞，甚至细胞存活都依赖于这种连接。当这些细胞与细胞外基质失去联系时，它们就会发生细胞凋亡。细胞生长、增殖和存活对附着在基质上的依赖被称为锚定依赖性，它主要由整合素及其产生的细胞内信号介导。破坏或超越这种控制形式的突变，使细胞摆脱锚定依赖性，这种突变发生在癌细胞中，并在癌细胞的侵袭行为中发挥重要作用。我们对锚定依赖性的理解主要来自对生活在基质涂层培养皿表面的细胞的研究。对于结缔组织细胞来说细胞通常四面都被基质包围，这与自然环境相去甚远。在二维平原上行走与在三维丛林中攀爬截然不同。细胞与刚性基质的接触类型与它们与细胞外基质的可变形纤维网的接触类型不同，后者的研究较少，而且在这两种情况下，细胞行为存在很大差异。然而，很可能适用相同的基本原理。无论是在体外还是在体内，在细胞基质粘附位点产生的细胞内信号对于细胞增殖和存活都至关重要。整合素在细胞基质粘附位点募集细胞内信号蛋白
整合素向细胞内部发出信号的方式非常复杂，涉及多种途径，而且整合素和常规信号受体经常相互影响并共同调节细胞行为，正如我们已经强调的那样。例如，RasAP 激酶通路（见图 15-0）既可以由常规信号受体激活，也可以由整合素激活，但细胞通常需要同时对这种通路进行两种刺激，才能产生足够的激活作用，从而诱导细胞增殖。整合素和常规信号受体也相互协作，以促进细胞存活（第 15 章和第 18 章将对此进行讨论）。
整合素信号传导中研究最深入的方式之一依赖于一种称为粘着斑激酶 (FAK) 的细胞质蛋白酪氨酸激酶。在塑料培养皿中培养的细胞研究中，粘着斑通常是酪氨酸磷酸化的突出位点 (图 19-0)，而 FAK 是在这些位点发现的主要酪氨酸磷酸化蛋白之一。当整合素聚集在细胞基质接触处时，FAK 被细胞内衔接蛋白 (如踝蛋白或桩蛋白，可与一种类型的整合素 a 亚基结合) 募集到整合素 α 亚基。聚集的 FAK 分子在特定酪氨酸上相互磷酸化，形成
10 祄
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图 19?0 粘着斑处的酪氨酸磷酸化。在纤连蛋白包被的基质上培养并用荧光抗体染色的成纤维细胞：肌动蛋白丝染成绿色，含有磷酸酪氨酸的蛋白质染成红色，在两种成分重叠的地方呈现橙色。肌动蛋白丝终止于粘着斑，细胞通过整合素附着在基质上。含有磷酸酪氨酸的蛋白质也集中在这些位置，反映了 FAK 和其他蛋白激酶的局部激活。在这些粘附位点产生的信号有助于调节细胞分裂、生长和存活。 （Keith Burridge 提供。）
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1152 第 19 章：细胞连接和细胞外基质 1153 细胞基质连接
磷酸酪氨酸对接位点，用于 Src 家族胞质酪氨酸激酶成员。
这些激酶除了在粘附位点磷酸化其他蛋白质外，
然后磷酸化 FAK 上的其他酪氨酸，从而为各种其他细胞内信号传导蛋白创建对接位点。这样，来自整合素的由外而内的信号通过 FAK 和 Src 家族激酶传递到细胞中，其传递方式与受体酪氨酸激酶产生信号的方式非常相似（如第 15 章所述）。
细胞基质粘附对机械力作出反应
与我们之前描述的细胞-细胞连接一样，细胞基质连接可以感知并响应作用于它们的机械力。例如，大多数细胞基质连接都连接到收缩性肌动蛋白网络，该网络倾向于将连接向内拉。当细胞附着在强烈抵抗这种拉力的刚性基质上时，细胞基质连接能够感知由此产生的高张力并触发反应，从而招募额外的整合素和其他蛋白质来增加连接抵抗这种张力的能力。细胞附着在相对较软的基质上会产生较小的张力，因此反应也较不强烈。这些机制使细胞能够感知和响应不同组织中细胞外基质的刚性差异。我们之前看到，钙粘蛋白为基础的细胞-细胞连接处的机械传导可能依赖于连接蛋白，当连接受到张力拉伸时，连接蛋白会改变其结构（见图 19-2）。细胞-基质连接也是如此。例如，肌动蛋白包含大量肌动蛋白调节蛋白黏着斑蛋白的结合位点。许多这些位点隐藏在折叠的蛋白质结构域内，但当这些结构域通过拉伸蛋白质展开时会暴露出来（图 19-1）。肌动蛋白的 N 端结合在tegrin 和 C 末端结合肌动蛋白（见图 19-6）；因此，当肌动蛋白丝被细胞内的肌球蛋白马达牵引时，产生的张力会拉伸肌动蛋白杆，从而暴露出黏着斑蛋白结合位点。然后，纽蛋白分子募集
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TALIN 纽蛋白结合位点
N
(A)
(B)
N
C
整合素结合域
折叠的 talin 螺旋 1 至 12
螺旋
1 至 12
肌动蛋白结合域
肌动蛋白结合域
标签将 N 端
附着到玻璃载玻片上
C 端
附着到磁珠
磁电极上
螺旋 12
力
纽蛋白
随着 talin 展开，螺旋 12 暴露出来，可以与纽蛋白结合
图 19-1 talin 是细胞基质连接处的张力传感器。细胞骨架连接处的张力刺激了黏着斑蛋白和其他肌动蛋白调节蛋白的局部募集，从而加强了连接处与细胞骨架的附着。这里介绍的实验检验了以下假设：张力是由连接整合素和肌动蛋白丝的肌动蛋白衔接蛋白感知的（见图 19-6）。（A）长而柔韧的肌动蛋白被分成一系列折叠结构域，其中一些结构域包含黏着斑蛋白结合位点（深绿色线），这些位点被认为是隐藏的，因此无法接近。例如，N 端附近的一个结构域包含一个折叠的 12 个 a 螺旋束，其中包含五个黏着斑蛋白结合位点。 (B) 该实验测试了以下假设：张力会拉伸 12 螺旋结构域，从而暴露出纽扣蛋白结合位点。将含有该结构域的踝蛋白片段连接到可以拉伸该结构域的装置上，如图所示。该片段的 N 端带有标签，该标签可粘在显微镜载物台上的载玻片表面上。片段的 C 端与微小磁珠结合，因此可以使用小型磁性电极拉伸踝蛋白片段。蛋白质周围的溶液含有荧光标记的纽扣蛋白。踝蛋白拉伸后，将多余的纽扣蛋白溶液洗掉，并使用显微镜确定是否有任何荧光纽扣蛋白与踝蛋白结合。在没有拉伸的情况下（顶部），大多数肌动蛋白分子不会与黏着斑蛋白结合。当蛋白质被拉伸时（底部），两个或三个黏着斑蛋白分子被结合（为清楚起见，此处仅显示一个）。（改编自 A. del Rio 等人，Science 323:638-41，2009。）
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1154 第 19 章：细胞连接和细胞外基质
并组织额外的肌动蛋白丝。张力因此增加了连接的强度。
摘要
整合素是动物细胞用来结合细胞外基质的主要细胞表面受体：它们充当细胞外基质和细胞骨架之间的跨膜连接体。大多数整合素与肌动蛋白丝相连，而位于半桥粒的整合素则与中间丝结合。整合素分子是异二聚体，与细胞外基质配体或细胞内激活蛋白（如肌动蛋白）结合会导致从非活性状态到活性状态的显著构象转换。这在细胞外基质结合和细胞内细胞骨架结合之间产生了变构耦合，使整合素能够跨质膜双向传递信号。复杂的蛋白质组装体围绕活化的整合素的细胞内尾部组织起来，产生可以影响细胞行为几乎任何方面的细胞内信号，从增殖和存活（如锚定依赖现象）到细胞极性和迁移指导。基于整合素的细胞基质连接还具有机械传导能力：它们可以感知并响应作用于连接处的机械力。
植物细胞壁
植物中的每个细胞都沉积着一种复杂的细胞外基质，称为植物细胞壁，并被其完全包裹。1665 年，罗伯特·胡克 (Robert Hooke) 首次利用原始显微镜观察到厚厚的软木细胞壁，并首次为细胞命名。相邻植物细胞的细胞壁粘合在一起形成完整的植物（图 19-2），通常更厚、更坚固、
（A）
10 祄
（B）
200 nm
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图 19-2 植物细胞壁。（A）灯心草根尖的电子显微照片，显示了细胞的有序模式，这是由细胞壁相对坚硬的细胞中有序的细胞分裂序列产生的。在这个生长组织中，细胞壁仍然相对较薄，在显微照片中显示为细胞之间的细黑线。（B）典型的细胞壁剖面，将两个细胞分开相邻的植物细胞。两条深色横带对应于跨越细胞壁的胞间连丝（见图 19-7）。 （A，由 C. Busby
和 B. Gunning 提供，Eur. J. Cell Biol. 21:
214-23, 1980。经 Elsevier 许可。B，由 Jeremy Burgess 提供。）
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1154 第 19 章：细胞连接和细胞外基质 1155 植物细胞壁
最重要的是，比动物细胞产生的细胞外基质更坚硬。在进化出相对坚硬的细胞壁（厚度可达数微米）的过程中，早期植物细胞丧失了爬行能力，采取了定居生活方式，这种生活方式在当今所有植物中都一直存在。
细胞壁的组成取决于细胞类型
植物中的所有细胞壁都起源于分裂细胞，因为细胞板在胞质分裂期间形成，在子细胞之间形成新的隔墙（第 17 章讨论）。新细胞通常在称为分生组织的特殊区域产生，与最终尺寸相比，它们通常较小。
为了适应后续细胞生长，新生细胞的细胞壁称为初生细胞壁，它们很薄且可延展，但很坚韧。一旦细胞生长停止，初生壁有时会保留下来而不会发生重大改变，但更常见的是，通过在旧细胞壁内沉积新基质层来产生坚硬的次生细胞壁。这些新层的组成通常与初生壁的组成有显著不同。次生壁中最常见的附加聚合物是木质素，这是一种复杂的共价连接的酚类化合物网络，存在于木质部导管壁和木质组织纤维细胞中。
尽管高等植物的细胞壁在组成和组织上各不相同，但它们都像动物细胞外基质一样，采用所有纤维复合材料（包括玻璃纤维和钢筋混凝土）共有的结构原理构建而成。一种成分提供抗拉强度，而另一种成分（嵌入第一种成分）提供抗压强度。虽然植物和动物的原理相同，但化学性质不同。与富含蛋白质和其他含氮聚合物的动物细胞外基质不同，植物细胞壁几乎完全由不含氮的聚合物组成，包括纤维素和木质素。对于依赖 CO2、H2O 和阳光的定居生物来说，这两种丰富的生物聚合物代表了“堆”碳基结构材料，有助于保护土壤中稀缺的固定氮，而固定氮通常会限制植物的生长。因此，例如，树木在构成其大部分生物质的纤维素和木质素方面投入了大量资金。在高等植物的细胞壁中，拉伸纤维由多糖纤维素制成，这是地球上最丰富的有机大分子，通过交联聚糖紧密连接成网络。在初级细胞壁中，交联纤维素网络嵌入的基质由果胶组成，果胶是一种富含半乳糖醛酸的高度水合多糖网络。次级细胞壁含有额外的分子，使其坚硬而持久；木质素尤其能在其他成分之间的间隙中形成坚硬、防水的填料。所有这些分子都通过共价键和非共价键结合在一起，形成高度复杂的结构，其成分、厚度和结构取决于细胞类型。因此，植物细胞壁在支撑整个植物结构方面起着“骨架”作用，作为每个细胞的单独外壳起着保护作用，并起着运输作用，有助于形成植物体内液体流动的通道。当植物细胞特化时，它们通常会采用特定的形状并产生特别适应的细胞壁类型，据此可以识别和分类植物中不同类型的细胞。然而，我们在这里关注的是初生细胞壁及其分子结构，这些结构是其强度、弹性和可塑性的非凡组合的基础，就像在植物的生长部分中看到的那样。细胞壁的抗拉强度使植物细胞能够产生
膨压
植物细胞的水性细胞外环境由细胞周围壁中所含的液体组成。尽管植物细胞壁中的液体
比植物外部环境（例如土壤）中的水含有更多的溶质，但与细胞内部相比，它仍然是低渗的。这种渗透
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1156 第 19 章：细胞连接ns 和细胞外基质的不平衡导致细胞产生较大的内部静水压力或膨压，该压力向外推向细胞壁，就像内胎向外推向自行车轮胎一样。膨压刚好增加到细胞处于渗透平衡的程度，尽管盐分不平衡，但没有水的净流入。以这种方式产生的膨压可能达到 10 个或更多的大气压，大约是普通汽车轮胎的五倍。这种压力对植物至关重要，因为它是生长过程中细胞扩张的主要驱动力，并且它提供了活植物组织的大部分机械刚性。例如，比较脱水植物的枯萎叶子和水分充足的植物的膨大叶子。正是细胞壁的机械强度使植物细胞能够承受这种内部压力。初生细胞壁由纤维素微纤维与果胶多糖网络交织而成 纤维素赋予初生细胞壁抗拉强度。每个纤维素分子由至少 500 个葡萄糖残基的线性链组成，这些葡萄糖残基以共价键相互连接形成带状结构，链内的氢键使该结构稳定（图 19-3）。此外，相邻纤维素分子之间的氢键使它们以重叠的平行阵列粘合在一起，形成约 18 个纤维素链的束，所有纤维素链都具有相同的极性。这些高度有序的晶体聚集体长数微米，被称为纤维素微纤维，它们的抗拉强度可与钢相媲美。微纤维组排列成层或薄片，每个微纤维与相邻微纤维相距约 20?0 纳米，并通过长交联聚糖分子与它们相连，这些聚糖分子通过氢键附着在微纤维的表面。 初生细胞壁由几个这样的薄片组成，排列成胶合板状网络（图 19?4）。
CH 2 OH
O
O
O
OH
OH 4 1
CH 2 OH
O O
O
OH
OH 4 1
CH 2 OH
O
OH
OH 4 1
MBoC7 m19.62/19.63
纤维素
微纤维
纤维素分子
n
?,4 连接
中层
初级
细胞壁
质膜
50 nm
果胶
纤维素
微纤维
交联聚糖
MBoC7 e20.05/19.64
胞质溶胶
图 19?3 纤维素。纤维素
分子是
由
?,4 连接的葡萄糖单元组成的长而无支链的链。每个葡萄糖残基相对于其邻居是倒置的，由此产生的二糖重复在单个纤维素分子中发生数百次。在大多数高等植物细胞中，大约 18 个单独的纤维素分子平行组装，形成坚固的氢键纤维素微纤维。
图 19-4 部分原代植物细胞壁的比例模型，显示了两个主要的多糖网络。正交排列的纤维素微纤维层（蓝色）通过交联聚糖（红色）与微纤维形成氢键，形成一个网络。该网络伴随着果胶多糖网络（绿色）。纤维素和交联聚糖网络提供抗拉强度，而果胶网络则抗压缩。
纤维素、交联聚糖和果胶通常以大致相等的量存在于初级细胞壁中。中间层特别富含果胶，它将相邻的细胞粘合在一起。
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1156 第 19 章：细胞连接和细胞外基质 1157 植物细胞壁
交联聚糖是一组异质的支链多糖 - 紧密结合到每个纤维素微纤维的表面，从而有助于将微纤维交联成复杂的网络。交联聚糖有很多种，但它们都具有由一种糖（葡萄糖、木糖或甘露糖）组成的长线性主链，其他糖的短侧链从中伸出。主链糖分子与纤维素微纤维的表面形成氢键，在此过程中使它们交联。主链和侧链糖都因植物种类及其发育阶段而异。纤维素微纤维和交联聚糖的网络包括另一种基于果胶的交联多糖网络（见图 19-4）。果胶是一组异质的支链多糖，含有许多带负电荷的半乳糖醛酸单元。由于带负电荷，果胶具有高度水合性，并与阳离子云结合，类似于动物细胞中的糖胺聚糖，占据大量空间（见图 19-3）。当 Ca2+ 添加到果胶分子溶液中时，它会交联m 产生半刚性凝胶（果胶被添加到果汁中制成果酱或果冻）。某些果胶在中间层中特别丰富，中间层是将相邻细胞壁粘合在一起的特殊区域（见图 19-4）；在这里，Ca 2+ 交联被认为有助于将细胞壁成分结合在一起。虽然共价键也在连接成分方面发挥作用，但人们对它们的性质知之甚少。中间层细胞的受控分离是西红柿成熟和秋天叶子脱落等过程的基础。除了构成所有植物原代细胞壁主体的两个多糖网络外，还存在蛋白质，占细胞壁干重的约 5%。这些蛋白质中许多是酶，负责细胞壁的周转和重塑，特别是在生长过程中。另一类细胞壁蛋白，如胶原蛋白，含有高水平的羟脯氨酸。这些蛋白质被认为可以增强细胞壁，并且作为对病原体攻击的局部反应，它们的产生量大大增加。根据拟南芥的基因组序列，估计需要 700 多个基因来合成、组装和重塑植物细胞壁。
定向细胞壁沉积控制植物细胞生长
一旦植物细胞离开其产生的分生组织，它就可以急剧生长，通常体积会增长一千倍以上。这种扩张的方式决定了每个细胞的最终形状，从而决定了整个植物的最终形态。细胞内的膨压驱动扩张，但细胞壁的行为决定了其方向和范围。需要复杂的细胞壁重塑活动，以及新细胞壁材料的沉积。由于其晶体结构，细胞壁中的单个纤维素微纤维无法伸展，因此它们在这一过程中起着至关重要的作用。为了使细胞壁伸展或变形，微纤维必须要么相互滑过，要么分离得更远，或者两者兼而有之。细胞壁最内层微纤维的方向决定了细胞扩张的方向。因此，植物细胞通过控制它们沉积在细胞壁中的纤维素微纤维的方向来预测其未来的形态（图 19-5）。与大多数其他基质大分子不同，纤维素是在内质网和高尔基体中制造并分泌的，而纤维素是由质膜结合酶复合物（纤维素合酶）从细胞表面纺出，该酶使用来自细胞溶胶的糖核苷酸 UDP-葡萄糖作为底物。每个酶复合物或玫瑰花结都是六个三聚体的放射状阵列，
每个三聚体都含有三个独立的纤维素合酶 (CESA) 基因的蛋白质产物（见图 19-6）。 三个 CESA 基因是初生细胞壁合成所必需的，而另外三个 CESA 基因是次生细胞壁合成所必需的。
在合成过程中，新生的纤维素链会组装成
微纤维。这些微纤维在细胞外表面被纺出，形成一层或薄层，其中所有微纤维的排列方式大致相同（见图 19-4）。每个新薄层都沉积在前一个薄层的内部，因此壁由同心排列的薄层组成，最老的薄层在外面。伸长细胞中最近沉积的微纤维通常垂直于细胞伸长的轴，尽管较早沉积的外层微纤维的方向可能不同（见图 19-5B 和 C）。
微管定向细胞壁沉积
决定微纤维方向的机制的一个重要线索来自对植物细胞中微管的观察。这些微管通常排列在皮质细胞质中，方向与当前沉积在该区域细胞壁中的纤维素微纤维相同。这些皮质微管形成皮质阵列，靠近质膜的细胞质面，由特征不明显的蛋白质固定在那里。皮质微管阵列（位于质膜内）和纤维素微纤维（位于质膜外）的一致取向可见于多种类型和形状的植物细胞中，并且在初生和次生细胞壁沉积过程中都存在，这表明存在因果关系。可以通过用微管解聚药物处理植物组织来测试这一假设，从而分解皮质微管的整个系统s. 然而，对后续纤维素沉积的影响并不像预期的那样简单。药物治疗不会破坏新纤维素微纤维的产生，在某些情况下，细胞可以继续以预先存在的方向沉积新的微纤维。然而，微纤维图案方向的任何发育转变（通常在连续的薄片之间发生）总是被阻止。似乎即使在没有微管的情况下，微纤维的预先存在的取向也可以传播，但纤维素微纤维沉积的任何变化都需要完整的微管存在来确定新的取向。这些观察结果与以下模型一致。嵌入质膜的纤维素合成玫瑰花结会纺出长纤维素
200 nm
MBoC7 m19.64/19.65
(A)
(B)
(C)
膨压
图 19-5 纤维素微纤维影响细胞伸长的方向。
(A) 这张快速冷冻和深蚀刻细胞壁的阴影复制品的电子显微照片显示了伸长胡萝卜细胞的初生细胞壁中纤维素微纤维的方向。纤维素微纤维彼此平行排列，垂直于细胞伸长的轴。微纤维通过复杂的基质分子网络交联并交织在一起（与图 19-4 比较）。 （B、C）B 和 C 中的细胞最初具有相同的形状（此处显示为立方体），但其细胞壁中纤维素微纤维的净取向不同。尽管膨压在所有方向上都是均匀的，但细胞壁松弛使每个细胞只能在垂直于微纤维最内层取向的方向上伸长，微纤维具有很大的抗拉强度。细胞扩张与新壁材料的插入同时发生。器官（例如芽）的最终形状部分取决于其组成细胞可以扩张的方向。 （A，由 Brian Wells 和
Keith Roberts 提供。）
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1158 第 19 章：细胞连接和细胞外基质 1159 植物细胞壁
分子。随着纤维素分子的合成及其自组装成
微纤维的进行，每个微纤维的远端可能与前一层壁材料形成间接交联，使新微纤维
与旧微纤维平行定向，因为它融入了壁的纹理。
由于微纤维很硬，玫瑰花结在其生长的近端必须移动，因为它会沉积新的物质。玫瑰花结在膜平面上移动，其移动方向由微纤维远端固定在现有壁上的方式决定。这样，每一层微纤维都会倾向于以与之前铺设的层相同的方向从膜中旋转出来，玫瑰花结遵循细胞外预先存在的定向微纤维的方向。然而，细胞内的定向微管可以迫使玫瑰花结移动方向发生变化：它们可以在质膜中形成边界，就像运河的堤岸一样，限制玫瑰花结的运动（图 19-6）。从这个角度来看，纤维素合成可以独立于微管发生；但是当皮质微管存在时，它在空间上受到限制，以定义酶复合物可以在其中移动的膜微区。 这样，植物细胞可以通过突然改变其皮质微管阵列的方向来改变其扩张方向。 由于植物细胞不能移动（受到其细胞壁的限制），因此多细胞植物的整个形态可能取决于植物发育过程中皮质微管方向的协调、高度模式化的部署。 目前尚不清楚这些方向是如何控制的，尽管已经证明微管可以响应细胞外刺激（包括乙烯和生长素等植物生长调节剂）（第 15 章讨论）。 然而，微管并不是影响细胞壁沉积的唯一细胞骨架元素。皮质肌动蛋白丝的局部焦点还可以引导新壁材料沉积在细胞表面的特定位置，有助于许多分化植物细胞的精细最终成型。
摘要
植物细胞被坚韧的细胞外基质或细胞壁包围，这是植物生活方式许多独特特征的决定因素。细胞壁由纤维素微纤维和交联聚糖网络组成，嵌入高度交联的 p 基质中ectin 多糖。在次生细胞壁中，木质素可以沉积，使其防水、坚硬和木质化。皮层微管阵列可以控制新沉积的纤维素微纤维的方向，这反过来又决定了细胞扩张的方向，从而决定了细胞的最终形状，最终决定了整个植物的形状。
(A)
0.1 祄
纤维素微纤维被添加到预先存在的壁质膜连接蛋白微管上，微管附着在质膜上
纤维素合酶复合物制造许多纤维素分子并将它们组装成微纤维
胞质溶胶
由胞质溶胶提供的 UDP-葡萄糖
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100 nm
100 nm
(B)
(C)
细胞壁微管
图 19-6 新沉积的纤维素微纤维的方向可能由皮质微管的方向决定的一个模型。
(A) 大型纤维素合酶复合体或玫瑰花结是整合膜蛋白，可在质膜外表面合成纤维素微纤维。
每个玫瑰花结包含六个酶三聚体，从而合成 18 条纤维素链，这些纤维素链构成许多植物细胞中的纤维素微纤维（见图 19-3）。
坚硬的微纤维的远端融入壁的纹理中，其近端的伸长推动合酶复合体沿膜平面移动。由于微管的皮质阵列以将该复合体限制在确定的膜通道中的方式附着在质膜上，因此这些微管（当它们存在时）的方向决定了新微纤维铺设的轴线。 (B、C) 两张电子显微照片显示皮质微管与质膜紧密结合。一张显示微管的横截面，另一张显示微管的纵切面。两张都强调了膜和微管之间约 20 纳米的恒定间隙。（B 和 C，由 Andrew Staehelin 提供。）
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