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前世今生的由来(真实的前世今生)

肿瘤捕手

CLDN(蛋白名称Claudin)于1991年被发现,但直到1998年才被确认命名,到现在才20多年的时间。再加上前期研究十分混乱,其医学价值不清晰,纵观前期的基础研究,京都大学的Mikio Furuse和S. Tsukita团队(后简写为Mikio Furuse)贡献最大,也在《JOURNAL OF CELL BIOLOGY》上发表了众多的文章。

01首次发现

1991年美国亚利桑那大学Margaret团队在生殖系统上皮细胞的退化和凋亡的研究中,从大鼠前列腺(RVP)腹侧上皮细胞中分离出一种新的蛋白序列并命名为RVP.1[1]。1996年Bronstein等人分离出了一种新的少突胶质细胞特异性蛋白(OSP),属于跨膜蛋白,主要在于髓鞘的板层之间以及在睾丸中相邻的支持细胞之间构成紧密连接链(TJ)[2]。1997年Sirotkin等人在DiGeorge综合征(DiGeorge syndrome, DGS)、腭心面综合征(velo-cardiofacialsyndrome, VCFS)的患者22q11中发现了一种全新的跨膜蛋白序列TMVCF,主要在肺、心脏和骨骼肌的血管内皮细胞中表达[3]。

02Mikio Furuse与Claudin

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目前很难找到相关证据,但根据文献发表时间,S. Tsukita可能是Mikio Furuse的老师,上个世纪80年代S. Tsukita在细胞连接、肌动蛋白、钠钾泵取得了一系列进展,到了90年代便逐渐细化为Occludin、ZO1和CLDN家族蛋白。尤其是Occludin蛋白的发现、测序和功能研究全部都与S. Tsukita有关。后来Mikio Furuse考入京都大学便和S. Tsukita一起研究Claudin蛋白。1998年,Mikio Furuse团队首次从动物肝脏中分离出了两条相似的序列,分别命名为claudin-1和claudin-2,当caudin-1和-2转染到成纤维细胞时,可重建TJ链,这对紧密连接蛋白分子结构以及屏障机制的理解具有重大突破意义[4]。该研究成果于1998年发表于《JOURNAL OF CELL BIOLOGY》。

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图片来源:文献资料[4]之后该团队在命名的道路上越走越快。RVP.1→Claudin3,TJ链的OSP蛋白→Claudin11,TMVCF蛋白→Claudin5……

03Claudin功能研究

随着Claudins的研究不断深入,有关于claudins分子结构和生理机制的研究仍然是十分的模糊,尽管已经知道claudins作为紧密连接链的主要组成部分,但是想要完全弄明白紧密连接蛋白的分子机制以及功能结构,仍然是面临很多挑战,例如这些蛋白是如何参与细胞骨架的结合的,细胞信号传导通路是由哪些蛋白主导的。

在1999年,Mikio Furuse团队认为ZO-1、ZO-2、ZO-3通过其PDZ1结构域与claudin COOH末端的YV序列结合,在细胞边界聚集构成紧密连接链[5]。PDZ结构域是一种脚手架形状,可以招募目标蛋白至特定区域。PDZ1又叫做NHERF3、PDZD1,分布于细胞膜与细胞核,属于钠(Na )氢(H )交换调节因子家族成员。之前的研究发现ZO蛋白与CLDN蛋白功能重叠,例如ZO蛋白在细胞极性、细胞间物料转运、细胞屏障及细胞增殖等方面发挥重要功能,与前文报道CLDN作用相一致。但两个的关系目前研究仍不清晰,一方面,在没有上皮类型表达的大脑、眼、睾丸等组织中发现了ZO的蛋白的表达[7]。

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图片来源:文献资料[5]

但2022年的一项研究否定了两者的相关性,该研究在缺失COOH末端的Claudin蛋白在人体上皮细胞之间相邻细胞侧膜的顶部依然能够重建TJ,(两个claudin quinKO细胞:稳定表达claudin-3或claudin-3ΔYVF、claudin-3ΔYVF:COOH末端酪氨酸和缬氨酸缺失后添加FLAG标签)claudin-3细胞和缺失酪氨酸和缬氨酸COOH的claudin-3ΔYVF细胞,使用抗claudi-3抗体和抗ZO-1抗体染色的结果保持一致,在上皮细胞侧膜的顶部端弥漫性染色,证明了ZO蛋白与claudin之间的相互作用不是上皮细胞间TJ形成的先决条件[7]。

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Claudin3与ZO1不相关[7]

04 Claudin家族研究

Claudin是一个多基因家族,通过数据库的搜索数据库中搜索claudin的同源性EST序列作为引物,通过PCR扩增编码claudin的全长cDNA序列[8],在小鼠和人类中发现了24个claudin家族成员[4,8-13],不同种类的紧密连接蛋白可以在TJ链内部和之间相互作用,增加TJ链结构和功能的多样性[4]。1999年日本的一个团队在Margaret、Bronstein和Sirotkin的研究基础上分离了小鼠RVP1、CPE-r和TMVCF,在数据库中搜索序列并进行比对,PCR扩增编码蛋白序列的全长cDNA,推导出的氨基酸序列与claudin1和claudin2具有同源性,随后将RVP1、CPE-r和TMVCF分别命名为claudin-3、4、5[8]。

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Claudin蛋白结构[8]

研究证明claudin家族的每个成员都有其独特的组织表达模式[9,13],紧密连接蛋白是多基因家族,在哺乳动物中至少有24个成员[4,8-13],例如claudin-1和claudin-2在肝脏和肾脏中高水平表达、claudin-3在肝脏均匀表达[14]、紧密连接蛋白-4、-7和-8主要在肺和肾中表达、claudin-5在在肺中表达水平较高、claudin-11主要在脑和睾丸中表达[10]、claudin-16主要在肾脏表达[13]、claudin-18免疫组化表现出肺和胃特异性表达[15],但成人组织中没有检测到紧密连接蛋白-6的表达。

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Claudin蛋白的组织特异性[16]

随着研究的进展,claudin在脊椎动物中的分子结构以及屏障形成机制有了深入的了解,有发现claudin蛋白家族与斑马鱼的发育和分化密切相关[17],claudin18对肺脏、甲状腺和腹侧前脑的发生分化至关重要[18],claudin可能在胚胎发育过程中受到调控[8]。claudin家族在生殖发育和维持中枢神经系统功能起关键作用[9]。以上研究结果表明,claudin不仅在成熟上皮中形成屏障作用,还在脊椎动物进化以及个体发育中起着至关重要的作用。研究者对无脊椎动物中的claudins也进行了深入研究,在无脊椎动物如秀丽隐杆线虫、果蝇和苍蝇中仅具有4至6个紧密连接蛋白相关基因[19-21],相比于脊椎动物研究,河豚保持着56个紧密蛋白基因组织特异性方式表达的记录[22]。

研究发现,claudin基因的突变或缺失会导致小鼠/人类疾病的发生。例如claudin-1基因发生突变会引起遗传性耳聋(DFNB29)[23]、claudin11表达缺失会影响小鼠中枢神经系统和生殖系统的功能[9];claudin-11缺陷会引起小鼠的听觉功能障碍[24];敲除小鼠的Claudin-15基因时发现会导致claudin-15缺陷型巨肠[25]、claudin-16(paracellin-1)的突变会影响肾对镁离子的吸收导致肾性低镁血症[13];以上研究表明claudin家族在人体内的分子机制和生理功能是不可或缺的。

05 CLDN家族的通用结构

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Claudin家族结构[26]

Claudin,中文名字叫紧密连接蛋白,Claudins来源于拉丁文claudere(关闭),是一种分子量约为23 kDa的整合膜蛋白,具有四个跨膜结构域,两个胞外环(ECL)和一个胞内环以及NH2和COOH末端胞质结构域组成[27]。细胞外环1(ECL1)比细胞外环(ECL2)要长的多,疏水能力也更强[8],主要在上皮细胞中构成紧密连接链(TJs)的骨架,并直接参与其屏障功能[8,11]。科学家们对Claudins家族成员的各项生理机制进行了深入研究,除了形成上皮屏障之外,还具有调节电阻大小和离子电荷选择性[26],现在被认为主要构成功能性TJ链。根据序列分子结构的不同,可将Claudins分为两类,分别为经典类(Claudin1 – 10,14,15,17,19)和非经典类(11 – 13, 16, 18, 20-24)。经典的Claudins的C端都是以Y-V结尾,然而,非经典Claudins 的COOH末端变化较大(H /S/Y/D/E/R–V/L结尾)[28]。

06 Claudin蛋白的功能仍不清晰

Claudin超蛋白家族鉴定为TJs的主要结构和功能成分是具有突破性意义的,为进一步了解细胞外转运的生理机制奠定了基础。关于claudin家族还有许多重要的问题仍然没有得到回答,例如claudin如何参与细胞骨架的结合的?细胞信号传导通路究竟是谁主导的?还有没有其他的claudins和其他TJs相关分子有待发现?claudins如何影响细胞质膜受体的功能?未来的挑战是实现对claudins和其他TJs相关分子机制的详细了解。

随着对TJs结构和功能的快速研究,科学家们也陆续发现claudin家族成员参与了肿瘤的发生,claudins特殊生理功能为获取肿瘤标记物和治疗靶点提供了一个成熟的领域。claudins有望作为一种新的、极具吸引力的免疫靶点,用于上皮性肿瘤的抗体或者细胞治疗。

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参考文献[1] Briehl M M, Miesfeld R L. Isolation and characterization of transcripts induced by androgen withdrawal and apoptotic cell death in the rat ventral prostate[J]. Mol Endocrinol, 1991, 5(10): 1381-8.[2] Bronstein J M, Popper P, Micevych P E, et al. Isolation and characterization of a novel oligodendrocyte-specific protein[J]. Neurology, 1996, 47(3): 772-8.[3] Sirotkin H, Morrow B, Saint-Jore B, et al. Identification, characterization, and precise mapping of a human gene encoding a novel membrane-spanning protein from the 22q11 region deleted in velo-cardio-facial syndrome[J]. Genomics, 1997, 42(2): 245-51.

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