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【摘要】 钙粘附蛋白-11(Cadherin-11)是钙粘附蛋白的一种，其具有多种生物学作用，包括胚胎发育、组织形成、肿瘤浸润转移及细胞信号转导等。本文主要从Cadherin-11与骨和软骨、生长板、滑膜以及腱形成等几个方面，对其在关节形成过程中的作用及其研究进展进行综述。
【关键词】 Cadherin-11; 关节形成; 细胞粘附
Cadherin-11 gene and joint formation∥WANG Guan-zhi,GAO Jian-bao,DONG Shi-wu.Department of Anatomy,Third Military Medical University,Chongqing 400038,China
Abstract:Cadherin-11 is a kind of classical cadherin subfamliy. The function of cadherin-11 involves embryonic development ,tissue morphogenesis ,tumor’s invasion and metastasis ,signal transduction and so on. This review summarizes the function of cadherin-11 in joint formation, including the relation of cadherin-11 with the bone and cartilage, growth plate, synovial and tendon formation.
Key words：Cadherin-11; joint formation; cell adhesion
钙粘附蛋白(cadherins)家族是一类可介导细胞-细胞间粘附的单链跨膜糖蛋白，具有钙离子依赖性和同嗜性，分子量约120～140 KD，与免疫球蛋白超家族、整合素家族、选择素家族等统称为细胞粘附分子。根据胞外结构域的不同经典钙粘附蛋白可分为I型和II型2种亚型。钙粘附蛋白11(Cadherin-11，缩写为Cad-11)属于Ⅱ型，因其最早是由Okazaki等在MC3T32E1细胞(一种鼠成骨细胞系)中克隆而来，所以又称之为成骨细胞型钙粘附蛋白(OB-cadherin)，其与胚胎肢节形成、骨组织和神经元等的形成及肿瘤的浸润转移等有关。本文主要就Cad-11在关节形成中的作用进行阐述。
1 关节的常见结构
一般情况下，关节由3个部分组成，即关节面、关节囊和关节腔。关节面非常光滑，上有一层光滑的关节软骨，利于关节的活动。关节囊由外层坚韧的、纤维结缔组织和内层的滑膜共同构成，它将关节的两端连接起来，将关节封闭起来形成关节腔，滑膜可分泌滑液，润滑关节和营养关节软骨。关节软骨是由1%软骨细胞与99%基质组成的。软骨外面有滑膜与关节囊以及肌肉附着。骨骺与干骺端之间存在骺板(epiphyseal plate)，又名生长板(growth plate)，是生长期骨骼的生长发育部位。当骺板发育至成熟阶段，其软骨增殖与成骨活动相继结束。骺板完全骨化后，骨骺与干骺端融合，长骨的纵向生长则停止。此外，肌腱和韧带等作为辅助装置，参与了关节的构成。
2 Cad-11与骨和软骨形成
骨来源于胚胎时期的间充质。骨的发生有两种方式，即膜内成骨和软骨内成骨。其中膜内成骨是间充质细胞首先分化为原始结缔组织膜，然后聚集并分化为骨祖细胞，后者进一步分化为成骨细胞，从而生成骨组织。软骨内成骨与上述机理相似，是在预先形成的软骨雏形基础上，将软骨逐步替换为骨，周围的间充质则分化为软骨膜[1]。细胞粘附分子在成骨细胞分化以及细胞外基质的发育过程中均发挥着举足轻重的作用。
2.1 成骨细胞中钙粘附蛋白的表达 Cheng等[2]发现人成骨细胞持续表达Cad-11，另外还包括N-Cadherin、E-Cadherin、C4、C6等表达。成骨细胞系MC3T32E1细胞培养7 d后，Cad-11上调，同时碱性磷酸酶(ALP)活性上升。并且Cheng等证实在BMP-2作为诱导因子的培养体系中，直接的细胞与细胞粘附是成骨细胞分化的主要因素。将成骨细胞置于含HAV寡肤的培养环境中，可发现ALP活性大大降低，提示了钙粘附蛋白对成骨细胞分化的重要作用。
2.2 间充质细胞中Cad-11的表达 Kii等[3]研究表明，Cad-11在骨和软骨中优先表达，并证实了Cad-11在间充质组织形成过程中，控制着间充质细胞向成骨细胞、软骨细胞的转化。Kawaguchi等[4]证实，间质细胞系可独特地表达经典钙粘附蛋白。Cad-11在成骨细胞系始终表达，并影响细胞的分化。另外在基质细胞系C3H10T1/2、PA6可有Cad-11的表达，前者能分化为ALP(+)的成骨细胞;后者来源于兔颅骨，能支持破骨细胞的分化。
2.3 Cad-1l基因敲除后的骨骼变化 Kawaguchi等[5]利用3个月龄小鼠进行骨组织的免疫组化，检测到Cad-11在小鼠成骨细胞的表达。之后将Cad-11基因跨膜区和胞浆区敲除，利用杂合子回交产生Cad-11-/-纯合子鼠，发现Cad-11-/-出生时外观与正常鼠相同，但是3个月龄的Cad-11基因敲除鼠较正常鼠骨密度降低，提示Cad-11直接通过细胞粘附参与成骨细胞的分化。
3 Cad-11与生长板形成
在生长中的管状骨的骺和干骺端，其生长板中的软骨层能够为软骨成骨的形成和软骨内骨化提供氨基酸附着部位。软骨层中的软骨细胞要经历增殖、成熟、肥大、钙化，伴随细胞程序性死亡的生命过程，而Cad-11参与介导了这一过程的发生和发展。
3.1 钙粘附蛋白在生长板中的表达 Sampson等[6]首次通过免疫组织化学定位和RT-PCR技术在鼠类胫骨的生长板中鉴定出了各种钙粘因子和连环蛋白的存在及其主要集中的区域，包括多种钙粘附蛋白(Cad-1～5，11，13以及15)，并且明确Cad-11主要集中在软骨细胞的肥大区表达。
3.2 Cad-11在生长板中的作用 Nakamata等[7]通过在体外培养p53-/-小鼠的肋软骨的生长板细胞，获得了MMR14和MMR17两个无性细胞系。虽然两种细胞系均来自肥大细胞区，但仅有MMR14细胞能够进一步分化和成熟，即形成钙化结节，而MMRl7不能形成。为明确产生这种现象的原因，Matsusaki等[8]通过体外细胞培养，免疫组化以及cDNA微点阵等方法发现在两种细胞系中钙粘蛋白基因的表达有明显上调。进一步通过RT-PCR分析后发现：在MMR14和MMR17中Cadherin-2、3的表达程度无明显差异，Cad-5在二者中无表达，只有Cad-11在二者中表达有明显区别。为了分析Cad-11的表达与钙化结节之间的关系，通过细胞聚集实验以及siRNA干扰Cad-11基因表达，免疫组化分析显示：当细胞克隆里Cad-11的表达减少时，其产生钙化结节的量也相应减少。这明确显示了在MMR14的肥大细胞形成钙化结节的过程中需要Cad-11的表达。也就是说，Cad-11具有介导生长板中的肥大区软骨细胞向钙化和成熟方向转化的作用。
4 Cad-11与滑膜形成
滑膜作为关节囊的内层，由疏松结缔组织构成，紧贴关节囊纤维层的内面，附着于关节软骨的周缘，可分为滑膜内层及滑膜下层。滑膜内层又称滑膜衬里层(synovial lining)，主要由成纤维细胞样的滑膜细胞(fibroblast-like synoviocytes，FLSs)和细胞外基质(ECM)聚集而成。
4.1 Cad-11与FLSs 衬里层的形成需要FLSs的聚集、细胞排列的动态变化以及组织的扩展。电镜下证实在衬里层内有广泛的细胞间连接，由FLSs表达的Cad-11则主要存在于细胞间连接中[9]。这些细胞间连接主要由位于细胞接触部的粘着连接体(adherens junction，AJ)来构成。Kiener等[10]已经证明AJ主要由Cad-11、胞内的Catenins、Vinculin以及肌动蛋白细胞骨架共同形成，而Cad-11在AJ的形成过程中起着关键作用。在胞质尾区，Cad-11分子与胞内的Catenins交联，把AJ与肌动蛋白细胞骨架连接起来，并有决定Cadherin分子的粘着活性以及维持细胞形状的作用。所以Cad-11对FLSs的聚集有重要影响。当然，这种对FLSs的聚集作用不仅仅是Cad-11的作用，还包括N-Cadherin等，但属于不同的分子复合体中[11]。
另一方面，细胞排列的动态变化需要粘着连接体的重组。Cad-11从以下几方面影响这个重组过程[12]：第1，细胞解聚需要Cad-11/AJ的分离;第2，Cad-11介导的粘着作用通过产生直接的细胞间牵引力来进行细胞重排;第3，Cad-11本身可作为一个细胞向其他细胞迁移的作用物。而Cad-11介导的细胞迁移活动和细胞重排过程决定了组织的扩展。所以Cad-11在衬里层形成过程中控制着FLSs的排列和活动方式。
4.2 Cad-11与ECM ECM的超分子结构是网状纤维，其沿FLSs密集网络线性排列，为完整的组织提供三维立体结构。只有生长在正常三维基质中的FLSs才能形成衬里层。网状纤维的生成需要FLSs的参与[10]，其参与机制与Cad-11密切相关。David M.Lee等[13]用中和抗体E-cadherin-Fc处理对网状纤维形成无影响。相反，用Cad-11-Fc处理后，沿组织边界定向排列的网状纤维消失了，虽然在基质中仍有大量网状纤维存在，但其排列失去了特定的方向，而且用Cad-11-Fc处理过的FLSs不能形成衬里层。使用Masson三色法染色加亮显示ECM，发现衬里层的细胞外基质在野生型鼠明显密集，而在Cad-11缺陷鼠显著减弱。可见Cad-11在FLSs形成网状纤维的过程中具有重要作用。
以上结果表明Cad-11通过赋予FLSs形成细胞间连接、聚集以及产生细胞外基质的能力来指导正常衬里层的建立和维持，说明了Cad-11是衬里层形成的重要条件。
5 Cad-11与腱发生
正常肌腱由胶原纤维束、束内结缔组织和外周结缔组织组成。胶原纤维束相互平行纵形排列，其间可见一定数量纵形排列的腱细胞。虽然胶原原纤维的生物合成方式已经清楚，但细胞把原纤维有规则平行排列在一起的机制仍然不清。为了明确其机制，Richardson等[14]通过电镜下三维重建观察到细胞质膜上有许多膜通道，细胞通过这些膜通道进行细胞间的信息传递，从而介导细胞的排列方式。在13 d鸡胚的肌腱中发现Cad-11的表达，电镜下观察显示其表达分布与膜通道的分布相一致，这提示Cad-11可能与膜通道的形成有关。为证实这一点，他们采用siRNA技术敲除肌腱中的Cad-11基因，在电镜下观察到细胞的膜通道发生丢失，细胞发生分离，以及细胞外基质内胶原纤维束发生破裂，这充分证实Cad-11介导了膜通道的形成，进而影响腱细胞的排列方式。因此，Cad-11在肌腱的生长发育过程中起着至关重要的作用。
6 展望
综上所述，Cad-11在关节各组成部位均有表达，并在各部位生长发育过程中发挥重要的作用。无论在类风湿性关节炎发病过程中诱导FLSs细胞的增殖，还是在骨骼形成的凝聚过程中诱导骨髓间充质干细胞向成骨或软骨的分化，Cad-11均扮演着十分重要的角色。探索Cad-11在关节各组成部分结构形成中的作用，并以此为靶标展开类风湿性关节炎的基础性实验研究，具有重要的意义。同时，获取Cad-11对关节形成的资料，也可为组织工程骨和软骨的构建，尤其是骨/软骨生物界面的构筑提供充实的实验基础。
【参考文献】
[1] 邹仲之.组织学与胚胎学(第6版)[M].北京：人民卫生出版社，2006，51-54.
[2] Cheng SL, Lecanda F, Davidson M,et al.Human osteoblasts express a repertoire of cadherins, which are critical for BMP-2- induced osteogenic differentiation[J]. J Bone Miner Res, 1998,4:633-644.
[3] Kii I, Amizuka N, Shimomura J,et al.Cell-cell interaction mediated by Cadherin-11 directly regulates the differentiation of mesenchymal cells into the cells of the osteo-lineage and the chondro-lineage[J].J Bone Miner Res,2004,11:1840-1849.
[4] Kawaguchi J, Kii I, Sugiyama Y,et al.The transition of cadherin expression in osteoblast differentiation from mesenchymal cells: consistent expression of cadherin-11 in osteoblast lineage[J]. J Bone Miner Res, 2001,2:260-269.
[5] Kawaguchi J, Azuma Y, Hoshi K,et al.Targeted disruption of cadherin-11 leads to a reduction in bone density in calvaria and long bone metaphyses [J]. J Bone Miner Res, 2001,7:1265-1271.
[6] Sampson HW, Uearman AC, Akintola AD,et al.Immunohistochemical localization of cadherin and catenin adhesion molecules in the murine growth plate[J]. J Histochem Cytochem,2007,8:845-852.
[7] Nakamata T, Aoyama T, Okamoto T,et al.In vitro demonstration of cell-to-cell interaction in growth plate cartilage using chondrocytes established from p53-/- mice[J]. J Bone Miner Res,2003,1:97-107.
[8] Matsusaki T, Aoyama T, Nishijo K,et al.Expression of the cadherin-11 gene is a discriminative factor between articular and growth plate chondrocytes[J].Osteoarthritis Cartilage,2006,4:353-366.
[9] Valencia X, Higgins JM, Kiener HP,et al.Cadherin-11 provides specific cellular adhesion between fibroblast-like synoviocytes[J]. J Exp Med, 2004,12:1673-1679.
[10]Kiener HP, Lee DM, Agarwal SK,et al.Cadherin-11 induces rheumatoid arthritis fibroblast-like synoviocytes to form lining layers in vitro[J]. Ami Pathol,2006,5:1486-1499.
[11]Agarwal SK, Lee DM, Kiener HP,et al.Coexpression of two mesenchymal cadherins,cadherin 11 and N-cadherin, on murine fibroblast-like synoviocytes[J].Arthritis Rheumatism, 2008,4:1044-1054.
[12]Kiener HP, Brenner MB. Building the synovium: cadherin-11 mediates fibroblast-like synoviocyte cell-to-cell adhesion[J]. Arthritis Res Ther, 2005,2:49-54.
[13]Lee DM, Kiener HP, Agarwal SK,et al.Cadherin-11 in synovial lining formation and pathology in arthritis[J]. Science, 2007,5814:1006.
[14]Richardson SH, Starborg T, Lu Y,et al.Tendon development requires regulation of cell condensation and cell shape via cadherin-11-mediated cell-cell junctions[J]. Mol Cell Biol,2007,17:6218-6228.
作者单位：第三军医大学解剖学教研室，重庆市生物力学与组织工程重点实验室，重庆 400038