Claudin蛋白家族的结构和功能
01 介 绍
Claudin是一种由多基因家族CLDN编码的四次跨膜蛋白，存在于所有上皮细胞和内皮细胞中。它们作为紧密连接的重要组成部分，位于上皮细胞的顶部-侧面膜处，通过自聚和细胞间相互作用连接相邻细胞的膜，从而形成屏障。这种紧密连接阻止分子在细胞之间穿过并维护细胞的极性。因此，Claudin蛋白在调节细胞间隙通透性和维护上皮和内皮细胞层的细胞间黏附方面发挥着至关重要的作用(1,2)。
02 人Claudin（CLDN）基因组
在哺乳动物体内，Claudin家族由24个基因组成，其表达具有组织特异性。例如，Claudin-7在小肠和大肠中高度表达，而Claudin-6在这些组织中则不表达。值得注意的是，人类和灵长类缺乏CLDN-13基因，该基因主要存在于小鼠和啮齿动物中（3）。
此外，由于选择性起始位点或剪接的原因，Claudin-10、Claudin-18和Claudin-19存在两种亚型，这使得Claudin蛋白的种类数量增加到27种。CLDN基因很小，其不包含或包含少量内含子。在人染色体上，几对高度同源的CLDN基因紧密相邻。例如，CLDN6和CLDN9位于染色体16上，相距仅200个碱基对。类似地，染色体4上的CLDN22和CLDN24，染色体21上的CLDN8和CLDN17，以及染色体7上的CLDN3和CLDN4，相距均在50 kb以内。这种基因组结构表明，基因复制是Claudin遗传多样性的推动力（4,5）。
03 蛋白结构
人Claudin是一类很小的蛋白质，其大小在21到34 kDa之间。它们的表达受各种生长因子和细胞因子在转录水平或转录后水平的调节(6)。 Claudin的一般结构包括四个跨膜区域，其中N-和C-末端延伸到细胞质内，以及称为ECL1和ECL2的两个细胞外环。N末端序列通常很短，包含大约5-7个氨基酸，而C末端序列长度变化很大，并具有极高的序列异质性。
晶体结构显示：ECL形成一个反平行的β-折叠。ECL1通常包含四个β-链和一个单个的细胞外螺旋，而ECL2由一个单个的β-链和一个3D跨膜区域的细胞表面暴露域组成(7,8)。ECL1中的两个高度保守的半胱氨酸残基可以形成二硫键以稳定蛋白质构象。ECL1参与细胞旁路通道转运，并决定细胞间透过运输的电荷选择性。基于分子建模研究，ECL2被假设以螺旋-转折-螺旋的结构折叠，并通过疏水相互作用与相邻的细胞膜上的Claudin形成二聚体 (7,8)。
04 Claudin的功能调节
Claudin可根据序列同源性和ECL1域中带电残基的数量被分为两组，即经典和非经典。功能研究表明，经典Claudin可以作为不透水的屏障，降低细胞间隙对水和可溶性离子的整体渗透性。相反，非经典Claudin可能构成孔道，促进选择性离子渗透。此外，Claudin家族成员可以通过其跨膜结构域在单个细胞内进行顺式作用，也可以通过它们在相邻细胞之间的ECLs进行反式作用与彼此互动，从而建立具有选择性渗透性的强大和紧密的细胞间连接，它可以基于电荷和大小允许使部分离子和小分子得以通过。
Claudin的细胞质C末端域包含一个PDZ结合基序，该基序能够与包含PDZ域的支架蛋白直接相互作用。此外，该末端结构域还是各种翻译后修饰的靶点；例如酯化作用会影响蛋白质的稳定性/半衰期，丝氨酸/苏氨酸和酪氨酸磷酸化可以调节屏障功能（10）。例如，蛋白激酶A和C的磷酸化可以导致Claudin-3和Claudin-4的细胞间隙通透性增加；赖氨酸缺陷的蛋白激酶4（WNK4）可以导致多个Claudin磷酸化并增加细胞间隙通透性（11）。
05 病理生理学中的Claudin
CLDN基因的突变会引起多种人类疾病。例如，CLDN1基因突变会导致以皮肤逐渐脱落和胆管阻塞为代表的新生儿鱼鳞病硬化性胆管炎综合征 [12]。CLDN16表达于镁和钙被细胞间隙重吸收的肾脏亨氏袢升支的紧密连接处。CLDN16基因突变导致一种罕见的镁重吸收障碍性疾病，称为家族性低镁血症 [13]。CLDN19基因突变与眼部疾病有关，如视网膜缺损、眼球震颤和近视。CLDN14表达于内耳上皮细胞中，当其发生突变时会导致非综合征性隐性遗传性耳聋 [14]。Claudin家族部分成员还参与感染过程：Claudin-1、Claudin-6和Claudin-9能与病毒蛋白相互作用，其是丙型肝炎病毒进入的共受体 [15]，而Claudin-3和Claudin-4是肠道内Clostridium perfringens肠毒素的细胞表面受体 [16]。
此外， Claudin家族多个成员在肿瘤中异常表达。Claudin-1在乳腺癌和结肠癌中表达下调，而Claudin-3和Claudin-4在乳腺癌、前列腺癌、卵巢癌和胰腺癌中表达大幅度上调（17）。紧密连接在维持上皮完整性方面起着重要作用，而紧密连接结构的丧失可能导致癌细胞的侵袭并最终转移。因此，Claudins的异常表达可能导致紧密连接的紊乱，促进上皮间质转化（EMT），从而对细胞迁移和转移产生影响（10）。此外，Claudin表达水平的改变可能导致细胞间隙通透性的变化，从而对组织生理和代谢产生影响。在肿瘤发展过程中，紧密连接往往出现松动，而Claudins常常与通过激活细胞内信号通路的方式促进肿瘤增殖和侵袭（10）。
Claudin的表达是上皮组织健康和完整性的指标；多项研究已经证实了Claudin作为生物标志物的作用。目前在特定组织中以Claudin作为治疗靶点的研究正在开展，其中包括使用毒素或毒素片段（例如Clostridium perfringens肠毒素的C端）进行靶向治疗。
06 Claudin作为治疗靶点
针对Claudin的靶向治疗在肿瘤学领域已经受到了广泛关注。虽然，Claudin在恶性组织和非恶性组织中都有表达。但是，大多数非恶性组织中的Claudin仅表达于细胞的紧密连接处，因此其并不容易受到抗体的影响。
上皮组织的恶性转化会导致形态学改变和细胞间紧密连接的受损，从而让Claudin暴露于外部环境。正常组织与肿瘤组织之间的Claudin的差异使得针对Claudin为抗体靶点的靶向治疗对正常组织的副作用极小，显示了以Claudin作为抗体治疗靶点的优越性。
针对 Claudin 蛋白的多种药物正在开发之中：如：Claudin-4是克雷伯氏菌肠毒素的细胞表面受体，因此克雷伯氏菌肠毒素的 C 端结构域（C-CPE）可作为潜在的抗癌药物，用于治疗表达 Claudin-4 的胰腺癌（7）。
以 Claudin单克隆抗体进行靶向治疗的尝试已经开始，并在针对肿瘤的临床试验中具有非常好的表现（5）。除此以外，针对 Claudin 家族的抗体治疗，在再生医学、炎症性疾病和病毒感染方面也极具潜力（18）。
第一种进入临床的抗 Claudin 抗体是针对 Claudin-18.2 的 zolbetuximab (IMAB362)。其在胃癌和胃食管结合部肿瘤中的临床试验中显示的疗效，为以Claudin为靶点的更多研究提供了信心。
07 结论
目前，以 Claudin 家族蛋白作为治疗靶点的研究稳步增长。为了支持该领域的研究，BPS Bioscience 开发出了一些列表达Claudin的细胞系，非常适合筛选Claudin 抗体或筛选针对Claudin的CAR（嵌合抗原受体）细胞。我们的 Claudin 抗体可用作结合或中和测定中的阳性对照。
08 Claudin细胞系产品
09 Claudin抗体，蛋白和慢病毒相关产品
References
(1) Günzel D, Yu ASL. Claudins and the Modulation of Tight Junction Permeability. Physiol Rev. (2013) 93: 525–569. PMID: 23589827
(2) Angelow S, Ahlstrom R, Yu AS. Biology of claudins. Am J Physiol Renal Physiol. (20080 295(4): F867-876. PMID: 18480174
(3) Thompson PD, et al. Claudin 13, a Member of the Claudin Family Regulated in Mouse Stress Induced Erythropoiesis. PLoS ONE (2010) 5(9): e12667. PMID: 20844758
(4) Lal-Nag M, Morin PJ. The claudins. Genome Biol (2009) 10: 235. PMID: 19706201
(5) Baltzegar DA, et al. Phylogenetic revision of the claudin gene family. Mar Genomics. (2013) 11: 17-26. PMID: 23726886
(6) González-Mariscal L, et al. Crosstalk of tight junction components with signaling pathways. Biochim Biophys Acta. (2008) 1778(3): 729-756. PMID: 17950242
(7) Hashimoto Y, et al. Potential for Tight Junction Protein-Directed Drug Development Using Claudin Binders and Angubindin-1. Int J Mol Sci. (2019) 20(16): 4016. PMID: 31426497
(8) Suzuki H, et al. Model for the architecture of claudin-based paracellular ion channels through tight junctions. J Mol Biol. (2015) 427(2): 291-297. PMID: 25451028
(9) Furuse M, et al. Manner of interaction of heterogeneous claudin species within and between tight junction strands. J Cell Biol. (1999) 147(4): 891-903. PMID: 10562289
(10) Bhat AA, et al. Tight Junction Proteins and Signaling Pathways in Cancer and Inflammation: A Functional Crosstalk. Front Physiol. (2019) 9: 1942. PMID: 30728783
(11) Yamauchi K, et al. Disease-causing mutant WNK4 increases paracellular chloride permeability and phosphorylates claudins. Proc Natl Acad Sci USA. (2004) 101(13): 4690-4694. PMID: 15070779
(12) Hadj-Rabia S, et al. Claudin-1 gene mutations in neonatal sclerosing cholangitis associated with ichthyosis: a tight junction disease. Gastroenterology. (2004) 127: 1386-1390. Erratum in: Gastroenterology. 2005 Feb;128(2):524. PMID: 15521008
(13) Simon DB, et al. Paracellin-1, a renal tight junction protein required for paracellular Mg2+ resorption. Science. (1999) 285(5424): 103-106. PMID: 10390358
(14) Wilcox ER, et al. Mutations in the gene encoding tight junction claudin-14 cause autosomal recessive deafness DFNB29. Cell. (2001) 104(1): 165-172. PMID: 11163249
(15) Evans MJ, et al. Claudin-1 is a hepatitis C virus co-receptor required for a late step in entry. Nature. (2007) 446(7137): 801-805. PMID: 17325668
(16) Katahira J, et al. Clostridium perfringens enterotoxin utilizes two structurally related membrane proteins as functional receptors in vivo. J Biol Chem. (1997) 272(42): 26652-26658. PMID: 9334247
(17) Li J. Dysregulated expression of claudins in cancer. Oncol Lett. (2021) 22(3): 641. PMID: 34386063
(18) Hashimoto Y, et al. Claudin-Directed Drug Development. J. Pharm. Exp. Ther. (2019) 368 (2): 179-186. PMID: 30530622
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