概述
縫隙連接分布廣泛，幾乎存在于所有的動物細胞中。用超薄切片術可顯示相鄰兩細胞的連接處的細胞質膜明暗相間七層結構，細胞間的縫隙約2納米，其内有間隔的均勻排列的顆粒。用冰凍斷裂電鏡技術顯示縫隙連接的顆粒區面積大小不等，且排列規則而密集。用X線衍射技術證明，每個顆粒由6個蛋白質亞單位構成，它們呈環行排列，中間有直徑2納米左右的小孔，被稱為連接小體（con-nexon）。每兩個連接小體相對合，并分别包埋在相鄰細胞的質膜中，構成兩個細胞之間的通道。連接小體成簇狀排列，以增加通道的數量。通道隻允許分子量小于1200的物質自由通過，如無機離子，氨基酸，葡萄糖等。縫隙連接是一種動态結構，有多種因素參與調節通道的開放和關閉，如細胞内pH、Ca2+濃度和細胞膜電位等。縫隙連接有多種功能，它與細胞的代謝和分化，物質的運輸和電興奮的傳導等有密切關系。
縫隙連接的組成與結構
組成
縫隙連接由連接蛋白組成,介導相鄰細胞間通訊、心肌協調去極化、胚胎發育、微血管傳導反應以及細胞增殖、遷移和分化等
連接蛋白是由十餘個成員組成的一個保守大家族，分子量由26～56KD（≈2.6×104～5.6×104u)不等,可分為α-Cx和β-Cx.在齧齒類動物中,至少由13個基因編碼，與其它種屬有較高的同源性，各亞成員之間有50%～60%同源，主要的差别在于Cx分子的胞漿部分。
結構
連接蛋白的共同結構如圖所示，四個跨膜親水片段稱為M1-4，為α螺旋結構，兩個胞外環（Extracellular loop）分别稱為E1-2，和一個胞漿環（cytoplastic loop/CL）。連接蛋白的羧基末端與氨基末端位于胞漿内，氨基末端相對比較保守，而羧基末端則差别較大。羧基末端的絲/蘇及酪氨酸殘基的磷酸化/去磷酸化水平影響着縫隙連接的形成及功能狀态，并能夠感受胞内的信息而改變構象，從而調節縫隙連接的形成及傳導性。胞外的E1與E2區各含三個半胱氨酸殘基，E1區的三個半胱氨酸分别由1個和3個氨基酸殘基分隔，E2區的半胱氨酸分别由4個與5個氨基酸殘基分隔，但在Cx31中，後者分别由5個與5個氨基酸殘基分隔，在E1環與E2環之間至少有一個二硫鍵連接。利用位點突變技術表明，在Xenopus卵母細胞中，Cx32的E1、E2區的任一半胱氨酸殘基突變都導緻縫隙連接的傳導性的完全阻斷，E1、E2區的半胱氨酸殘基單個突變導緻縫隙連接功能喪失，而成對的突變或第三位半胱氨酸殘基的單個突變則不影響功能。而E1與E2的第一與第三位半胱氨酸互換，則傳導性最高。E區形成堆棧的β-Sheet構象，E1、E2的反平行的β-Sheet結構與4個跨膜的α螺旋的順序排列相關。
連接蛋白可寡聚成六聚體即連接子或稱半通道(hemichannel）。連接子可由單一連接蛋白組成稱同聚體連接子（homometic connexon），也可有幾種連接蛋白構成異聚體連接子（heterometic connexon），如在羊晶狀體上皮間存在Cx46與Cx50的異聚體連接子。不同組合的異聚體連接子對物質的通透性具有選擇性，而E2區域的相互作用與選擇性通透有關。
由異聚體連接子參與組成的縫隙連接稱作異型縫隙連接（heterotypic gap junction），反之稱作同型縫隙連接（homotypic gap junction），在縫隙連接間的細胞間隙有35埃。
縫隙連接的功能
縫隙連接的親水孔道約1.5nm，允許分子量小于1.5 KD（≈0.15×104u）的離子、代謝物、及一些第二信使（cAMP、Ca2+、IP3）通過，通過物質交換構成GJIC。縫隙連接具有傳導快、低阻抗、延擱時間短的特點，主要的生理功能有以下幾個方面。
協調細胞間活動的一緻性
在心肌細胞中，它的活動具有全或無現象，細胞間收縮功能的協調是通過縫隙連接來完成的。利用Cx43基因的定标突變技術，發現突變型雜合子小鼠（Cx43-/+）較野生型（Cx43+/+）心室外膜的電傳導速度降低30%～40%，QRS波複極時間明顯延長。在體外培養的大鼠心肌細胞中，随着細胞間的縫隙連接增多，細胞由不規則收縮趨向同步收縮。
參與信息的傳遞及神經沖動的傳導
在一些細胞中，由于縫隙連接對細胞内第二信使如Ca2+的通透性，它能介導細胞間的信息傳遞。Toyofuku構建了一個模型，能同時表達Cx43與蘭尼啶受體（一種胞内内質網上的Ca2+通道）的A細胞四周圍以僅能表達Cx43的B細胞，從而形成縫隙連接，經機械刺激後，發現Ca2+經縫隙連接由A細胞向B細胞擴散。來自胚胎小鼠的星型細胞，富含由Cx43組成的縫隙連接，利用位點突變技術産生的純合子（Cx43-/-）和雜合子（Cx43-/+）小鼠星型細胞，機械刺激彙合的星型細胞，發現由此觸發的細胞内Ca2+上升的細胞數少于培養的野生型星型細胞。同樣Ca2+的經縫隙連接傳導在成骨細胞、軟骨細胞、小鼠視網膜色素上皮細胞、胰島素分泌細胞、羊的晶狀體上皮細胞中存在。
參與細胞的分化生長與發育
同樣利用Cx43缺陷的小鼠星型細胞，利用神經膠質細胞分化的标記物如神經膠質纖維原酸性蛋白和S100染色标記發現，在純合子、雜合子及野生型星型細胞的分化都正常，但前兩者的生長速度則減慢。Cx43-/-純合子小鼠出生不久即死亡。在Clone9肝細胞的增殖中，由PKC導緻磷酸化使縫隙連接失偶聯是在G0/S期發生事件中必需的［9］。在腫瘤發生中，GJIC中斷在腫瘤細胞的生長、轉移中起重要作用，在腫瘤組織中，縫隙連接的數目明顯減少，體外把腫瘤細胞與表達正常Cx43的正常組織細胞共同培養，則腫瘤細胞向正常分化。在生長發育過程中，一種Cx的表達可誘導或抑制其它Cx的表達，從而誘導細胞的正常分化生長。在胚胎期小鼠心髒發生中，準确的縫隙連接調節是保證心髒正常發生的關鍵，缺少Cx43基因的新生小鼠心髒發生異常。
縫隙連接和心血管疾病
在心血管系統中，心肌細胞及平滑肌細胞間存在着豐富的縫隙連接，其主要成分以Cx43為主，因此縫隙連接的功能失常将引起各種心血管疾病。
心律失常
心髒電複極的不一緻是導緻心律失常的一個重要原因。心肌纖維化常伴有較高的室性心律失常，其最明顯的病理結果是将心肌細胞隔離開來，從而失去縫隙連接的連接，失去電複極的一緻性，為折返的形成創造了條件。在有突變型的雜合子（Cx43-/+）的小鼠，心肌外膜的電位記錄顯示心髒電傳導降低30%～40%，而單個細胞的動作電位參數在突變型與野生型之間無區别。Shaw研究發現，當細胞間縫隙連接下降時，心肌單一傳導阻滞的易損窗時間（vulnerable window time;VWt）及易損窗電位（VWpot）分别增加4.7倍及3.6倍，從而更易出現單向傳導阻滞，引起折返。另外，心肌細胞的失偶聯比心肌細胞的興奮性降低更顯著引起VWt及VWpot的延長。一種人工合成的抗心律失常肽AAP10(antiarrhymic peptide），是通過增加縫隙連接的傳導性而起作用。在人類心髒組織的房室結、窦房結、及傳導束中，含有豐富的Cx40，各傳導纖維間的縫隙連接與激動的順利傳導密切相關。利用野生染色體連鎖分析，位于1号染色體1p1-1q1區間的Cx40的突變，是造成一種常染色體顯性遺傳的傳導阻滞的候選基因。
先天性心髒病
某些先天性心髒病的發生于縫隙連接的突變或功能喪失密切相關，這種突變可以是羧基末端的缺失，或磷酸化位點的點突變為主，從而影響Cx的功能。如上所述，一種以傳導阻滞及擴張性心肌病（DCM）為臨床表現的罕見先天性常染色體顯性遺傳性心髒病可能系Cx40的突變造成的。而當Cx43過度表達時，則形成小鼠的心髒及神經管的缺損。在另一種罕見的心髒異位伴側壁缺損的先天性心髒病中，發現存在S364位突變成脯氨酸，從而幹擾了羧基末端的正常磷酸化調節及其受PH的調節。
缺血性心髒病
心肌缺血及心肌梗死後，心律失常是最常見并且是潛在的具有生命危險的并發症。除了心肌纖維化以及低氧可以引起縫隙連接的功能障礙外，其它的具體機制尚未明了。正常的縫隙連接被限制于閏盤周圍，犬心肌梗死模型的心肌免疫組化研究發現，心肌梗死區的尚存活但有變性的心肌細胞間，原先的縫隙連接發生重構，縫隙連接沿側壁垂直族集排列，為室性心律失常形成折返環路。而遠離心肌梗死部位的心肌組織的縫隙連接分布正常，但縫隙連接表面積/細胞體積比下降了47%，縫隙連接數目/細胞比下降了30%。在心肌梗死愈合區的邊界的心肌細胞的電傳導降低，并且縫隙連接的組織方式明顯不規則，縫隙連接已不限于閏盤，而廣泛地分布于細胞表面。
心肌病
Cx40的突變被認為是形成一種遺傳性擴張型心肌病（DCM）的一個候選基因。而Cx40主要位于傳導系統中，故其突變如何引起DCM的機制尚待進一步研究。在肥厚型心肌病（HCM）中，在心髒細胞排列紊亂區，閏盤排列也紊亂失去規則，縫隙連接在心肌表面随機分布，而不局限于閏盤。細胞間縫隙連接數目增多，縫隙連接形狀發生異常，以及分布重構是形成心律失常的基礎，也就解釋了伴随HCM的心律失常産生與維持的原因。
感染性心髒病
Chagas病，一種南美洲錐蟲病，在拉丁美洲是引起心功能不全及心律失常的一個主要病因，其病程可以表現為急性及慢性過程。在齧齒類動物的心肌細胞培養時，給予急性感染，發現心肌細胞的同步收縮變得不規則，細胞間的縫隙連接減少，心肌細胞的電生理特性改變，動作電位時程變短，胞内Ca2+增高，α腎上腺素敏感性降低。來源于慢性感染兔的血漿經Langendorff兔心髒灌流時發現有心電圖異常，細胞間Lucifer Yellow染料的交換速度與程度明顯減少。因此，可能激素及體液免疫也影響着縫隙連接的功能。
動脈粥樣硬化
縫隙連接是連接相鄰兩個細胞間的重要通道,其功能和數目的改變與動脈粥樣硬化的發生密切相關
動脈粥樣硬化的病理生理本質是平滑肌細胞（DMC）的增生，及細胞外基質的過度合成。過去所重視的多是各種細胞，經細胞因子作用，經第二信使介導的間接細胞間通訊對SMC的作用，而對于SMC間的縫隙連接對動脈粥樣硬化發展的作用則研究較少。
目前認為，動脈粥樣硬化的發生被認為是一個類似腫瘤發生的一種良性過程。既然在腫瘤發生中，GJIC的中斷是必需的，那麼，縫隙連接的功能及數目的改變必然與動脈粥樣硬化的發生密切相關。
正常的血管組織中，完整的内皮細胞是維持血管正常生理功能是必需的，而Cx43是維持内皮連續性及完整性所必需的。在動脈粥樣硬化發生中，存在着内皮細胞的障礙，如内皮通透性增高，内皮的不連續；另外，内皮能與循環中的白細胞經縫隙連接而誘導白細胞的趨化，促其分泌細胞因子及化學物質，從而介導動脈粥樣硬化的形成。在脂多糖處理的兔缺血再灌注模型中，淋巴細胞表達Cx43，并與内皮形成縫隙連接。血液中的各種内皮毒性物質（如LDL、胰島素、高葡萄糖）也可破壞内皮間的縫隙連接形成。而同樣失去完整的縫隙連接，NO誘導的血管舒張作用便失去了作用。
SMC的轉型（由收縮型向分泌型轉變）及增生，向内膜移行及吞噬脂質是動脈粥樣硬化發生的一個關鍵。在此過程中，正常的位于中膜的SMC，必定要擺脫縫隙連接對細胞的固定作用。利用免疫組化的研究表明，在動脈粥樣硬化發生的早期，及内膜增厚期及早期斑塊中，熒光斑點數目增多，但直徑變小，随着病變進展，熒光斑點直徑變大，但數目變少。但在一些絲裂原物質的刺激下，通過Cx43的磷酸化，縫隙連接的功能是抑制的，同樣SMC的體外培養表明，細胞間縫隙連接是抑制SMC增殖的。在由收縮型向分泌型轉變後，SMC的Cx43表達增多達6倍，縫隙連接的直徑也變大了。在大鼠肝上皮細胞間，經血小闆源性生長因子（PDGF）刺激後，縫隙連接解體，Cx族集成塊狀，體積變大，最終由溶酶體吞噬。既然在絲裂原刺激下，縫隙連接是受抑制的，那與動脈粥樣硬化早期病變中，熒光标記的增多是相互矛盾的。因此推測，在絲裂原物質的刺激下，Cx43被磷酸化，使原先的縫隙連接解體，從而形成兩個半通道，抑制或幹擾Cx43的正常轉運及裝配，使Cx滞留于胞漿内，因而免疫組化時熒光染色數目增多，但顆粒直徑變小；到了晚期，Cx43逐漸族集成斑塊狀，經類似于受體介導的吞噬作用，被溶酶體吞噬而降解，故熒光染色數目減少，顆粒直徑變大。陳構建了雙細胞的立體網狀模型來研究縫隙連接，發現族集成斑塊狀的縫隙連接是很少具有通訊功能的。
循環中的單核/巨噬細胞不表達Cx43mRNA。然而原位雜交表明，來源于動脈粥樣硬化病變區的單核/巨噬細胞來源的泡沫細胞則表達豐富的Cx43mRNA。在動脈粥樣硬化發生過程中，單核/巨噬細胞經VLA-4與内皮細胞的VCAM-1結合而粘附，從而誘導縫隙連接Cx43的表達。由此推測，縫隙連接的形成，可能與單核/巨噬細胞的錨定、趨化滲透及吞噬脂質有關。
縫隙連接的形成機理的新發現
最近，Shaw等在Cell上發表文章表明，連接蛋白快速、直接靶定在細胞粘附接觸面的機制。這個過程涉及到微管，微管正極示蹤蛋白(plus-end tracking protein， +TIP) EB1和與EB1相互作用的蛋白p150（Glued）将微管限制在粘附面，如同細胞-細胞交界面的皮層錨。封面描述的是兩個鄰近的心肌細胞，在細胞-細胞接觸點上發展管縫連接片層。被限定的微管形成的管縫連接hemichannels導緻形成片基和細胞質交流。
長期以來，人們一直認為gap junction的形成過程，第一步是hemichannels徑向擴散（lateral diffusion），随後hemichannels由微管介導傳遞系統到達漿膜後形成gap junction。
加州大學醫學院心血管研究實驗室等部門的研究人員發現細胞以一種依賴微管的途徑，通過粘附連接蛋白N-cadherin和β-catenin、微管正極示蹤蛋白(plus-end tracking protein， +TIP) EB1以及與EB1相互作用的蛋白p150（Glued），将hemichannels直接靶定到細胞-細胞連接處。
在活細胞顯微方法，如光褪色後的熒光複活（fluorescence recovery after photobleaching ，FRAP)、全内反射（total internal reflection fluorescence ，TIRF）、去卷積（deconvolution）和siRNA敲除等方法的基礎上，研究人員推測微管正極優先拴縛（preferential tethering）在粘合連接(Adherens junction)，會促進将connexin hemichannels直接遞送到細胞-細胞交接面。這些發現提供了一個蛋白靶向細胞-細胞接觸點傳遞的新機制。
