應(yīng)用于動(dòng)脈粥樣硬化和抗動(dòng)脈粥樣硬化的剪切應(yīng)力信號的內(nèi)皮機(jī)械傳感器

源自中胚層的血管內(nèi)皮細(xì)胞（ECs）形成覆蓋在血管內(nèi)表面的單層鱗狀細(xì)胞。除了受到來自細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）和血液的化學(xué)信號的調(diào)節(jié)外，ECs 還直接面對復(fù)雜的血流動(dòng)力學(xué)環(huán)境。這些物理輸入被轉(zhuǎn)化為生化信號，決定了細(xì)胞行為和目的的多個(gè)方面，包括生長、分化、遷移、粘附、死亡和存活。

 

機(jī)械傳感器是對機(jī)械環(huán)境變化的初始響應(yīng)者，其中絕大多數(shù)位于質(zhì)膜上。物理力影響質(zhì)膜流動(dòng)性和質(zhì)膜上蛋白質(zhì)復(fù)合物的變化，伴隨著改變細(xì)胞間連接、細(xì)胞-ECM 粘附、細(xì)胞骨架的變形，從而形成特定表型的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)。在施加在 ECs 上的各種力中，定義為血流施加的切向摩擦力的剪切應(yīng)力（SS）已被廣泛研究，包括機(jī)械感應(yīng)、機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)以及相應(yīng)的表型。

 

然而，確定動(dòng)脈粥樣硬化傾向和動(dòng)脈粥樣硬化保護(hù)表型的精確機(jī)械傳感器和信號通路仍不清楚。此外，值得一提的是，一些已建立的抗動(dòng)脈粥樣硬化 SS 機(jī)械傳感器，例如內(nèi)皮糖萼，可能會被動(dòng)脈粥樣硬化傾向的 SS 破壞。因此，南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科的課題組概述了當(dāng)前關(guān)于 ECs 中 SS 信號的機(jī)械傳感器的研究進(jìn)展。

 

整合素

整合素是跨膜蛋白受體家族，它結(jié)合 ECM 中的粘附分子并通過連接蛋白連接到細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞骨架，從而建立細(xì)胞內(nèi)外結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。它們是由兩個(gè)亞基 α 和 β 組成的跨膜粘附蛋白。

 

Sun 等人表明，振蕩剪切應(yīng)力（OSS，0.5 ± 4 dynes/cm²，2 h）顯著提高了脂筏中總的和活化的整合素 α5 的水平。動(dòng)脈粥樣硬化易發(fā)區(qū)的 EC 功能障礙依賴性于整合素 α5。此外，層流SS（12 dynes/cm²，5 min）快速激活整合素 αvβ3 以及整合素 β3，并促進(jìn)整合素-Gα13 相互作用，從而在體內(nèi)和體外抑制 RhoA-YAP 磷酸化。OSS 還通過 ECs 中的 CCN1-α6β1 通路促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化表型。先前的一項(xiàng)研究表明，整合素 αvβ3 通過層狀 SS 介導(dǎo) Rho 依賴性的細(xì)胞骨架排列。

 

細(xì)胞骨架

細(xì)胞骨架是指蛋白質(zhì)纖維骨架，由微管（MTs）、微絲（MFs）和中間絲（IFs）組成。它與細(xì)胞形態(tài)和細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的變化有關(guān)。

層流 SS 通過調(diào)節(jié)應(yīng)力纖維的組裝和排列來誘導(dǎo) ECs 的伸長和取向。Avari 等人使用 GFP-波形蛋白融合蛋白觀察暴露于流體層流SS（12 dynes/cm²）的活 ECs 中 IFs 的快速變形。在靜態(tài)條件下，F(xiàn)-肌動(dòng)蛋白短而薄且方向隨機(jī)，而 F-肌動(dòng)蛋白鏈環(huán)繞在細(xì)胞邊緣。在動(dòng)脈粥樣硬化傾向條件下（1.13±0.10 dynes/cm2，24 h），ECs 呈現(xiàn)整體隨機(jī)F-肌動(dòng)蛋白極性，外圍肌動(dòng)蛋白鏈消失。在動(dòng)脈粥樣硬化保護(hù)條件下（11.5±0.9 dynes/cm²，24 h），F(xiàn)-肌動(dòng)蛋白與血流方向一致，細(xì)胞內(nèi)布滿更致密、更粗的肌動(dòng)蛋白束。

小窩

小窩或細(xì)胞質(zhì)膜微囊（Caveolae），直徑 50～100nm，是細(xì)胞膜內(nèi)陷形成的燒瓶狀質(zhì)膜微區(qū)，主要由膽固醇、鞘磷脂、蛋白質(zhì)組成。小窩蛋白-1（Caveolin-1）是其主要的蛋白成分。

 

小窩的亞細(xì)胞分布和周轉(zhuǎn)由 SS 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。在靜態(tài)條件下，據(jù)報(bào)道 Cav-1 主要位于細(xì)胞邊界附近。然而，Cav-1 在層流 SS 暴露（15 dynes/cm²，24 h）后向細(xì)胞中間和頂端堆疊遷移。Wang 等人表明 OSS（4 dynes/cm²，30 min）導(dǎo)致 Cav-1 在 tyrosine-14 上的磷酸化。另一組發(fā)現(xiàn)層流 SS（10 dynes/cm²，5 min）刺激 Cav-1 磷酸化（pY14），這取決于 Src 家族激酶（SFK）活性和整合素的激活。層流 SS（15 dynes/cm²，秒）在小窩處引起三磷酸腺苷（ATP）釋放，隨后在 ECs 的相同位置觸發(fā) Ca²⁺ 通量。

 

離子通道

幾個(gè)離子通道是 SS 響應(yīng)的，它們的電流可以通過全細(xì)胞膜片鉗法確定。應(yīng)用 LSS（0.5-3.5 dynes/cm²，秒）后，流出氯化物的通道導(dǎo)致 EC 膜去極化，而流入鉀離子的流動(dòng)敏感通道介導(dǎo)EC 膜超極化。

 

最近，跨膜蛋白 Piezo1 已被確定為機(jī)械激活離子通道的重要組成部分。Piezo1 介導(dǎo)層流 SS 誘導(dǎo)的 Ca²⁺ 內(nèi)流，還調(diào)節(jié)血管生成、NO 產(chǎn)生、血管張力和血壓。層流 SS（15 dynes/cm²）誘發(fā)了前頂端片狀偽足處的 Piezo1 積累。內(nèi)皮 Piezo1 是啟動(dòng)層流誘導(dǎo)的 ATP 釋放和血管舒張（15 dynes/cm²）所必需的，從而控制血壓。HSS 誘導(dǎo)的單核細(xì)胞活化依賴于 Piezo1，通過導(dǎo)管主動(dòng)脈瓣植入（TAVI）減少 SS 導(dǎo)致的單核細(xì)胞活化下調(diào)。

 

G 蛋白和 GPCRs

已經(jīng)表明，即使在沒有另一個(gè)潛在的機(jī)械傳感器的情況下，層流 SS（30 dynes/cm²，1 min）在無蛋白質(zhì)受體區(qū)域激活和重組純化的 G 蛋白脂質(zhì)體，這表明 G 蛋白是一種機(jī)械傳感器。

 

HSS（300 dynes/cm², 2 min）被發(fā)現(xiàn)在 GPCRs 中引起配體無關(guān)的構(gòu)象變化。Zeng 等人表明，CXCR1 和 CXCR2，眾所周知的 GPCRs，介導(dǎo)了層流 SS 誘導(dǎo)的 EC 遷移。Gαq/11 和 PECAM-1 共定位于小鼠主動(dòng)脈動(dòng)脈粥樣硬化保護(hù)區(qū)域的細(xì)胞-細(xì)胞連接處。有趣的是，在動(dòng)脈粥樣硬化易發(fā)區(qū)和 PECAM-1 敲除小鼠的整個(gè)動(dòng)脈中，Gαq/11 均缺失，這表明 Gαq/11-PECAM-1 復(fù)合物是血管疾病的關(guān)鍵介質(zhì)。

 

糖萼

由蛋白聚糖（PGs）及其相關(guān)的糖胺聚糖（GAG）側(cè)鏈組成的內(nèi)皮細(xì)胞糖萼（EG）可以通過釕紅染色來識別。

暴露于層流 SS（15 dynes/cm²）24 小時(shí)后，糖萼的厚度增加。Yao 等人表明，肝素酶去除糖萼可防止 HSS 誘導(dǎo)的細(xì)胞重新定向并減弱 HSS 介導(dǎo)的細(xì)胞增殖。Dragovich 等人證明了響應(yīng)層狀 SS 的快速 Ca²⁺ 內(nèi)流和 NO 產(chǎn)生取決于 EG。最后，EG 不同程度地介導(dǎo)了動(dòng)脈粥樣硬化保護(hù)和動(dòng)脈粥樣硬化傾向性 SS 的作用，因?yàn)橄啾扔趧?dòng)脈粥樣硬化保護(hù)性SS的作用，動(dòng)脈粥樣硬化性 SS 干擾了 EG 的表達(dá)。

 

初級纖毛

纖毛結(jié)構(gòu)大體上可以分為三部分：軸絲、纖毛基質(zhì)和纖毛膜。纖毛大體可分為兩種型態(tài)：一種稱為運(yùn)動(dòng)纖毛，其軸絲的主體骨架為“9+2”微管結(jié)構(gòu)；另一種是初級纖毛，大多為“9+0”結(jié)構(gòu)，一般用作感應(yīng)細(xì)胞器。
 

初級纖毛在體內(nèi)低流動(dòng)和振蕩流動(dòng)區(qū)域更加豐富和更長。然而，在層流 SS（15 dynes/cm²，1-2 h）下，它們幾乎無法被檢測到并且變得更短和更容易被拆解。經(jīng)受層狀SS（15 dynes/cm²，5 h）處理的胚胎動(dòng)脈中的非纖毛細(xì)胞的KLF2表達(dá)明顯低于胚胎心臟纖毛細(xì)胞。纖毛多囊蛋白2（PC-2）的正確表達(dá)和定位是NO 生物合成響應(yīng)層流 SS（7 dynes/cm²）所必需的。

 

叢狀蛋白 D1

Plexin D1（PLXND1）是跨膜蛋白叢蛋白的一個(gè)亞家族，是信號素家族中一種關(guān)鍵的 Ca²⁺ 依賴性細(xì)胞表面受體，具有多種結(jié)構(gòu)。

 

最近，Mehta 等人發(fā)現(xiàn) PLXND1 是一種直接的機(jī)械傳感器。PLXND1 與 neuropilin-1 和 VEGFR2 形成機(jī)械復(fù)合物以響應(yīng) SS（12 dynes/cm²，2 min），并且該機(jī)械復(fù)合物位于連接復(fù)合物和整合素激活的上游。敲除 PLXND1 表達(dá)減弱了層流 SS（12 dynes/cm²，10 min）下的早期反應(yīng)，例如關(guān)鍵信號傳導(dǎo)介質(zhì) Akt、ERK1/2 和 eNOS 的磷酸化。

 

其他可能的機(jī)械傳感器

 

酪氨酸激酶受體是剪切應(yīng)力傳感和轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要參與者，尤其是 VEGFR-2。此外，Tie1/Tie2 受體系統(tǒng)在 ECs 的穩(wěn)態(tài)中起關(guān)鍵作用。Tie2 的總量和磷酸化水平在層流 SS（6 dynes/cm²）下增加。Idowu 等人指出 Tie2 以 GATA3 依賴性方式控制血管屏障功能。值得注意的是，Tie1 表達(dá)的快速下調(diào)是由該分子的快速裂解導(dǎo)致的，它對層流 SS 變化敏感。裂解的 Tie1 45 kDa 內(nèi)結(jié)構(gòu)域與 Tie2 的結(jié)合可能是 ECs 不穩(wěn)定所必需的。相比之下，Tie1 啟動(dòng)子活性被擾動(dòng)流上調(diào)。

 

最近有人提出核受體 YAP 和 TAZ 是新型的核中繼傳感器和機(jī)械信號的介質(zhì)。YAP/TAZ 活性受 ECM 硬度和細(xì)胞幾何形狀的調(diào)節(jié)，這需要 Rho 活性和肌動(dòng)球蛋白細(xì)胞骨架。層流 SS（15 dynes/cm²，18 h）降低了血管緊張素轉(zhuǎn)換酶（ACE）的表達(dá)，因?yàn)檫@種反應(yīng)需要細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域以及 ACE Ser1270，Barauna 等人提出，ACE 細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域充當(dāng)機(jī)械傳感器，而細(xì)胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)導(dǎo)下游細(xì)胞內(nèi) JNK 信號傳導(dǎo)。

 

圖1   參與內(nèi)皮細(xì)胞機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要機(jī)械傳感器和信號通路。

（A）顯示了動(dòng)脈粥樣硬化保護(hù)性剪切應(yīng)力中的內(nèi)皮機(jī)械傳感器和信號通路。

（B）顯示了動(dòng)脈粥樣硬化傾向性剪切應(yīng)力中的內(nèi)皮機(jī)械傳感器和信號通路。

 

目前，隨著多層次和多維策略被應(yīng)用于探索流量響應(yīng)，正在發(fā)現(xiàn)更多的潛在機(jī)械敏感基因。其他機(jī)械傳感器也可能與其他因素一起參與動(dòng)脈粥樣硬化的不同階段。未來，這還需要進(jìn)一步的研究。

 

參考文獻(xiàn)：Li H, Zhou WY, Xia YY, Zhang JX. Endothelial Mechanosensors for Atheroprone and Atheroprotective Shear Stress Signals. J Inflamm Res. 2022 Mar 11;15:1771-1783. doi: 10.2147/JIR.S355158. PMID: 35300215; PMCID: PMC8923682.

文章來源：http://www.naturethink.com/?news/225.html​

 

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