剪切應(yīng)力誘導(dǎo)基質(zhì)細(xì)胞CCN蛋白的調(diào)控及功能

剪切應(yīng)力是由粘性流體流動施加的摩擦阻力。我們體內(nèi)最常見的剪切應(yīng)力形式是由血液循環(huán)產(chǎn)生的，血液循環(huán)對血管系統(tǒng)至關(guān)重要。此外，細(xì)胞周圍的間質(zhì)液流動也可以由機(jī)械力產(chǎn)生，并對細(xì)胞施加剪切應(yīng)力�；�質(zhì)細(xì)胞通訊網(wǎng)絡(luò)（CCN）蛋白家族被認(rèn)為參與介導(dǎo)剪切應(yīng)力相關(guān)信號傳導(dǎo)。

CCN蛋白家族是一組細(xì)胞間基質(zhì)蛋白，由六個(gè)成員CCN1-6組成，具有獨(dú)特的四結(jié)構(gòu)域富含半胱氨酸，除CCN5缺乏第四結(jié)構(gòu)域。分泌的CCN蛋白主要與細(xì)胞表面整合素受體結(jié)合，包括αVβ3、αVβ5、α5β1、α6β1、αIIBβ3、αMβ2和αDβ2，介導(dǎo)其在調(diào)節(jié)細(xì)胞生長、凋亡、衰老、自噬、遷移、分化和炎癥方面的多種功能。CCN蛋白的特定功能取決于環(huán)境和細(xì)胞類型�；�因敲除（KO）研究表明CCN蛋白在心血管和骨骼系統(tǒng)中的主要功能，這兩個(gè)主要系統(tǒng)中CCN的表達(dá)受剪切應(yīng)力調(diào)節(jié)。

最近，在國立成功大學(xué)醫(yī)學(xué)院細(xì)胞生物學(xué)與解剖學(xué)系、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所、附設(shè)醫(yī)院骨科課題組的一項(xiàng)綜述中，闡述了剪切應(yīng)力調(diào)控CCN蛋白在生理?xiàng)l件、疾病和細(xì)胞培養(yǎng)模型中的表達(dá)和功能，相關(guān)內(nèi)容發(fā)表在 Journal of Cell Communication and Signaling 期刊題為 “The regulation and functions of the matricellular CCN proteins induced by shear stress”。

血流動力學(xué)剪切應(yīng)力和CCN蛋白

作為基質(zhì)細(xì)胞蛋白家族，CCN1/CYR61和CCN2/CTGF（結(jié)締組織生長因子）的表達(dá)通過激活機(jī)械傳感器YAP/TAZ信號，在振蕩剪切應(yīng)力（OSS）作用下的內(nèi)皮細(xì)胞、體外流動室或小鼠頸動脈結(jié)扎引起的內(nèi)皮細(xì)胞中被誘導(dǎo)。OSS增加EC中CCN1和CCN2的mRNA水平，而層流剪切應(yīng)力（LSS）則抑制CCN1和CCN2的表達(dá)。OSS對YAP的激活至少可以通過涉及整合素α5β1的兩種途徑來實(shí)現(xiàn)。擾動流誘導(dǎo)內(nèi)皮下基底膜從富含膠原蛋白和層粘連蛋白的基質(zhì)重塑為富含纖連蛋白的臨時(shí)基質(zhì)，這使EC對氧化的低密度脂蛋白和高血糖引起的不良反應(yīng)敏感。OSS下內(nèi)皮α5β1和纖連蛋白結(jié)合磷酸化并激活胞質(zhì)蛋白激酶c-Abl，隨后誘導(dǎo)YAPY357磷酸化和核易位（激活）。此外，內(nèi)皮α5β1/纖連蛋白結(jié)合也可以募集和誘導(dǎo)磷酸酶PP2A全酶組裝，以促進(jìn)YAPS127的去磷酸化和 YAP 活化。此外，臨時(shí)基質(zhì)上的EC表達(dá)RGD結(jié)合整合素，包括α5β1和αVβ3。ECs上存在的整合素αVβ3在介導(dǎo)OSS誘導(dǎo)的炎癥中起關(guān)鍵作用。αVβ3與纖連蛋白結(jié)合并激活多效性轉(zhuǎn)錄因子核因子（NF）-κB，其誘導(dǎo)下游炎癥基因的表達(dá)，包括CCN1（圖1）。

相比之下，LSS直接通過轉(zhuǎn)錄因子Kruppel樣因子2（KLF2）誘導(dǎo)培養(yǎng)ECs中的CCN3/Nov表達(dá)。KLF2 由 LSS 通過機(jī)械感覺 PI3K 通路在 ECs 中誘導(dǎo)，并被促炎刺激和 NF-κB 抑制。KLF2通過阻斷NF-κB來抑制促炎細(xì)胞因子，并維持EC中的穩(wěn)態(tài)（圖1）。迄今為止，剪切應(yīng)力與CCN4-6表達(dá)之間的相關(guān)性尚未確定。
 

圖1    血管剪切應(yīng)力調(diào)控的CCN蛋白在內(nèi)皮細(xì)胞中的表達(dá)。

示意圖說明了受層流或紊動流產(chǎn)生的剪切應(yīng)力影響的機(jī)械感覺因子和CCN家族基因。層流促進(jìn)成熟的內(nèi)皮表型并增加抗炎CCN3的表達(dá)。相反，紊動流通過誘導(dǎo)促炎性 CCN1 和 CCN2 誘發(fā)內(nèi)皮功能障礙。CCN2還促進(jìn)血管平滑肌細(xì)胞從收縮狀態(tài)到合成狀態(tài)的表型轉(zhuǎn)換，從而導(dǎo)致細(xì)胞增殖。虛線箭頭：蛋白質(zhì)易位。黑色實(shí)心箭頭：激活下游效應(yīng)因子。紅色實(shí)線：抑制下游效應(yīng)因子。P：磷酸化。S：絲氨酸。Y：酪氨酸。

動脈疾病中剪切應(yīng)力調(diào)控的CCN蛋白

CCN1在介導(dǎo)OSS誘導(dǎo)的動脈粥樣硬化的易感性中起著至關(guān)重要的作用。如前所述，頸動脈結(jié)扎術(shù)產(chǎn)生血流紊亂和CCN1表達(dá)，導(dǎo)致新生內(nèi)膜增生和動脈粥樣硬化。攜帶α6β1-結(jié)合-缺失CCN1突變敲入蛋白的小鼠表現(xiàn)出對結(jié)扎誘導(dǎo)的動脈粥樣硬化的抵抗力。CCN1與α6β1結(jié)合，啟動動脈粥樣硬化信號的級聯(lián)反應(yīng)，包括超氧化物生成、NF-κB活化和內(nèi)皮細(xì)胞炎癥基因表達(dá)的增加。CCN1的KO揭示的CCN1在胚胎發(fā)生中的促存活和血管生成作用與其在成人中的促炎特性相反。

CCN2 在動脈粥樣硬化中也被誘導(dǎo)，特別是在復(fù)雜的易破裂斑塊中。CCN2在體外誘導(dǎo)單核細(xì)胞遷移，提示其在增強(qiáng)單核細(xì)胞浸潤到動脈粥樣硬化病變中的潛在作用。然而，CCN2在大鼠頸動脈血管成形術(shù)模型中促進(jìn)動脈損傷后的新內(nèi)膜增生，并在小鼠主動脈瘤模型中介導(dǎo)氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的血管平滑肌細(xì)胞（VSMC）表型轉(zhuǎn)換（圖1）。目前的證據(jù)表明，OSS誘導(dǎo)的CCN2具有促炎和促動脈粥樣硬化作用，值得進(jìn)一步研究。

此外，CCN4是另一種促炎CCN蛋白。雖然尚不清楚CCN4如何受到剪切應(yīng)力的調(diào)節(jié)，但重組CCN4增加了培養(yǎng)物中單核細(xì)胞對EC的粘附，并誘導(dǎo)EC中白細(xì)胞介素-6的產(chǎn)生。

與CCN1和CCN2相反，CCN3在體外的表達(dá)由EC中的LSS誘導(dǎo)，并被炎癥細(xì)胞因子（如腫瘤壞死因子α）抑制（圖1）。CCN3還抑制VSMC增殖和遷移，表明其動脈粥樣硬化保護(hù)特性。

同樣，在正常頸動脈中檢測到CCN5表達(dá)，但在球囊損傷去內(nèi)皮化后被抑制，CCN5是一種生長停滯特異性基因，可抑制VSMC增殖和遷移。尚未報(bào)道剪切應(yīng)力對CCN5的調(diào)控。

總之，許多（如果不是全部）CCN家族蛋白可以通過血流剪切應(yīng)力調(diào)控，并對血管完整性或疾病發(fā)展產(chǎn)生影響。

骨重塑中的CCN家族成員

有趣的是，一項(xiàng)早期研究表明，流體剪切應(yīng)力誘導(dǎo)骨細(xì)胞中內(nèi)皮相關(guān)基因表達(dá)。一系列與血管生成和內(nèi)皮功能相關(guān)的基因受到調(diào)控，包括血管內(nèi)皮生長因子、CCN1、CCN2、成纖維細(xì)胞生長因子1，神經(jīng)菌毛素等，這表明CCN家族蛋白在骨重塑中受到流體剪切應(yīng)力的誘導(dǎo)。

隨后，Kawaki等人證明CCN1、CCN2、CCN4和CCN5在新生小鼠顱骨細(xì)胞中表達(dá)。骨特異性CCN1條件敲除小鼠實(shí)驗(yàn)表明了CCN1在促進(jìn)骨形成中的作用。CCN2對于骨骼發(fā)育是必需的，但對于出生后骨骼重塑影響的程度較小。在骨折愈合中，CCN1和CCN2在第一階段上調(diào)，與它們在促進(jìn)骨形成中的作用一致。同樣，CCN4 KO導(dǎo)致皮質(zhì)骨厚度，橫截面積和軟骨內(nèi)礦物沉積的減少。與其他CCN家族蛋白不同，CCN3在成骨細(xì)胞分化中起抑制作用，是骨再生的負(fù)調(diào)節(jié)因子�？傊�，CCN家族蛋白參與骨形成和重塑的調(diào)節(jié)，其個(gè)體作用可以是補(bǔ)償性的，也可以是相反的。

CCN 家族成員介導(dǎo)流體剪切應(yīng)力誘導(dǎo)的骨重塑

CCN1基因可以通過RhoA依賴性途徑被機(jī)械超負(fù)荷誘導(dǎo)，該途徑涉及心肌素相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子（MRTF）-A與血清反應(yīng)因子（SRF）的形成復(fù)合物，并與CCN1啟動子中的SRF結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合。此外，轉(zhuǎn)錄因子，例如cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白，可以被機(jī)械刺激激活以誘導(dǎo)機(jī)械反應(yīng)性CCN1基因表達(dá)。為了闡明骨重塑過程中機(jī)械和生化信號通路在CCN表達(dá)調(diào)控中的串?dāng)_，Reichenbach等人證明了流體剪切應(yīng)力與YAP/TAZ協(xié)同作用于誘導(dǎo)BMP / TGF-β靶基因，包括CCN1和CCN2。此外，某些疾病，如類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎，通常與高血清白細(xì)胞介素-1β（IL-1β）和骨吸收水平有關(guān)。脈動流可以激活骨細(xì)胞以減輕IL-1β誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞發(fā)生。然而，CCN1在脈沖血流抑制破骨形成的確切作用尚不清楚。

CCN2在骨骼發(fā)育和重塑過程中表達(dá)。在牙槽骨成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞的牙齒移動期間，CCN2 mRNA增加，表明CCN2參與機(jī)械刺激誘導(dǎo)的成骨分化。生理性骨負(fù)荷在腔隙-小管系統(tǒng)中產(chǎn)生流體剪切應(yīng)力，這是觸發(fā)骨重塑的主要機(jī)械線索。這種流體剪切應(yīng)力激活小GTP酶RhoA信號傳導(dǎo)，以促進(jìn)成骨細(xì)胞中的肌動蛋白聚合以及隨后的CCN2表達(dá)和成骨分化�？偟膩碚f，骨細(xì)胞機(jī)械負(fù)荷誘導(dǎo)的CCN2沉積調(diào)節(jié)下游骨重塑過程（圖2）。

骨細(xì)胞作為機(jī)械傳感器，用于感知腔隙-小管系統(tǒng)中的流體剪切應(yīng)力，并通過調(diào)節(jié)成骨和破骨細(xì)胞因來子控制骨形成和吸收。已知CCN家族成員，特別是CCN1和CCN2，在介導(dǎo)流體剪切應(yīng)力誘導(dǎo)的骨重塑中起重要作用。然而，CCN3-6在流體應(yīng)力調(diào)節(jié)骨重塑中的作用尚未報(bào)道，值得進(jìn)一步研究，以更好地了解骨骼重塑的整個(gè)過程。

圖2   力負(fù)荷調(diào)控流體剪切應(yīng)力和骨穩(wěn)態(tài)。

（A）示意圖描繪了靜態(tài)條件下的骨微環(huán)境。（B）在左圖中，施加力負(fù)荷會在腔隙-小管系統(tǒng)中誘導(dǎo)流體流動，從而激活骨細(xì)胞。因此，活化的骨細(xì)胞分泌各種可溶性因子，如CCN1，CCN2，PGE2，硬化素，NO等，以調(diào)節(jié)骨的形成和吸收。在右圖中，增大的骨細(xì)胞顯示出流體剪切應(yīng)力誘導(dǎo)的骨細(xì)胞激活和信號傳導(dǎo)。位于骨細(xì)胞不同膜部位的機(jī)械傳感器（如整合素和piezo1）響應(yīng)力負(fù)荷引起的流體剪切應(yīng)力刺激，將生物物理線索轉(zhuǎn)化為生化信號。

剪切應(yīng)力是決定細(xì)胞功能表型或祖細(xì)胞命運(yùn)的關(guān)鍵環(huán)境因素。CCN蛋白受到心血管和骨骼系統(tǒng)中剪切應(yīng)力的嚴(yán)格調(diào)節(jié)。剪切應(yīng)力下CCN蛋白的生物學(xué)效應(yīng)與其在其他環(huán)境中的作用一致。CCN1和CCN2促進(jìn)細(xì)胞生長，修復(fù)，有時(shí)促進(jìn)疾病發(fā)展，而CCN3有利于生長停滯以維持體內(nèi)平衡和細(xì)胞成熟。盡管CCN蛋白具有相似的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，但它們可能具有相互沖突的功能，具體取決于環(huán)境和可用的整合素受體。雖然CCN蛋白受剪切應(yīng)力的差異調(diào)控，但細(xì)胞表面的整合素庫（機(jī)械感覺機(jī)器的一部分）也受到機(jī)械力的高度調(diào)節(jié)。然而，目前對不同流動模式下每種CCN蛋白可用的整合素的理解仍然有限。此外，剪切應(yīng)力對CCN4-6的調(diào)控在很大程度上仍然未知。該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究可能對開發(fā)新的治療靶點(diǎn)和策略具有重要的臨床意義。

參考文獻(xiàn)：Wang YK, Weng HK, Mo FE. The regulation and functions of the matricellular CCN proteins induced by shear stress. J Cell Commun Signal. 2023 May 16. doi: 10.1007/s12079-023-00760-z. Epub ahead of print. PMID: 37191841.
原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37191841/
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