細胞機械應力響應的生物學基礎及機制研究進展

越來越多的研究表明，機械應力(mechanicalstress，Ms)在細胞增殖、分化、凋亡、基因表達以及組織生長、功能整合等生理過程和某些病理生理(如心肌肥大、動脈粥樣硬化和皮膚擴張、骨折等創(chuàng)傷修復)過程中起著重要的作用。但是應力如何被細胞感受并傳遞至細胞內(nèi)，最終導致細胞發(fā)生一系列生物學效應的確切響應機制仍處于探索階段，并未完全闡明，本文就近年來細胞機械應力響應的生物學基礎及機制研究進展綜述如下。

1 細胞機械應力響應的生物學基礎

1．1 細胞結(jié)構(gòu)的張力完整性：張力完整性結(jié)構(gòu)(stress integrality structure，SIS)由承受壓力構(gòu)件和一系列連續(xù)的張力構(gòu)件相互連接組成。這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性取決于結(jié)構(gòu)內(nèi)部完整性的保持，因而被稱為張力完整性。生物學研究表明，細胞的結(jié)構(gòu)符合張力完整性原理，而且細胞骨架(cellularframework，CF)的張力完整性影響細胞的形狀及功能。細胞骨架的張力完整性是細胞形變的主要決定因素。有關(guān)研究表明扁平細胞比圓形細胞DNA合成更為旺盛，說明細胞的變形是信息傳遞的重要環(huán)節(jié)。在機械應力的作用下細胞骨架的所有構(gòu)件為了分散張力和壓力而發(fā)生整體重排，從而導致細胞發(fā)生形變，細胞形狀調(diào)節(jié)發(fā)出的調(diào)節(jié)信息以力的形式傳遞。因此，機械應力的變化可以通過細胞及其骨架內(nèi)的力平衡而對細胞的生長和生化性質(zhì)產(chǎn)生影響，即細胞受到來自體外的直接的力學刺激時，它的形態(tài)和功能都會發(fā)生改變。由于張力完整性結(jié)構(gòu)中存在預應力，若對該結(jié)構(gòu)中的某一構(gòu)件施加應力，所有相互連接的構(gòu)件包括距離很遠的構(gòu)件就會整體重排，從而導致線性硬化響應，即結(jié)構(gòu)硬度的增加與施加應力的增加成正比。活細胞線性硬化以響應通過細胞表面受體傳遞的應力，力學信號再通過細胞骨架的幾何形狀或分子結(jié)構(gòu)依賴于力的變化而轉(zhuǎn)變?yōu)樯憫Ｑ芯堪l(fā)現(xiàn)，骨架重排可引起細胞形態(tài)的改變，細胞骨架作為細胞內(nèi)的張力框架，通過與細胞膜上分子的直接聯(lián)系，將力學受體上的分子扭曲力在細胞內(nèi)傳遞分布，再經(jīng)過效應分子的扭曲力將力學信號最終表現(xiàn)在效應點上。

1．2 整合素：細胞整合素是一類重要的細胞表面受體，其配體主要為細胞外基質(zhì)蛋白(extracellularmatrix，ECM)，如膠原蛋白、纖粘連蛋白、層粘連蛋白等。整合素通過識別這些胞外基質(zhì)蛋白，介導細胞與細胞、細胞與ECM的粘附反應并接受傳導級聯(lián)信號，在多種基本的病理生理過程中發(fā)揮重要作用。其β亞單位的胞內(nèi)區(qū)不僅能與肌動蛋白結(jié)合的蛋白質(zhì)如vinculin、talin、paxillin及－actinin反應，而且還能與聚焦粘附激酶(focaladhesion kinase，F(xiàn)AK)的氨基端反應，F(xiàn)AK進一步與各種信號分子反應，如C－Src、Graf(與FAK有關(guān)的GTP酶調(diào)控因子)、IP－3激酶等，這些信號分子又可進一步激活各種下游蛋白的級聯(lián)反應，包括促有絲分裂原激活蛋白激酶(mitogen－activitatedprotein kinase，MAPK)，蛋白激酶c(proteinkinase C，PKC)和PIP－5激酶等。

目前，越來越多的研究表明整合素具有機械應力轉(zhuǎn)導的功能，并且主要集中于整合素聚焦粘附區(qū)域，起到變機械力學信號為化學信號的作用。采用裱襯了纖粘連蛋白或含RGD肽的微球?qū)毎M行剪切加載，發(fā)現(xiàn)力信號可以直接傳入細胞骨架(表現(xiàn)為細胞硬度指數(shù)隨應變增大而增高)，而若微球未裱襯或裱襯其他非整合素的配體，則力信號不能直接傳入細胞骨架。利用磁扭轉(zhuǎn)細胞計，將機械應力直接作用于細胞表面受體證實，β₁整合素能將力信號傳遞至細胞骨架，誘導聚焦粘附的形成，支持應力依賴性細胞硬度反應，這說明整合素是外力傳向細胞骨架的通道，細胞通過其表面的整合素受體及時響應，以張力整和的形式將響應的機械力信號有選擇地轉(zhuǎn)換到細胞和核內(nèi)的不同結(jié)構(gòu)部件上，如聚焦粘附絡合物中的信號分子、細胞膜中的離子通道、核糖體、核膜孔、染色體、甚至可能是單個基因，實現(xiàn)力化學轉(zhuǎn)化，從而調(diào)節(jié)細胞的生理機能，對維持細胞的生長和影響細胞的功能產(chǎn)生調(diào)控作用。

1．3 第二信使系統(tǒng)：細胞感受機械應力之后可生成一系列的第二信使分子，比如Ca²⁺，cAMP、PKC和IP3等。機械牽拉或剪應力作用可使成骨細胞和一些力敏感細胞(如血管內(nèi)皮細胞)胞內(nèi)Ca²⁺濃度迅速增高，Duncan等人的工作表明，應力誘導的成骨細胞胞內(nèi)Ca²⁺濃度增高，至少部分通過應力敏感離子通道，且牽拉可使其電導增加并變得對機械刺激更為敏感。機械應變和剪應力亦均可誘導胞內(nèi)IP3濃度增高，而IP3可以動員胞內(nèi)鈣庫的釋放，從而使胞內(nèi)Ca²⁺十濃度增高。機械牽拉和剪應力均可使胞內(nèi)cAMP濃度增高，而cAMP濃度的增高與力刺激誘導的細胞增殖和基質(zhì)合成密切相關(guān)。機械刺激可在20s內(nèi)增高IP3水平，并使IP3水平和PKC活性在2min內(nèi)達到峰值。另外應力也可直接激活磷脂酶A－2參與力的轉(zhuǎn)導過程。可見，Ca²⁺，cAMP．PKC和IP3等第二信使系統(tǒng)可在應力作用下發(fā)生變化。

1．4 應力反應元件：應力反應元件(stressresponsive element，SRE)是存在于細胞基因的啟動子內(nèi)并且能夠被應力所誘導的啟動基因轉(zhuǎn)錄的順式調(diào)控元件，能夠特異性地上調(diào)或下調(diào)相關(guān)基因的表達。目前已知的機械應力反應元件至少涉及4種轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點及10余種受應力調(diào)控的相關(guān)基因。轉(zhuǎn)錄因子又稱“第三信使”，是一類位于胞漿或胞膜上的蛋白質(zhì)，被“第二信使”在轉(zhuǎn)錄后水平激活向核內(nèi)轉(zhuǎn)移，與特定的DNA序列結(jié)合，選擇性地調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄。目前在細胞上已發(fā)現(xiàn)至少有4種轉(zhuǎn)錄因子可被應力激活，它們分別是：①基因結(jié)合核因子(nuclear factor－gene binding，NF－xB)；②激活蛋白(activator protein－1，AP－1)；⑧早期生長反應蛋白(early growthresponse－1，Egr－1)；④刺激蛋白(stimulatoryprotein－1，SP1)。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的10余種受機械應力調(diào)控的相關(guān)基因，根據(jù)它們的生物學特性，大致可以分為血管活性物質(zhì)基因、生長因子基因、粘附分子基因、趨化因子基因、凝血因子基因和原癌基因等。

2 細胞機械應力響應可能機制

具有應力感受功能的細胞(內(nèi)皮細胞、上皮細胞、心肌細胞、成骨細胞、軟骨細胞、成纖維細胞等)感受力學微環(huán)境的變化，可將力信號轉(zhuǎn)化為細胞內(nèi)一系列生物化學信號，最終導致基因表達變化。細胞外基質(zhì)、整合素、局部粘附蛋白和細胞骨架網(wǎng)絡相互聯(lián)系，彼此之間構(gòu)成了一個完善的張力整合系統(tǒng)。在機械應力傳入細胞的過程中，細胞外基質(zhì)及細胞膜均可能參與了信息傳遞，細胞上存在的整合素等機械應力感受器可直接將信息傳入細胞內(nèi)，再通過細胞骨架的傳遞將信息傳入細胞核。

業(yè)已證明，在細胞中有好幾種轉(zhuǎn)導途徑，包括細胞膜離子通道(特別是牽拉激活的陽離子選擇性通道，如SA－cat)、與G蛋白偶聯(lián)的磷脂酶C通路、細胞內(nèi)鈣離子和細胞骨架等都參與了細胞的力學信號轉(zhuǎn)導(mechanical stress－initiatedsignal transduction，MSIST)。胞外基質(zhì)－整合素－細胞骨架復合體是主要的力學信號轉(zhuǎn)導途徑，可以傳遞作用在細胞表面上的應力到細胞內(nèi)各區(qū)。此外已有一些證據(jù)，包括使用不同的細胞，如成纖維細胞、上皮細胞、內(nèi)皮細胞、中性粒細胞及成骨細胞，表明在肌動蛋白肌絲與整合素的細胞質(zhì)區(qū)部分之間起介導作用的a－輔肌動蛋白是一個關(guān)鍵分子結(jié)構(gòu)，干擾肌動蛋白應力纖維的形成可阻止信號向細胞核的傳遞。G蛋白為常見的信號轉(zhuǎn)導關(guān)鍵分子，大G蛋白通過對其亞基上氨基酸殘基的脂化修飾作用而錨定在細胞膜上，從而為其接受細胞膜結(jié)構(gòu)信號提供了結(jié)構(gòu)基礎，而小G蛋白則通過細胞外基質(zhì)—整合素—細胞骨架接受細胞外機械信號。Gudi等證實G蛋白的活化是早期心肌成纖維細胞應力刺激的機械信號轉(zhuǎn)導物質(zhì)。細胞膜離子通道主要為力敏感陽離子通道，如Ca²⁺K⁺、Na⁺等，其激活無需第二信使分子的參與。細胞外鈣離子的內(nèi)流和細胞內(nèi)鈣離子的釋放也可能在力學信號轉(zhuǎn)導中起一定作用。鈣離子的升高起始于細胞內(nèi)鈣離子的釋放，隨即伴有鈣離子內(nèi)流。細胞內(nèi)鈣離子釋放的機制可能與細胞骨架和磷脂酶c通路有關(guān)，應變所導致的細胞變形可以使與細胞骨架相連的一種磷脂酶c抑制子脫離原位，抑制子的解除可以允許磷脂酶c的激活。磷脂酶C又可激活蛋白激酶c通路，后者又產(chǎn)生三磷酸肌醇和甘油二脂，三磷酸肌醇則促使鈣離子從細胞內(nèi)的貯存處釋放。細胞外鈣離子內(nèi)流的途徑則是通過SA－cat通道。

一旦機械應力被感知，PKC以及MAPKS即被活化，導致c－fos、c－jun基因表達。Sadoshima等證實機械應力可以活化磷脂酶c、磷脂酶A2、磷脂酶D、IP3以及DAG，同時細胞膜上磷脂被磷脂酶C分解，能產(chǎn)生肌糖磷酸化以及diacylglycerol，而導致PKC活化，IP3激酶在細胞骨架參予的應力作用過程中扮演著關(guān)鍵的角色。機械應力還可直接活化酪氨酸激酶途徑并將機械信號傳遞給鳥嘌呤核苷接合蛋白(ras)，也可直接活化MAPK、MAPKK以及raf－1激酶。

盡管存在著多條不同的信號轉(zhuǎn)導通路，但它們之間是密切聯(lián)系的，這表明在感受應力刺激的過程中需要的是整個細胞的參與，而不可能只依賴于單一的信號轉(zhuǎn)導通路。不同的力學信號可能通過這些內(nèi)在聯(lián)系而又相互調(diào)控的信號通路以不同的方式來影響細胞的反應。

3 問題與展望

隨著有關(guān)機械應力對細胞結(jié)構(gòu)和功能調(diào)控的研究不斷深入，細胞對應力產(chǎn)生適應性應變的響應機制已初步為人們所認識，但還有許多未知領(lǐng)域等待人們?nèi)ラ_拓，如應力大小、頻率與細胞增殖、分化、凋亡的量效關(guān)系，應力對組織修復的主要細胞一干細胞的生物學行為的影響，應力作用下細胞內(nèi)力學信號轉(zhuǎn)導和基因表達調(diào)控的確切機制等。進一步深入研究機械應力與細胞的關(guān)系，將有助于我們了解應力在某些疾病的發(fā)病機理和創(chuàng)傷修復過程中的作用，有助于針對這些機理、過程采取新的更有效的應對策略，在組織工程、基因治療和提高創(chuàng)傷修復質(zhì)量中具有重要意義。