肌球蛋白在生物力學效應中的調控作用

胡　鳴(綜述)，洪　莉(審校)

(武漢大學人民醫院婦產科，武漢 430060)

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肌球蛋白在生物力學效應中的調控作用

胡鳴△(綜述)，洪莉※(審校)

(武漢大學人民醫院婦產科，武漢 430060)

摘要：細胞骨架是細胞內機械力傳遞鏈的一個組分，肌球蛋白作為細胞骨架的主要組成蛋白，對細胞受到外界力作用時產生的效應具有一定的調控作用，當細胞內的肌球蛋白的表達、結構以及活性發生改變時，細胞的力學效能也會發生相應的改變，從而影響細胞的功能以及組織結構的改變。肌球蛋白輕鏈的磷酸化、重鏈各亞型間的轉化以及Rho GTP酶信號通路在對細胞生物力學效應的調控中起著一定的作用。

關鍵詞：肌球蛋白；細胞骨架；機械力；細胞生物效應；Rho GTP酶

細胞具有主動變形和抵抗被動變形的能力[1]，主要表現為細胞內外基質及細胞骨架的相應改變。細胞骨架是真核細胞中的蛋白纖維網架體系，它能維持細胞形態、保持細胞內部結構的有序性，也與細胞信息傳遞密切相關[2]。肌球蛋白是廣泛存在于生物體細胞中的一種多功能蛋白質[3]。在肌細胞中，它作為結構和功能蛋白，主要參與肌肉的收縮運動[4]。細胞生物力學效應是細胞對外界力的作用所做出的反應性改變，最終導致細胞的增殖活性等一系列的變化。研究發現[5]，生物力的傳導鏈是由細胞骨架、黏附斑以及細胞外基質共同構成的，因此機械力傳遞鏈中任一部件的變化都會導細胞生物學效應的改變，從而使細胞的功能發生改變。現就肌球蛋白結構和功能的研究綜述如下。

1肌球蛋白的結構及功能

肌球蛋白是一種馬達蛋白，存在于機體大部分細胞之中，被認為是一種分子發動機。在肌細胞中，肌球蛋白是最主要的結構和功能蛋白，為粗肌絲的主要組成成分，以細肌絲作為運行的軌道，參與肌肉的收縮；同時由于其頭部有ATP結合位點，它也可以作為一種ATP酶，通過ATP的水解而獲得其參與運動所需的能量[6]。在非肌細胞內，肌球蛋白則作為細胞內的一種重要的細胞骨架蛋白，參與細胞形態的建成和維持，并為細胞質、細胞器的運動及物質的運輸等提供動力，參與細胞的吞噬、吸收等主要的生理過程[7]。

肌球蛋白是一個六聚體蛋白質大分子，由兩條重鏈和兩條輕鏈組成，每條重鏈的N端形成球狀頭部，C端形成一個長纖維狀的α螺旋尾部，兩條重鏈大部分以雙股α螺旋盤繞，形成長棒狀結構，其N端分別與兩對輕鏈結合，形成兩個球狀的頭部和頸部調節結構域，輕鏈包含有堿性輕鏈和調節輕鏈[8]。肌球蛋白含有與肌動蛋白、ATP結合的位點，負責產生力。頸部通過同鈣調素或類似鈣調素的調節輕鏈亞基的結合來調節頭部的活性[9]，尾部則是由余下重鏈部分組成的長桿狀結構。

2細胞生物力學效應

細胞對外界或自身力的相應反應性效應，即細胞生物力效應。在骨科、口腔、腫瘤等領域的研究提示組織細胞力學特性的改變與疾病的發生密切相關[10]。

細胞作為生命體的基本單元始終處在各種不同的力學環境中，細胞結構和物理特性對力學刺激的響應規律是細胞發揮其生物學功能的重要方面。細胞自身產生的力與外界對細胞施加的力的改變均會導致細胞原先產生的生物反應改變。現在新興的學科，如力學細胞生物學，就是來研究細胞如何感受力學刺激(力和變形)，將力學刺激傳遞和轉化為化學信號，以及細胞在力刺激下細胞、亞細胞和分子層次的生物學響應事件及其力學-化學調節機制[11-12]。

在生物力學效應的產生中，大分子物質起相當大的作用。力學刺激下細胞的運動與變形，細胞間的黏附和聚集，細胞內外力學信號的轉導均需要大分子物質參與[13]。存在于細胞表面及細胞內外的大分子物質是完成細胞生物化學作用的物質基礎，其相互作用與組裝動力學及作用力調控規律是執行其生物學功能的前提[13]。

因此，在現今的研究中，外力如何作用于細胞以及細胞如何感應外力刺激并調控其生物學行為是細胞分子生物力學領域關注的主要問題，正常細胞與病理細胞力學特性的差別也為疾病診斷拓展了新的思路[13]。

3肌球蛋白在細胞生物力學效應中的重要作用

肌球蛋白的改變主要表現為其信使RNA表達量、蛋白表達量、肌球蛋白結構及活性的改變，這些改變可能是機體自身基因改變、機體受到某些疾病病理改變、外界力的作用等因素所引起的，而這種肌球蛋白的最終改變所致的結果就是，由其參與組成的細胞骨架的結構的重排以及細胞形態的改變，從而導致細胞功能的改變。

3.1肌球蛋白表達的改變肌球蛋白在外界機械力的作用下會發生表達的改變，這點已經得到了實驗證實。Shyu等[14]分離培養乳鼠的心肌細胞，并對其進行周期性的機械牽張，結果發現實驗組心肌細胞肌球蛋白重鏈信使RNA表達明顯增高。肌球蛋白表達量的異常會直接導致其功能水平的改變。

3.2肌球蛋白結構的改變很多疾病，如心力衰竭、家族性肥厚性心肌病、糖尿病、甲狀腺功能亢進或減低，均會導致機體細胞內肌球蛋白發生變化。這些變化又會使細胞骨架發生相應的變化，打破細胞內的自身力的平衡，致使細胞內生化反應及基因表達的改變，從而發生細胞水平甚至機體的一系列功能上的變化。在心肌肌球蛋白各種實驗研究中，發現限制飲食與缺氧會導致肌球蛋白的結構改變。 Haddad等[15]發現，限制飲食可使大鼠心肌V3肌球蛋白異構體增高。Pissarek等[16]構建了慢性低氧的大鼠模型，發現大鼠模型中左、右心室都出現了明顯的由α-肌球蛋白重鏈向β-肌球蛋白輕鏈轉換的結構變化。這些病理條件下，體外模型上的肌球蛋白表達量和肌球蛋白結構的改變均已得到證實。

3.3肌球蛋白活性的改變在肌球蛋白的活性方面，研究較多的則是其活性在細胞張力維持上的作用，也有研究其對細胞自身運動的作用[17]。在生物力的傳遞上，肌球蛋白的活性能夠改變細胞黏著斑黏附狀態，進而調控生物力學效應[5]。Blebbistatin是非競爭性肌球蛋白Ⅱ抑制劑，經常被用來抑制肌球蛋白Ⅱ的活性。Guha等[18]使用Blebbistatin對細胞進行處理后，定量分析細胞表觀面積，發現抑制肌球蛋白Ⅱ會導致細胞骨架主動收縮能力降低, 細胞外膜剛度降低，從而影響力學效應。

3.4肌球蛋白和生物力學效應的相關基礎研究內源性和外源性的機械力對細胞產生的效果是相似的，細胞結構對機械力的感知特性主要在于力的大小，而非力的起源部位[5]。這對于機械力實驗設計有一定的幫助。因此，不管是細胞內部由肌動球蛋白產生的力的改變，還是由于外界力的改變，均會導致細胞產生異常的生物學效應。

在體內，如血管內皮細胞，受到血流的沖擊力作用，正常情況時，血液產生的力學作用和內皮細胞自身的力學作用處于平衡狀態，當發生某些病理改變，如動脈粥樣硬化時，血流剪切力發生異常改變，容易在動脈的彎曲處或分叉處形成渦流，這種在方向及力度上發生了改變的剪切力就會引起內皮細胞細胞骨架的異常重排，甚至直接損傷骨架蛋白，最終損傷內皮屏障功能，而導致細胞功能的改變。

外界因素可以導致肌球蛋白改變，進一步引發細胞骨架的改變，使機械力傳遞鏈異常，力學信號的傳遞發生改變，最終引起生物力學效應的改變。在細胞的力傳導過程中，細胞外信號調節激酶1/2通常將力信號進一步整合為生物學行為信號，當整合異常時，也會導致效應的異常。而由各種理化因素所致的細胞骨架形態結構及動力學的改變，必然會影響細胞內的生化反應，改變被激活的基因，最終改變其合成的蛋白質[10]。Filas等[19]認為細胞骨架形態結構及預應力是細胞對外界刺激產生后續反應的基礎，當細胞受到外力刺激、運動或與細胞外基質黏附時，原來的力平衡被打破，細胞骨架重構以適應外界刺激，建立新的力平衡。實驗顯示，細胞通過細胞骨架產生內力，在外力施加之前用作維持細胞骨架之中的力平衡。

3.5肌球蛋白和生物力學效應的相關臨床研究研究者們在對不同系統疾病的研究中發現，肌球蛋白在調控生物力學效應方面具有重要意義。對盆底疾病研究較多的是盆底韌帶組織中的成纖維細胞，它是合成和分泌細胞外基質并對力產生應答的細胞[20]。有實驗證實，一定范圍的機械應力可以導致細胞骨架的重排，并借助第二信使將力學信號傳遞并轉換，最終導致細胞生物學功能的改變[21]。在心血管疾病的研究中證實，心肌肥大和心力衰竭時，肌球蛋白發生質或量的改變，這種改變可能促使代償良好的心臟發生失代償[22]；在人的心房處于壓力超負荷時，心室型肌球蛋白輕鏈1的表達增加[23]；在擴張性心肌病患者的心臟中發現，肌球蛋白輕鏈2被蛋白酶水解，與ATP酶活性降低有關；家族性肥厚型心肌病則多是由于肌球蛋白重鏈和肌球蛋白輕鏈突變所致。在泌尿系統疾病中，當出現尿路梗阻時，尿路平滑肌中的收縮蛋白發生一系列量以及比例的改變[24]，文獻報道，出現慢性膀胱出口梗阻后膀胱逼尿肌中肌動/球蛋白比例也明顯上調[25]；逼尿肌中肌動蛋白和肌球蛋白的表達與膀胱逼尿肌的功能狀態密切相關[26]。

4肌球蛋白調控生物力學效應的相關機制

4.1肌球蛋白輕鏈的磷酸化在受到自身生理病理的改變時，肌球蛋白輕鏈的磷酸化會發生改變。王玉珍等[27]觀察大鼠在肝纖維化過程中磷酸化肌球蛋白輕鏈的表達量變化情況，通過免疫組織化學和Western blot方法，測量磷酸化肌球蛋白輕鏈在血管壁的表達，顯示隨著肝纖維化的進展，磷酸化肌球蛋白輕鏈蛋白表達明顯增加。當此改變發生時，細胞的生物反應性也會相應發生變化，這也可能會加重疾病的進程。陳傳莉等[28]也探討了在嚴重燒傷早期，磷酸化肌球蛋白輕鏈對腸黏膜屏障功能及細胞緊密連接相關蛋白變化的作用。結果顯示，燒傷后大鼠腸黏膜通透性明顯增加，并且燒傷后腸上皮通透性的增加伴隨有緊密連接相關蛋白的明顯重分布、細胞緊密連接損害以及腸上皮細胞磷酸化肌球蛋白輕鏈表達的增加。這就說明磷酸化肌球蛋白輕鏈可能在嚴重燒傷后腸黏膜屏障功能紊亂及通透性增加的發生機制中起著重要的調控作用。

4.2肌球蛋白重鏈的亞型間轉化及量變高麗紅等[29]研究盆底骨骼肌細胞在受到機械力刺激情況下肌球蛋白重鏈亞型(肌球蛋白重鏈Ⅰ、Ⅱa、Ⅱb和Ⅱx)的改變，結果發現，在不同受力情況下，MHC亞型之間會發生轉化，如加力強度3%加力時間6 h機械力刺激引起肌球蛋白重鏈Ⅱb向肌球蛋白重鏈Ⅱx、Ⅱa、Ⅰ變化；加力強度3%加力時間24 h、加力強度6%加力時間6 h和加力強度6%加力時間24 h機械力刺激引起肌球蛋白重鏈Ⅰ、Ⅱb向肌球蛋白重鏈Ⅱx、Ⅱa變化。不同亞型之間的轉變，會導致盆底骨骼肌細胞的反應性改變。黃順根等[30]進行了胰膽管合流異常患兒膽總管平滑肌肌球蛋白重鏈與磷酸化肌球蛋白輕鏈20表達情況的研究，使用免疫組織化學法觀察發現胰膽管合流異常患兒膽總管平滑肌肌球蛋白重鏈與磷酸化肌球蛋白輕鏈20蛋白表達增高，該改變可能導致膽總管平滑肌的收縮力代償性增加，說明肌球蛋白重鏈的改變是為了適應機體的病理改變，對細胞功能有調控作用。

4.3Rho GTPases信號通路

4.3.1Rho GTP酶家族Rho GTP酶家族是細胞信號轉導通路中的一類重要蛋白，主要參與血管內皮細胞通透性的調控[31]。它屬于Ras超家族的成員，在胞內信號轉導中也起著作用，參與細胞增殖、分化、遷移、凋亡等進程[32]。在腫瘤的疾病過程中，它主要參與調節肌動蛋白相關蛋白和介導細胞骨架構建來參與腫瘤的惡性轉型、生長、侵襲、轉移等各個方面[33]。Rho GTP酶家族在結構上至少可分為5個家族：Ras家族、Rho家族、Rab家族、Sarl/Arf家族和Ran家族[34]。有實驗證實，磷酸化肌球蛋白輕鏈是Rho信號通路中的一個重要信號分子，參與信號的轉導。

Rho GTP酶參與多種重要的細胞生命活動，如肌動蛋白細胞骨架的重構、細胞黏附、細胞運動、囊泡運榆、轉錄激活、基因表達和細胞周期的調控等，它通過對肌動-肌球蛋白細胞骨架進行調控而影響細胞活動。Rho家族蛋白是一種重要的細胞內信號分子，以多種信號途徑調節細胞的行為與功能。由于其強大的細胞調節功能，Rho家族蛋白在各種疾病的發生、發展過程中引起了廣泛關注[35]。

4.3.2肌球蛋白與Rho GTP酶Rho作為信號調節分子聯系細胞表面受體與肌動蛋白細胞骨架的組建，在細胞代謝過程中發揮重要作用。當Rho GTP蛋白水平改變，活性狀態改變，效應蛋白豐度改變后，出現異常的Rho信號，從而影響細胞骨架重組[36]。細胞骨架在參與細胞活動時，需要有Rho GTP酶的調節，Rac主要參與片狀偽足的形成，其中Rac通過其靶蛋白IRsp53(induced ruffling scaffold proteins 53)激活Arp2/3復合體，刺激新的肌動蛋白聚合[37]。

Rho GTP酶家族是重要的信號通路蛋白，其家族成員是聯系細胞膜表面受體和細胞骨架的關鍵分子，起著分子開關的作用，主要調節細胞外信號對誘導的細胞骨架的相應改變[38]。肌球蛋白作為細胞骨架的主要組成成分，也受到Rho GTP酶信號通路的調節，進而對細胞生物學效應進行相應的調控。在對高血壓發生和發展的研究中發現，Rho GTP酶信號通路主要通過磷酸化抑制肌球蛋白輕鏈磷酸酶的活性來增加肌球蛋白輕鏈的磷酸化水平，從而增強平滑肌的收縮力[39]。李濤等[40]在研究缺氧時血管平滑肌收縮反應性與肌球蛋白關系也發現，Rho激酶可以通過調節肌球蛋白輕鏈的活性來調節其磷酸化水平。

5結語

機體在病理情況下，如血管受到異常剪切力，肢體受到持續擠壓力等，會出現細胞生物力學效應的改變。當異常作用力在承受范圍內時，機體可通過調整機械傳遞鏈的組分，改變細胞及胞外基質的形態，使細胞通過此類適應性改變來代償外力作用，最終達到新的細胞力平衡。當細胞處于持續較強的力的作用時，細胞無法代償，則會引起細胞骨架的不可逆改變，正常的傳遞鏈被打破，從而影響細胞內反應。

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The Accommodative Function of Myosin on Cell Biomechanics Effect

HUMing,HONGLi.

(DepartmentofGynecologyandObstetrics,RenminHospitalofWuhanUniversity,Wuhan430060,China)

Abstract:Cytoskeleton is a component of mechanical force transmission chain.As the main protein in forming cytoskeleton in cells, myosin plays a role in regulating the response produced by cells when they are forced by the external force.When the expression,structure and activity of myosin changes,mechanical efficiency of cells will have a corresponding change,thus affecting the cell function and tissue structure.Phosphorylated myosin light chain,transformation of subtypes in myosin heavy chain, and Rho GTPases signaling pathway play important roles in the regulation of cellular biological effects.

Key words:Myosin; Cytoskeleton; Mechanical strain; Cellular biological effects; Rho GTPases

基金項目：國家自然科學基金面上項目(81270684)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.03.002

中圖分類號：R31

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)03-0387-04

收稿日期：2014-04-23修回日期：2014-08-14編輯：相丹峰