細(xì)胞應(yīng)力與細(xì)胞生長綜述

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上細(xì)胞應(yīng)力反應(yīng)機(jī)制研究進(jìn)展XXX（上海交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院）摘要：自從1975年Rodan首先研究機(jī)械應(yīng)力對體外培養(yǎng)的細(xì)胞、組織的影響以來，諸多關(guān)于作用于細(xì)胞的力學(xué)刺激影響細(xì)胞形態(tài)、功能、行為的研究結(jié)果被相繼報道。但由于活體組織中的細(xì)胞所受的機(jī)械刺激十分復(fù)雜，這使得體外的模擬研究十分困難，因而對細(xì)胞應(yīng)力反應(yīng)機(jī)制的研究十分缺乏。已有的研究能夠表明細(xì)胞主要依靠質(zhì)膜上的蛋白質(zhì)和細(xì)胞骨架兩者來感受外界機(jī)械刺激，而與此相關(guān)的膜蛋白主要有：整合素、酪氨酸激酶受體、應(yīng)力敏感性離子通道等。本文主要從細(xì)胞骨架和細(xì)胞膜蛋白的角度來對細(xì)胞應(yīng)力反應(yīng)的機(jī)制進(jìn)行闡述與歸納，并對今后的研究進(jìn)行

2、展望。關(guān)鍵詞：機(jī)械應(yīng)力，細(xì)胞骨架，整合素，酪氨酸激酶受體，應(yīng)力敏感性激酶受體,細(xì)胞應(yīng)激性Abstract：Since Rodan first studied the mechanical stresss impact on cultured cells and tissues in 1975,many researches about the roles of mechanical stimulation on cell morphology, function, behavior have been reported. However, due to cells suffering

3、 the complex circumstance of mechanical stimulation in vivo, which makes simulation very difficult in vitro, reserch for cellular stress response mechanism is lacking.Studies have been able to show that cells rely mainly on plasma membrane proteins and cytoskeleton to receive external mechanical sti

4、mulation the membrane proteins associated with this are: integrins, tyrosine kinase receptor, stress sensitivity ion channels, etc.In this article we illustrated and summarized cell stress response mechanisms, and prospects for future research from the perspective of the cytoskeleton and plasma memb

5、rane proteins.Keywords: mechanical stress, cytoskeleton, integrins, RTKs, stress sensitivity ion channels ,cell irritability專心-專注-專業(yè)1 背景介紹應(yīng)激性是指一切生物對外界各種刺激（如光、溫度、聲音、食物、化學(xué)物質(zhì)、機(jī)械運(yùn)動、地心引力等）所發(fā)生的反應(yīng)。單個的細(xì)胞也具有類似生物個體的“應(yīng)激性”特征，當(dāng)其受到一定的機(jī)械刺激后會發(fā)生一定的應(yīng)答反應(yīng)。早期的研究有許多零星的發(fā)現(xiàn)，如Ronald Y發(fā)現(xiàn)周期性牽拉可導(dǎo)致體外培養(yǎng)的平滑肌表皮細(xì)胞6-硫酸軟骨素的合成增加；TEIJI

6、TAKEL等人證實(shí)了周期性牽拉可使體外培養(yǎng)的角朊細(xì)胞數(shù)量增加；Ellen CBreen等人發(fā)現(xiàn)牽拉可導(dǎo)致細(xì)胞的肌動蛋白密度升高，并沿著細(xì)胞長軸排列。隨著近些年對這方面研究的增多，人們已經(jīng)認(rèn)識到外界的機(jī)械刺激對細(xì)胞代謝生長的重要影響，并且從生物力學(xué)，分子細(xì)胞生物學(xué)的角度對其機(jī)制的研究也日益增多。張力完整性結(jié)構(gòu)(stress integrality structure，SIS)由Ingber D.E于1992年首先提出，它由承受壓力構(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)部的完整性的保持，因而被稱為張力完整性。生物學(xué)研究表明，細(xì)胞的結(jié)構(gòu)符合張力完整性原理，而且細(xì)胞骨架的

7、張力完整性影響細(xì)胞的形狀及功能。這就提示了細(xì)胞骨架在細(xì)胞應(yīng)力反應(yīng)中的重要作用?，F(xiàn)有的研究表明細(xì)胞感受機(jī)械刺激并作出反應(yīng)的前體條件是發(fā)生細(xì)胞形變，而這一過程又是依賴于細(xì)胞骨架系統(tǒng)的存在而發(fā)生的。有報道稱細(xì)胞骨架可以直接將應(yīng)力傳遞到細(xì)胞核，作用于特定的基因從而改變細(xì)胞的代謝狀態(tài)（Broers等，2005）。但大多數(shù)情況下細(xì)胞骨架還是要通過細(xì)胞膜表面的蛋白質(zhì)來對細(xì)胞代謝進(jìn)行調(diào)控的，這些蛋白質(zhì)包括：整合素、酪氨酸激酶受體、應(yīng)力敏感性離子通道等。下面我們分別進(jìn)行討論。2 微絲在細(xì)胞應(yīng)力反應(yīng)中的作用2.1細(xì)胞皮層與細(xì)胞形變微絲(microfilaments)由肌動蛋白分子螺旋狀聚合成的纖絲，又稱肌動蛋白絲

8、(actin filament)，是細(xì)胞骨架的主要成分之一，其直徑約7納米。微絲在細(xì)胞中有許多功能，如參與組成肌纖維、微絨毛、細(xì)胞皮層；介導(dǎo)細(xì)胞的形變及胞質(zhì)分裂等。細(xì)胞皮層（cell cortex）是具核細(xì)胞的質(zhì)膜下方存在的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，在質(zhì)膜下構(gòu)成了細(xì)胞質(zhì)的皮質(zhì)區(qū)，即細(xì)胞皮層。皮質(zhì)區(qū)中肌動蛋白絲含量豐富，含存在著結(jié)構(gòu)類似于血影蛋白、踝蛋白、帶4.1蛋白等蛋白質(zhì)。它的存在使得細(xì)胞具有很強(qiáng)的韌性不易變形，而當(dāng)足夠大的外力作用于細(xì)胞時，細(xì)胞則發(fā)生形變。有科學(xué)家指出細(xì)胞形變是細(xì)胞應(yīng)力反應(yīng)將機(jī)械信號轉(zhuǎn)化為生化信號的必要條件，沒有細(xì)胞形變就沒有細(xì)胞應(yīng)力反應(yīng)（Ingber等，2002）。在這種細(xì)胞形變的背后發(fā)

9、生的其實(shí)是細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)的整體重排，骨架重排可引起細(xì)胞形態(tài)的改變，細(xì)胞骨架作為細(xì)胞內(nèi)的張力框架，通過與細(xì)胞膜上分子的直接聯(lián)系，將力學(xué)受體上的分子扭曲力在細(xì)胞內(nèi)傳遞分布，再經(jīng)過效應(yīng)分子的扭曲力將力學(xué)信號最終表現(xiàn)在效應(yīng)點(diǎn)上（Ingber 等，2002）。而微絲作為細(xì)胞皮層的組成部分似乎就成了細(xì)胞感受外界機(jī)械應(yīng)力刺激的第一個細(xì)胞成分，由它直接介導(dǎo)了細(xì)胞的形變并引發(fā)其他的一些細(xì)胞反應(yīng)。2.2細(xì)胞骨架與其他蛋白質(zhì)的相互作用有研究表明表皮生長因子受體EGFR與細(xì)胞骨架（主要是細(xì)胞皮層的微絲蛋白）相連（Laurent等，2008）。所以認(rèn)為在機(jī)械應(yīng)力通過細(xì)胞骨架微絲系統(tǒng)的途徑中，表皮生長因子可能有相互作用。此

10、外亦有研究表明，細(xì)胞的形變可以直接引起細(xì)胞表面酪氨酸激酶受體（RTKs）的活化從而引發(fā)下游的一系列信號反應(yīng)（Maniotis等，2007），如MAPK級聯(lián)反應(yīng)，腺苷酸環(huán)化酶的激活等。RTKs的這種激活機(jī)制可能是由于其于細(xì)胞皮層有直接的聯(lián)系，細(xì)胞形變造成的機(jī)械位移使得RTKs的構(gòu)象直接發(fā)生變化，從而活化為有活性的形式。應(yīng)力敏感性離子通道是質(zhì)膜上的一種受應(yīng)力激活的離子通道，激活后可以使得離子（C a2+等）進(jìn)出細(xì)胞從而激發(fā)下游各種信號反應(yīng)（Gillespi等，2001），的激活似乎也是通過細(xì)胞皮層傳達(dá)機(jī)械信號的，關(guān)于這方面的研究目前還很缺乏，關(guān)于這些膜蛋白和細(xì)胞骨架的具體作用機(jī)制還有待闡明。3 細(xì)

11、胞形變介導(dǎo)的中間絲的變化中間絲（intermediate filament，IF）又被稱為中間纖維，是細(xì)胞中直徑為10nm的繩索狀結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的研究認(rèn)為中間絲的功能只是固細(xì)胞骨架，與微管、微絲一起維持細(xì)胞形態(tài)和參與胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸，然而近年來對其更深入的研究表明它在很多的細(xì)胞功能中有著重要的獨(dú)立的作用。中間絲在細(xì)胞內(nèi)形成復(fù)雜的放射網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在細(xì)胞膜下與細(xì)胞皮層連接，在細(xì)胞的中心即細(xì)胞核處，中間絲交織而成核纖層。細(xì)胞形變之后，中間絲能將作用在細(xì)胞外的機(jī)械力直接傳遞到核纖層，從而借助多種形式激活下游的細(xì)胞反應(yīng)（舒茂國等，2010）。3.1中間絲引發(fā)細(xì)胞核的變形細(xì)胞形變后，機(jī)械刺激可以直接以較快的速度（1

12、0-4s到10-8s）傳導(dǎo)到細(xì)胞核，而單純的化學(xué)信號從細(xì)胞膜傳遞到細(xì)胞核則需要10-2s左右。這都是通過中間絲來實(shí)現(xiàn)的，細(xì)胞的核纖層是位于核膜上的細(xì)胞骨架成分，核纖層及其相關(guān)蛋白構(gòu)成了包繞染色體的外殼。其外與胞質(zhì)的中間絲蛋白在結(jié)構(gòu)上相連，內(nèi)與核基質(zhì)相互聯(lián)系，形成一個貫穿細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)的纖維網(wǎng)絡(luò)體系，稱為核基質(zhì)-核纖層-中間絲體系。這一體系可以直接導(dǎo)致細(xì)胞核的形變，從而改變核內(nèi)的一些蛋白的構(gòu)象，甚至DNA的狀態(tài)，最終影響細(xì)胞基因的表達(dá)。同時，核纖層及其幾個相關(guān)蛋白與DNA直接相連（Broers等，2005）。3.2中間絲作用于應(yīng)力反應(yīng)元件應(yīng)力反應(yīng)元件(stress responsive elem

13、ent，SRE)是存在于細(xì)胞基因的啟動子內(nèi)并且能夠被應(yīng)力所誘導(dǎo)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(dá)。目前己知的機(jī)械應(yīng)力反應(yīng)元件至少涉及4種轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)及10余種受應(yīng)力調(diào)控的相關(guān)基因。核纖層可以直接與應(yīng)力反應(yīng)元件結(jié)合，影響反式作用元件與之結(jié)合，從而影響基因表達(dá)并最終產(chǎn)生細(xì)胞的形態(tài)、功能、行為上的改變。這些過程的具體機(jī)制尚需要進(jìn)一步的研究。4 整合素在細(xì)胞應(yīng)力反應(yīng)中的作用4.1整合素的“中轉(zhuǎn)作用”整合素是一類重要的細(xì)胞表面受體（Giancotti等，2009），它的配體主要是存在于細(xì)胞外機(jī)制中的一些蛋白質(zhì)，如，如膠原蛋白、纖粘連蛋白、層粘連蛋白等，整合素通過識別這

14、些胞外基質(zhì)蛋白，介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的粘附反應(yīng)并接受傳導(dǎo)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?？梢哉f整合素在細(xì)胞的應(yīng)力反應(yīng)中起到一個至關(guān)重要的作用，有研究表明：明整合素具有機(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)導(dǎo)的功能，并且主要集中于整合素聚焦粘附區(qū)域，起到變機(jī)械力學(xué)信號為化學(xué)信號的作用（Takahaki等，2007）。當(dāng)組織受到一個足夠強(qiáng)的機(jī)械刺激時，細(xì)胞與細(xì)胞間、細(xì)胞與胞外基質(zhì)間都會發(fā)生一定的位移，這種位移邊有效的改變了整合素與保外基質(zhì)蛋白的作用模式，最終將機(jī)械的刺激傳遞到整合素，整合素作為一個機(jī)械刺激的“中轉(zhuǎn)站”一方面可以將細(xì)胞自身的機(jī)械位移傳遞到細(xì)胞骨架系統(tǒng)從而產(chǎn)生更為深遠(yuǎn)的細(xì)胞反應(yīng)；

15、另一方面，受到刺激的整合素也能將機(jī)械刺激傳遞到同在細(xì)胞膜上的各種膜表面蛋白，比如各種受體蛋白質(zhì)，從而促進(jìn)一系列的信號級聯(lián)反應(yīng)。4.2整合素將信號傳遞到細(xì)胞骨架 整合素將細(xì)胞所受到的機(jī)械刺激傳遞到細(xì)胞的骨架系統(tǒng)，包括細(xì)胞皮層，中間絲，核纖層等。研究表明，采用裱襯了纖粘連蛋白或含RGD肽的微球?qū)?xì)胞進(jìn)行剪切加載，發(fā)現(xiàn)力信號可以直接傳入細(xì)胞骨架(表現(xiàn)為細(xì)胞硬度指數(shù)隨應(yīng)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(xì)胞骨架（孫曉慶等，2009）。利用磁扭轉(zhuǎn)細(xì)胞計(jì)，將機(jī)械應(yīng)力直接作用于細(xì)胞表面受體證實(shí)，整合素能將力信號傳遞至細(xì)胞骨架，誘導(dǎo)聚焦粘附的形成，支持應(yīng)力依賴性細(xì)胞硬

16、度反應(yīng)，這說明整合素是外力傳向細(xì)胞骨架的通道，細(xì)胞通過其表面的整合素受體即時響應(yīng)，以張力整和的形式將響應(yīng)的機(jī)械力信號有選擇地轉(zhuǎn)換到細(xì)胞和核內(nèi)的不同結(jié)構(gòu)部件上，如聚焦粘附絡(luò)合物中的信號分子、細(xì)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(shí)現(xiàn)力化學(xué)轉(zhuǎn)化，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞的生理機(jī)能，對維持細(xì)胞的生長和影響細(xì)胞的功能產(chǎn)生調(diào)控作用（范志宏等，2008）。 4.3由整合素誘導(dǎo)第二信使的產(chǎn)生細(xì)胞感受機(jī)械應(yīng)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(jī)械牽拉或剪應(yīng)力作用可使成骨細(xì)胞和一些力敏感細(xì)胞(如血管內(nèi)皮細(xì)胞)胞內(nèi)Ca2+濃度迅速增高，Duncan等人的工作表

17、明，應(yīng)力誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞胞內(nèi)Ca2+濃度增高，至少部分通過力敏感離子通道，且牽拉可使其電導(dǎo)增加并變得對機(jī)械刺激更為敏感（Duncan等，2006）。機(jī)械應(yīng)變和剪應(yīng)力亦均可誘導(dǎo)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+濃度增高。機(jī)械牽拉和剪應(yīng)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(dǎo)的細(xì)胞增殖和基質(zhì)合成密切相關(guān)，這些第二信使也能通過一系列的交叉對話機(jī)制深遠(yuǎn)地影響到細(xì)胞的活動。這一系列的過程都是由整合素接收到的機(jī)械刺激所誘導(dǎo)的（Wang等，2009），而對于其具體的作用機(jī)制目前還不是很清楚，期待對這一方面進(jìn)一步的研究。有一些可以再細(xì)胞內(nèi)作為第二信使的離

18、子也可能是由于應(yīng)力敏感性的離子通道產(chǎn)生的，這一點(diǎn)我們后面再進(jìn)行討論。5 酪氨酸激酶受體在細(xì)胞應(yīng)力反應(yīng)中的作用已知人類有58個種類的RTK。 所有的RTK具有類似的分子結(jié)構(gòu)：與配體結(jié)合的結(jié)構(gòu)域分布于在胞外，一個跨膜螺旋，細(xì)胞質(zhì)區(qū)域包含著酪氨酸激酶的蛋白質(zhì)序列和一個附加羧基（C -）末端，還包含一個近膜調(diào)控區(qū)域。RTKs的激活可以引發(fā)多種細(xì)胞信號反應(yīng)，這里我們不過多的討論。值得注意的是，RTKs在細(xì)胞應(yīng)力反應(yīng)中的激活機(jī)制似乎與其他類別的細(xì)胞表面受體不同。RTK的近膜調(diào)控區(qū)域，使得它能直接感受到細(xì)胞膜的形變從而發(fā)生構(gòu)象的變化而被激活（Babaolu等，2010）。這種獨(dú)特的激活機(jī)制也暗示著

19、細(xì)胞膜表面受體激活機(jī)制驚人的多樣性。6 應(yīng)力敏感性離子通道 應(yīng)力敏感性的離子通道，其中比較有代表性的是牽拉激活的陽離子選擇牲通道，如SA-cat（Jackson等2008）。關(guān)于這種離子通道激活的具體機(jī)制，有不少假設(shè)性的說法，例如應(yīng)力敏感性的離子通道的膜內(nèi)區(qū)域與細(xì)胞皮層中的微絲緊密聯(lián)系。一旦細(xì)胞膜上的整合素感受到外界的機(jī)械刺激時，細(xì)胞皮層發(fā)生形變，其組成部分發(fā)生位移并使得力學(xué)信號直接作用到了離子通道上，離子通道受力激活，使得一些離子（Ca2+等）進(jìn)出細(xì)胞，這些離子有的可以作為細(xì)胞內(nèi)的第二信使激發(fā)下游的信號反應(yīng)，有的可以作為輔助因子調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)某些蛋白質(zhì)的活性，從而改變細(xì)胞的代謝狀態(tài)，最終表現(xiàn)為細(xì)

20、胞形態(tài)、功能、行為上的變化（Kompella等，2010）。值得注意的是，應(yīng)力敏感性離子通道的激活機(jī)制與上面所說的RTKs的激活機(jī)制是十分類似的，提示完全不同的膜蛋白也能有很相似的激活機(jī)制。7 展望 隨著有關(guān)機(jī)械應(yīng)力對細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能調(diào)控的研究不斷深入，細(xì)胞對應(yīng)力產(chǎn)生適應(yīng)性應(yīng)變的響應(yīng)機(jī)制己初步為人們所認(rèn)識，但還有許多未知領(lǐng)域等待人們?nèi)ラ_拓，如應(yīng)力大小、頻率與細(xì)胞增殖、分化、凋亡的量效關(guān)系，應(yīng)力對組織修復(fù)的主要細(xì)胞-干細(xì)胞的生物學(xué)行為的影響，應(yīng)力作用下細(xì)胞內(nèi)力學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達(dá)調(diào)控的確切機(jī)制等。進(jìn)一步深入研究機(jī)械應(yīng)力與細(xì)胞的關(guān)系，將有助于我們了解應(yīng)力在某些疾病的發(fā)病機(jī)理和創(chuàng)傷修復(fù)的過程中的作用，

21、有助于針對這些機(jī)理、過程采取新的更有效的應(yīng)對策略，在組織工程、基因治療和提高創(chuàng)傷修復(fù)質(zhì)量中具有重要意義。參考文獻(xiàn)1 Ingber DEMechanical signaling and the cellular response to extracellular matrix inangiogenesis and cardioVascular physiologyCirc Res，2002，91(10)：8772. Laurent L.Nadine MG.Janine W Vascular endothelial growth factor expression in expanded tiss

22、ue: A posseble mechanism of angiogengsis in tissue expansion 20083Maniotis AJ，Chen S，Ingber DEDemonstration of mechanical connections between integrins，cytoskeletal filaments，and nucleo-plasm that stabilize nuclear structureProc Nat Aead Sci USA，2007，94(3)：8498544. Gillespie PG.Walker RG Molecular b

23、asis of mechanosensory transduction 2001(6852)5舒茂國，郭樹忠，韓巖，等機(jī)械應(yīng)力作用皮膚成纖維細(xì)胞增殖的相關(guān)研究中國實(shí)用美容整形外科雜志，2010，15(1)：47506. Broers JL.Kuijpers HJ.Ostlund C Both lamin A and lamin C mutations cause lamina instability aswell as loss of internal nuclear lamin organization 2005(02)7 Giancotti FG Ruoslahti EIntegrin s

24、ignalingScience，2009，285：1 0281 0328. Takahaki M，Ishida T'Tranb O et al。Mechotransduction in endothelial cells：tenlporal signaling events in response to shear stressVasc Res，2007，34(3)：212_2199孫曉慶，付小兵，孫同柱，等正常皮膚和瘢痕組織表達(dá)pt整合素與系列角蛋白的比較性研究中國危重病急救醫(yī)學(xué)，2009，13(7)：42042210范志宏，崔磊，錢云良，等擴(kuò)張后皮膚組織自身修復(fù)過程動態(tài)觀察的實(shí)驗(yàn)研究中華醫(yī)學(xué)美容雜志，2008，4(2)：767811. Ingber DE.Tensegrity: architectural basis of cellular mechanotransductionAnnu Rev Physiol，2007，59：57559912. Duncan RL，Kizer N，Barry et al.Antisense oligodeoxynucleot