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1、精品论文机械应力对细胞骨架影响的研究进展何万庆 夏亚一 兰州大学第二医院，甘肃兰州（730000） E-mail：664512629摘要：细胞能够感知和传递机械应力并引起相应的反应以适应新的机械环境从而保持内环境的稳定，这种适应 既包括结构性的也包括代谢性的变化。越来越多的证据显示细胞骨架在力传导及适应过程中发挥重要的作用， 它们通过 Rho/ROCK 和 PKC 信号通路调节这种改变。本文拟侧重骨组织细胞作一综述。关键词:应力力传导细胞骨架信号通路中图分类号：R68在哺乳动物机械应力的作用是作为细胞、组织和器官结构和功能的重要调节者已得到公认，其中整个/部分 细胞骨架可能转导机械信号，引起化
2、学信号，虽然详细机制仍不清楚但蛋白质的变构效应和共价键的修饰被确 认快速发生变化。1 细胞骨架（CSK）解剖及基本功能广义的 CSK 包括细胞核骨架、细胞质骨架、细胞膜骨架和细胞外基质(ECM)，形成贯穿于细胞核和细胞质 的网架体系；通常 CSK 是指狭义的细胞质骨架，由微丝、微管、中间丝和许多交联蛋白组成网状结构。这种网 状结构是由交叉连接的可半弯曲的聚合态肌动蛋白（F-肌动蛋白）丝组成，微丝与肌球蛋白和其他肌动蛋白结 合蛋白集合在一起组成束即应力纤维。孤立的微管呈僵直、几乎和微丝一样刚度的管道 。中间丝更加柔韧和更 小的刚度，在活细胞内中间丝是松散的，细胞很大变形时开始紧张和提供对 CSK
3、 结构的稳定性1。微管主要承 受压缩并确保细胞稳定的形状；微丝和中间丝承受张力， CSK 和 ECM 形成了一个协同作用的自平衡系统，可变 形的 CSK 和 ECM 为机械信号转导成生化信号提供物理基础2。2 应力在骨中的传导和 CSK 的适应性多年来认为骨细胞是骨重建的力传导细胞，其细长的突起在骨基质中形成网状结构，由此骨细胞与成骨细 胞间组成缝隙连接有助于机械刺激引起胞内信号传导。骨组织的微结构能够直接（流体压力通过小管）或间接（应变扩增通过腔隙）放大应变信号引起后续的级联反应。 在骨重建中新骨排列延局部优势负荷方向适应最佳化的机械需要说明骨形成的局部调节是通过机械刺激。CSK 为完成特定
4、任务当遇到机械应力时，为了维持其机构完整性细胞必须修饰 CSK 满足更高的韧性（适应性）。 细胞形态学变化是 CSK 系统主动变化的结果，是 CSK 的内在改变引起的外在表现的适应性反应3。3 应力引起 CSK 形态学的变化不同类型的机械应力（拉伸力、剪切力、流体静压力）作用于不同细胞（成骨细胞、骨细胞、内皮细胞、 平滑肌细胞、软骨细胞等、成纤维细胞），细胞核形状均发生改变，能够明显增加应力纤维数目的形成和平行排 列，促进黏着斑的形成，细胞形态变长且延应力方向排列4-11。CSK 介导的机械力传导应用典型的抑制性药物 能影响特殊细胞骨架成分的聚合作用。Myers 等2研究在成骨样细胞，微丝、微
5、管抑制剂明显减少应力纤维的 平行排列数目，引起肌动蛋白光亮度成斑状 ，细胞松弛素 D（微丝抑制剂）治疗的微丝呈分裂状态6精品论文（disorganization）但细胞形状未变化，诺考哒唑（微管抑制剂）治疗后微管明显减少。在骨细胞，微丝抑制剂减少了细胞的大小，伴有圆形星状的形态及延伸变薄的突起，微管干扰剂没有上述严重形态影响但也引起肌动 蛋白外部边缘的波动性变化。4 应力引起与细胞骨架结构相关的代谢性变化细胞的形态学变化至少部分通过肌动蛋白 CSK 的重组驱使，CSK 的形态学变化是基因表达变化的结果。成 骨细胞在 FSS 诱导的 PGE-2、c-fos 的表达需要完整的 CSK12，也有报道
6、 COX-2 和 PGE-2 释放不需要完整的微 丝和微管结构6，因此包含在力传导中的准确自然机制仍需澄清。细胞受力后最早的反应之一是胞内钙的快速增加，它是通过 L-型电压敏感性钙通道激活来完成。震荡液流 后 Ca2+和 c-fos 水 平 增加 ，Ca2+在 FSS 后迅速上升对肌动蛋白 CSK 重组是必须的，同时这种反应伴随 c-fos 和 cox-2 表达的增加13-16。成骨细胞 CSK 的重组依赖于 FSS 诱导的 c-fos 和 PGE-2 的表达12， c-fos 是原癌 基因，它的转录上调被认为是机械刺激转录反应的级联反应的早期成员， c-fos 基因编码的 c-fos 蛋白通
7、过胞 外信号激活在信号的级联反应中作为第三信使的角色。细胞在应力后形状伸长本质上是 c-fos 表达的增加。COX-2 是环氧合酶的亚型，是 PG 产生相关的关键酶，它与机械应力刺激引起 PGE-2 和 PGI-2 密切相关。PGE-2 是前 列腺素的亚型，在 CSK 的力传导和细胞的增殖分化中起重要作用2。成骨细胞在应力后形成应力纤维，还包括 1-整联蛋白和-辅肌动蛋白（-actinin）的补充形成粘着斑（FA）， FA 形态学变化包括增加大小、数目及 -整联蛋白补充到 FA 7。-actinin 是肌动蛋白交联蛋白，它束控肌动蛋白丝成应力纤维并结合应力纤维到 整联蛋白17。胶原酶（骨基质的
8、主要蛋白成分）和基质金属蛋白酶 1/3（基质降解酶）在应力后增加，这种 增加未受细胞松弛素 D 的明现影响，但几乎完全被诺考哒唑消除，说明剪切力引起的基质分子上调作用需要完 整的微管网状结构，但很少依赖完整的微丝网状结构，同时细胞松弛素 D 阻止了 FSS 诱导的骨桥蛋白（OPN）的 增加18。OPN 是在 ECM 聚集的一个主要非胶原蛋白，是体内参与应力诱导骨重建的重要因子。NO 是细胞对应力 反应的重要调节者，刺激后快速升高，在骨重建中它可能作为破骨细胞功能的局部抑制剂4 。Mcgarry 等4 研究在成骨细胞 FSS 诱导的 NO 的释放伴随着应力纤维的平行排列。5 细胞信号传导虽然详尽
9、的研究已进行但截至目前没有数据显示特异的机械感受器的存在，另一方面越来越多的数据显示 细胞的许多分子如受体、G 蛋白、离子通道、细胞骨架、激酶和转录因子能感知机械刺激。其中主要的感受器 有通道、连接蛋白、胞膜结构、整联蛋白和其相关蛋白、细胞结构和张拉整体。这里仅介绍与 CSK 最相关的两 种感受器。5.1 整联蛋白和其相关蛋白整联蛋白是连接胞内肌动蛋白丝束（应力纤维）和 ECM 的跨膜蛋白，功能性整联蛋白是由双亚基组成 的异二聚体粘附分子，在成骨细胞型占主要的作用。普遍认为整联蛋白扮演“张力量规”的角色，当应力变 化时能启动丝裂原激活蛋白激酶（MAPK）和核因子-B (NF-B)途径12, 1
10、9。许多整联蛋白和 FA 相关结构蛋 白已得到鉴定，黏着斑激酶（FAK）扮演中枢性作用。当 FAK 激活，它自磷酸化酪氨酸，允许许多 Src 家族蛋白（一类蛋白酪氨酸激酶）和其他分子与 SH2 结构域（Src 的同二聚体，参与结合酪氨酸磷酸化的特异序列）相 互作用。酪氨酸磷酸化主要在 FAK，FAK 激活 MAPK。其他粘附相关蛋白如踝蛋白、桩蛋白与 FAK 黏着斑定向序列结合。5.2 细胞结构和张拉整体细胞对机械环境的适应性反应是整个细胞的内在结构变化的表现。应力改变细胞形状和结构即现在已知的 影响 CSK 的改变。张拉整体理论认为细胞通过 CSK 和表面受体连在一起，把内部结构与 ECM
11、偶联，CSK 通过激 动蛋白肌球蛋白丝的滑动机制产生张力稳定细胞形状，当力来自 FA 一点，力会有区别的传至整个细胞体。FA 是细胞与 ECM 附属的特有位点，许多连接蛋白锚定肌动蛋白丝到 FA，它们 是首批感知应力的细胞表面分子之一 。 成骨细胞纤连蛋白诱导的 FA 的形成促进 FSS 诱导的 PGE-2 释放和 COX-2 的上调7。6 机械应力激活的胞内信号系统由于机械应力和机械感受器的多样性，细胞如何将生物物理刺激翻译成细胞反应的机制仍然不明。在成骨 细胞张引力比压应力更敏感，提示力传导通过不同的信号通路20。机械应力可以激活许多胞内信号系统，主要 有以下几种：6.1 Ca2+信号细胞
12、对应力早期反应之一是钙离子的聚集，依赖胞外钙的进入和胞内钙的释放21。最近研究在成骨细胞 FSS 诱导的细胞反应是依赖 IP3 介导的胞内钙的释放而不是胞外钙的进入22，应用胞膜离子通道抑制剂、钙离子螯 合剂和磷脂酶 C(PLC)抑制剂完全阻止了应力纤维的形成和 c-fos、cox-2 的产生，说明 Ca2+、PLC 在 FSS 诱导 应力纤维形成及基因表达中扮演重要角色；同时许多研究证实成骨细胞 Ca2+增加在激活胞外调节激酶（ERK1/2）中的重要性18, 23 ，钙离子能通过多种肌动蛋白结合蛋白激活修饰 CSK，在 CSK 与整联蛋白间建立 重要的联系，从而介导基因表达的增加。6.2 通
13、过 G 蛋白的信号通路G 蛋白是许多信号级联反应的最近端元件，它促进机械应力时胞内 cAMP 和 MAPK 产生增加，同时促进远端 基因调节相关活动。Genetos 等研究24FSS 调节破骨细胞缝隙功能，通过 PGE2 从破骨细胞释放，G 蛋白联合 PGE2 受体激活，致胞内 cAMP 和 PKA 激活最终引起连接蛋白-43 表达从而参与整联蛋白-CSK 通路的传导。6.3 MAPK 信号截至目前显示机械力在所有的细胞类型都能激活 MAPK，参与骨细胞应力反应的主要是 ERK1/2 亚型，它们 通过苏氨酸/酪氨酸残基的双磷酸化被激活。ERK1/2 依赖 c-Fos 基因作用的靶基因是结合 C
14、REB 启动子的 CRE/AP1(cAMP 效应元件/激活蛋白 1)型元件，由此引起细胞的反应25。ERK 在与许多信号传导通路的相互作用 方面是一个重要介质，如受体酪氨酸激酶(RTK)、G-蛋白偶联受体、PKA、PKC、丝/苏氨酸激酶和整合素/细胞骨 架26。6.4NO 信号对细胞有多种影响，在应力诱导的细胞 NO 短期释放归因于内皮一氧化氮合酶的激活，下游的 NO 信号能够 依赖 cAMP 的激活或亚硝基化蛋白分子的直接作用降低 RANKL/骨保护素的比率发挥信号传导作用27。James 等 4研究在成骨细胞 FSS 诱导的 NO 释放伴随着应力纤维的平行排列，微丝抑制剂应用后 NO 的释
15、放完全被抑制， 说明 NO 在 CSK 介导的力传导中有重要的作用。7 CSK 参与力传导信号的调节机制Rho/Rho 依赖性激酶（ROCK）信号通路在肌动蛋白动力学中是首要的机制。Rho 是 Ras 小 GTP 超家族的成员 ，它既可直接调节收缩蛋白参与微丝的重构，又可通过改变血清效应因子(SRF)活性调节不同收缩蛋白基因的表 达，从而长期调整微丝骨架23。在成骨细胞通过少量的小 GTP 酶 Rho 显性负性方式表达阻止了 FSS 诱导的应力 纤维的形成和基因表达12。LIMK2 可诱导 CSK 的重组， RNAi LIMK2 引起明显的抑制作用， LIMK2 是 RhoGTP 酶家族的成员
16、,它被 Rho 激活28。Rho 的两个主要下游靶点是 ROCK 和 mDial。ROCK1/2 是丝/苏氨酸激酶，通过 与 RhoA 结合被激活引起应力纤维的形成。 ROCK 和 MLC 激酶（MLCK）被认为磷酸化肌球蛋白轻链（MLC）， 诱导肌球蛋白的收缩，ROCK 同时通过抑制 MLC 磷脂酶（MLCP）维持 MLC 活性，而 MLCK 是由 Ga2+-CaM 依赖 性激酶调节。 Ga2+-CaM 复合体能够控制 CSK 的动力学，其抑制剂抑制了肌动蛋白 CSK 的排列29。在 RhoA 激 活后 mDia1 的激活也是需要的，ROCK 产生厚的应力纤维，在细胞中心形成典型的星样模式。
17、mDia1 过度表达 产生平行应力纤维，但不是厚束。PKC属肌醇磷脂依赖性丝苏氨酸激酶家族，目前发现12种亚型。PKC亚型包括一个调节域和一个催化域， 调节域包含PKC激活剂的结合位点，经典亚型调节域包含一个钙离子结合C2和两个C1区，能够结合DAG和佛波酯。 PKC激活的一般观点是胞内钙水平和/或DAG增加，它们各自与C2和C1区结合引起PKC构象变化， PKC的重要功能 是整联蛋白的运输和分布。或许是PKC亚型的特异性和不同影响，PKC调节CSK一般引起应力纤维抑制，微皱形成 ， PKC也能促进一些细胞类型应力纤维形成。已知在许多类型细胞有一个/更多PKC亚型影响CSK形态学，从而影响 微
18、丝的重组30。在CSK重建调控过程中，PKC和Rho信号转导途径间有相互制约、相互平衡的关系，共同调节细 胞骨架动力学。8 结语CSK 被认为在细胞力传导中扮演中心的角色，分离特殊的 CSK 元件能最终帮助与力传导有关疾病的治疗的发 展，如骨质疏松和微重力；CSK 调节的研究使我们更容易寻找对许多疾病的治疗。近年来细胞力学领域的研究 比较活跃，而细胞力学的一个重大挑战是鉴定控制 CSK 收缩和重建的物理规律，相信随着研究深入在这一领域 会有所突破。参考文献1Fudge DS., Gardner KH., Forsyth VT.,et al. The mechanical properties
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