機械應力幾乎調節了細胞的所有功能，探討其如何發揮生物效應關鍵在于研究細胞對機械應力的感知及其信號轉導機制。該文從細胞外基質、細胞膜、細胞骨架及細胞核等幾個方面著手，詳述了細胞對機械應力的感知及其轉導機制。機械應力被細胞感知及轉導主要有 2 個途徑，一個是力的直接傳遞，另一個是機械信號轉換為化學信號。該文旨在為研究機械應力相關疾病的精準治療及機械應力的優化構建組織工程器官等方面提供一定參考。
引用本文： 韋堂墻, 牛超, 伍季, 李云祥, 張宗平, 王安果. 細胞對機械應力的感知及其信號轉導機制. 華西醫學, 2022, 37(3): 449-452. doi: 10.7507/1002-0179.202007336 復制
目前應力與細胞形態、功能及基因轉錄之間的關系已成為研究焦點。機械應力是正常組織形態和功能的主要調節因素，并對細胞或組織的生理及病理發展過程起重要作用[1]。適宜的應力對細胞生長及分化成熟具有調控作用[2]；不適宜的應力可造成病理損害[3]。機械應力調節細胞的病理生理效應主要涉及細胞外基質、細胞膜上的跨膜受體或通道、細胞骨架及細胞核等之間的相互關系，細胞外基質可通過細胞膜上跨膜受體與細胞內骨架相連，細胞骨架可作用于細胞核，引起基因表達變化，進而調節細胞的生物學功能[4-5]。探索細胞如何感受和轉導機械應力已成為進一步深入研究機體如何對外界力學環境產生反應與適應的關鍵，可為研究機械應力相關疾病的精準治療及機械應力的優化構建組織工程器官等方面提供參考，因此本文將對細胞對應力的感知及信號轉導機制進行綜述。
1 細胞外基質
細胞外基質位于細胞周圍或細胞之間，由細胞合成并分泌到細胞外，主要由一些蛋白或蛋白聚糖組成，按大分子種類可大致歸納為膠原、非膠原糖蛋白、氨基聚糖與蛋白聚糖、彈性蛋白[6]。細胞外基質與機械應力關系密切，在機械應力作用下，細胞外基質對促進細胞黏附及機械信號轉導起重要作用，同時機械應力影響細胞外基質的合成及分泌[7-8]。血管平滑肌細胞的相關研究顯示機械應力促進平滑肌細胞的增殖和肥大，同時也促進膠原的沉積及細胞外基質的重組[9]。有研究模擬細胞外基質環境，在細胞外基質上培養人間充質干細胞，結果顯示細胞外基質的機械應力特性可影響細胞的擴展、增殖及分化，這些機械應力傳導與黏附配體的結合、肌球蛋白的收縮及黏附受體的聚集等相關[10]。
2 細胞膜
2.1 細胞膜概述
細胞膜分隔細胞內外，由脂質雙分子結構構成其骨架，有蛋白或蛋白多糖鑲嵌于表面、內面或貫穿其中。通過膜受體對機械應力的感受及轉導可改變基因轉錄和控制信號瀑布效應，通過細胞膜機械應力的傳遞，在細胞的局部黏著斑內和細胞間的連接復合物中，這些機械信號被轉化為化學信號[11]。此外，在機械應力作用下，脂質雙分子層的厚度發生變化，細胞膜發生形變，同時膜上的跨膜結構域發生適應性改變，進一步激活多種信號轉導通路[12]。
2.2 機械敏感的離子通道
在機械應力的作用下，多種細胞膜上的離子通道被激活，例如瞬時受體電位通道、上皮鈉離子通道及鉀離子通道（雙孔鉀離子通道和內向整流鉀通道）等。瞬時受體電位通道位于細胞膜上，由 6 個跨膜蛋白和 1 個孔構成，其氨基和羧基末端的結構域都位于細胞質內[13]。目前已發現約 30 個瞬時受體電位通道基因，基于同源性可分為 7 個亞家族：標準型、M 型、辣椒素型、黏脂蛋白型、多囊蛋白型、無感受電位 c 型和錨蛋白型[14]。機械應力作用于細胞后，瞬時受體電位通道被激活，鈣離子內流[15]，對機械應力的感知具有信號放大效應[16]。
上皮鈉離子通道由被 1 個細胞外環分隔的 2 個跨膜蛋白組成，其氨基和羧基末端結構域都位于細胞質內，是由α、β、γ 3 個亞基組成的異源多聚體，其對鈉離子具有通透性。有研究發現β、γ亞基在機械應力轉導過程中起關鍵作用[17]。上皮鈉離子通道轉導機械信號的機制可能與上皮鈉離子通道亞基與細胞骨架、細胞外基質相接觸有關[18]。
雙孔鉀離子通道由 4 個跨膜蛋白亞基組成，其氨基和羧基末端結構域都位于細胞質內。細胞膜張力增加時雙孔鉀離子通道被打開[19]。另一種鉀離子通道為內向整流鉀通道，是由 2 個跨膜蛋白亞基組成的單孔通道，剪切力激活內皮細胞內向整流鉀通道，大量的鉀離子內流，并激活相應的下游信號[20]。
2.3 整合素
整合素是分布于細胞表面的跨膜糖蛋白受體，向膜外連接細胞外基質，向內與細胞骨架相連，是由α和β亞基以非共價鍵結合組成的異源二聚體，其中α、β亞基均由胞膜外區、跨膜區和胞質區組成，其家族有 18α和 8β亞基，并組成 24 個不同的細胞膜受體[21]。胞膜外區整合素的氨基端結構域通過改變其折疊內旋的結構，識別精氨酸-氨基乙酸-門冬氨酸序列多肽位點，與細胞外特異配體相結合，如纖連蛋白、膠原蛋白、層粘連蛋白等；胞內區除與細胞骨架等結構蛋白結合外，還可與多種信號蛋白如黏著斑激酶、蛋白激酶 C 等結合[22]。在機械應力作用下，整合素被激活，與細胞骨架及細胞內的多種信號分子相互作用，產生一系列生物效應，如促進細胞的生長、增殖，調節細胞骨架的構建及運動、基因及蛋白的表達和細胞外基質分泌與降解等[23]。整合素的機械信號轉導機制包括：① 通過與細胞外基質的接觸，整合素使局部黏著斑復合體聚集，并激活黏著斑激酶[24]；② 整合素將細胞受到的機械刺激直接傳遞到細胞骨架，細胞骨架的形變引起細胞內化學信號如絲裂原激活蛋白激酶、核因子激活的 B 細胞κ輕鏈增強信號通路的激活[25-26]。
3 細胞骨架
細胞骨架主要由肌動蛋白、微管、中間絲交織成網狀構成，其收縮產生張力可感知細胞外的機械應力信號[27]。在機械應力作用下，除了機械敏感性離子通道、整合素、局部黏著斑蛋白被激活外，細胞骨架還通過調節交聯蛋白與肌球蛋白的濃度及構造或改變微絲、微管、中間絲的構象來轉導機械信號[28]。細胞骨架轉導信號的方式可歸納為 2 種：一種是直接下傳機械應力，機械應力直接下傳至細胞核的速度比進行化學信號傳遞快，細胞形變后，機械應力刺激可以直接以 10-8～10-4 s 較快的速度傳導到細胞核，而從細胞膜傳遞到細胞核的單純化學信號則需要約 10-2 s[29]，細胞在受到機械應力后，細胞骨架發生形態改變，細胞骨架與核膜相接觸，把力傳到細胞核，引起細胞核形態改變，進而引起染色質的構象發生變化以調節基因表達，在這一機械信號傳遞過程中，中間絲起到重要作用，在結構上核膜的核纖維層與細胞質的中間絲蛋白相連，向內核纖維層與核基質相互聯系，組成一個貫通細胞質、細胞核的纖維網絡體系，稱作核基質-核纖層-中間絲體系，這一體系可以直接改變細胞核的形狀，從而改變核內一些蛋白的構象甚至 DNA 的狀態，最終改變細胞基因的表達[30]；另一種是把機械信號轉化為化學信號，細胞骨架與細胞內的多種酶相連，在機械應力的作用下，細胞骨架發生形變，引起與其相連的酶活性改變，從而調節多個化學信號的轉導途徑，如在整合素-細胞骨架這個信號轉導路徑中，細胞骨架通過肌動蛋白與局部黏著斑相連[31]，機械應力可引起中間絲纖維蛋白磷酸化，以調節中間絲的重組與細胞的硬度[32]，Joca 等[33]研究也發現牽張心肌細胞可引起微管依賴性還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶和活性氧物質的變化。
4 細胞核
從結構及功能角度來看，細胞核至少可分為2 個獨立的區域：核膜和核內部結構；核膜由內外2 層膜形成，2 層膜之間含有跨膜蛋白結構即核骨架與細胞骨架連接體復合物，該復合物介導了細胞骨架與細胞核之間的相互作用[5]。核孔是細胞核與細胞漿的物質相互轉運通道，允許選擇性細胞質與核質之間交換物質。內部的核質成分尚不清楚，可能主要由染色質、核仁、核質組成。所有這些細胞核成分與機械轉導相關[34]。
近期研究顯示纖維層破裂與機械轉導相關，核膜纖維層蛋白 A 濃度降低、肌球蛋白收縮及細胞外基質硬度增加可導致核膜破裂，引起 DNA 修復因子過多漏入細胞質，造成 DNA 損傷及細胞周期停滯，核纖維層蛋白 A 相關缺陷可被修復因子過表達及收縮調節劑所修復[35]。核骨架與細胞骨架連接體復合物也參機械應力的轉導，應力作用于細胞后，肌動蛋白細胞骨架轉導機械信號傳遞至核骨架與細胞骨架連接體復合物，然后通過核纖維層與染色質之間的相互作用直接牽張染色質，引起基因轉錄上調[36]。核孔蛋白復合物參與核孔的物質轉運，其能與細胞骨架、染色質及核骨架與細胞骨架連接體復合物等結合，細胞外的機械應力通過細胞骨架由黏著斑傳導細胞核，使核孔蛋白復合物受到牽張[37]。
胞外機械應力的刺激下，細胞核除了直接受機械信號調節外，還受化學信號調節。如黏著斑激酶-絲裂原激活蛋白激酶途徑可調節多種激酶的活性，影響轉錄因子、非組蛋白、組蛋白活性[38]。在細胞外對細胞施加機械應力，刺激黏著斑激酶，絲裂原激活蛋白激酶通路可被激活，包括細胞外信號調節激酶、p38 絲裂原激活蛋白激酶和 c-Jun 氨基酸末端激酶等[39]，機械應力激活細胞外信號調節激酶或 c-Jun 氨基酸末端激酶等通路后被轉錄到細胞核，激活轉錄因子激活蛋白 1，這對組織的重塑及形成起關鍵作用，如 Ⅰ 型膠原纖維、骨橋蛋白的合成及分解等[40]。
5 小結與展望
隨著對機械應力對細胞結構和功能調控的研究不斷深入，細胞對應力的感受及產生適應性應變的響應機制己初步為人們所認識，細胞可通過形變來感知細胞外的機械應力，同時也可以通過細胞膜上的機械敏感性離子通道、整合素等來感受細胞外機械應力，并把機械信號直接傳入細胞內或者將其轉化為化學信號，通過細胞骨架直接將機械信號傳到細胞核或通過第二信使傳遞給核轉錄因子而改變細胞的基因表達，但目前仍有很多未知領域等待人們去探索，如機械應力加載方式、大小、頻率與細胞增殖、分化、凋亡及細胞功能維持的關系，以及機械應力作用下細胞內機械信號轉導與基因表達調控的精確機制等。進一步深入研究機械應力轉錄控制的機制將有助我們通過恢復正常機械應力或矯正異常的轉錄活動來逆轉機械應力異常所致發育缺陷和治療機械應力失衡所致疾病，如膀胱出口梗阻、肥厚型心肌病、動脈粥樣硬化等。
此外，目前盡管人類在有活性的組織工程器官上已作出巨大的努力，但這些方法未能完全成功，原因在于未綜合理解關于組織的發展，如在器官生成過程中特殊形狀、大小和組成成分是怎樣形成的，因此需要整合機械敏感性模型至現有轉錄控制模型上，以便完全理解器官及組織的發生機制。為測量內源性機械力和細胞機械特性局部改變及機械信號與化學信號的動態聯系對轉錄活性的調節作用，仍需要發展新的模型，因為細胞的機械轉導對控制細胞的發展過程及組織的穩態起著關鍵作用，只有更深入理解胚胎及成熟器官的機械敏感轉錄控制機制，才可能研發出新的治療措施，使相關的組織工程及再生醫學得以發展。
利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。
目前應力與細胞形態、功能及基因轉錄之間的關系已成為研究焦點。機械應力是正常組織形態和功能的主要調節因素，并對細胞或組織的生理及病理發展過程起重要作用[1]。適宜的應力對細胞生長及分化成熟具有調控作用[2]；不適宜的應力可造成病理損害[3]。機械應力調節細胞的病理生理效應主要涉及細胞外基質、細胞膜上的跨膜受體或通道、細胞骨架及細胞核等之間的相互關系，細胞外基質可通過細胞膜上跨膜受體與細胞內骨架相連，細胞骨架可作用于細胞核，引起基因表達變化，進而調節細胞的生物學功能[4-5]。探索細胞如何感受和轉導機械應力已成為進一步深入研究機體如何對外界力學環境產生反應與適應的關鍵，可為研究機械應力相關疾病的精準治療及機械應力的優化構建組織工程器官等方面提供參考，因此本文將對細胞對應力的感知及信號轉導機制進行綜述。
1 細胞外基質
細胞外基質位于細胞周圍或細胞之間，由細胞合成并分泌到細胞外，主要由一些蛋白或蛋白聚糖組成，按大分子種類可大致歸納為膠原、非膠原糖蛋白、氨基聚糖與蛋白聚糖、彈性蛋白[6]。細胞外基質與機械應力關系密切，在機械應力作用下，細胞外基質對促進細胞黏附及機械信號轉導起重要作用，同時機械應力影響細胞外基質的合成及分泌[7-8]。血管平滑肌細胞的相關研究顯示機械應力促進平滑肌細胞的增殖和肥大，同時也促進膠原的沉積及細胞外基質的重組[9]。有研究模擬細胞外基質環境，在細胞外基質上培養人間充質干細胞，結果顯示細胞外基質的機械應力特性可影響細胞的擴展、增殖及分化，這些機械應力傳導與黏附配體的結合、肌球蛋白的收縮及黏附受體的聚集等相關[10]。
2 細胞膜
2.1 細胞膜概述
細胞膜分隔細胞內外，由脂質雙分子結構構成其骨架，有蛋白或蛋白多糖鑲嵌于表面、內面或貫穿其中。通過膜受體對機械應力的感受及轉導可改變基因轉錄和控制信號瀑布效應，通過細胞膜機械應力的傳遞，在細胞的局部黏著斑內和細胞間的連接復合物中，這些機械信號被轉化為化學信號[11]。此外，在機械應力作用下，脂質雙分子層的厚度發生變化，細胞膜發生形變，同時膜上的跨膜結構域發生適應性改變，進一步激活多種信號轉導通路[12]。
2.2 機械敏感的離子通道
在機械應力的作用下，多種細胞膜上的離子通道被激活，例如瞬時受體電位通道、上皮鈉離子通道及鉀離子通道（雙孔鉀離子通道和內向整流鉀通道）等。瞬時受體電位通道位于細胞膜上，由 6 個跨膜蛋白和 1 個孔構成，其氨基和羧基末端的結構域都位于細胞質內[13]。目前已發現約 30 個瞬時受體電位通道基因，基于同源性可分為 7 個亞家族：標準型、M 型、辣椒素型、黏脂蛋白型、多囊蛋白型、無感受電位 c 型和錨蛋白型[14]。機械應力作用于細胞后，瞬時受體電位通道被激活，鈣離子內流[15]，對機械應力的感知具有信號放大效應[16]。
上皮鈉離子通道由被 1 個細胞外環分隔的 2 個跨膜蛋白組成，其氨基和羧基末端結構域都位于細胞質內，是由α、β、γ 3 個亞基組成的異源多聚體，其對鈉離子具有通透性。有研究發現β、γ亞基在機械應力轉導過程中起關鍵作用[17]。上皮鈉離子通道轉導機械信號的機制可能與上皮鈉離子通道亞基與細胞骨架、細胞外基質相接觸有關[18]。
雙孔鉀離子通道由 4 個跨膜蛋白亞基組成，其氨基和羧基末端結構域都位于細胞質內。細胞膜張力增加時雙孔鉀離子通道被打開[19]。另一種鉀離子通道為內向整流鉀通道，是由 2 個跨膜蛋白亞基組成的單孔通道，剪切力激活內皮細胞內向整流鉀通道，大量的鉀離子內流，并激活相應的下游信號[20]。
2.3 整合素
整合素是分布于細胞表面的跨膜糖蛋白受體，向膜外連接細胞外基質，向內與細胞骨架相連，是由α和β亞基以非共價鍵結合組成的異源二聚體，其中α、β亞基均由胞膜外區、跨膜區和胞質區組成，其家族有 18α和 8β亞基，并組成 24 個不同的細胞膜受體[21]。胞膜外區整合素的氨基端結構域通過改變其折疊內旋的結構，識別精氨酸-氨基乙酸-門冬氨酸序列多肽位點，與細胞外特異配體相結合，如纖連蛋白、膠原蛋白、層粘連蛋白等；胞內區除與細胞骨架等結構蛋白結合外，還可與多種信號蛋白如黏著斑激酶、蛋白激酶 C 等結合[22]。在機械應力作用下，整合素被激活，與細胞骨架及細胞內的多種信號分子相互作用，產生一系列生物效應，如促進細胞的生長、增殖，調節細胞骨架的構建及運動、基因及蛋白的表達和細胞外基質分泌與降解等[23]。整合素的機械信號轉導機制包括：① 通過與細胞外基質的接觸，整合素使局部黏著斑復合體聚集，并激活黏著斑激酶[24]；② 整合素將細胞受到的機械刺激直接傳遞到細胞骨架，細胞骨架的形變引起細胞內化學信號如絲裂原激活蛋白激酶、核因子激活的 B 細胞κ輕鏈增強信號通路的激活[25-26]。
3 細胞骨架
細胞骨架主要由肌動蛋白、微管、中間絲交織成網狀構成，其收縮產生張力可感知細胞外的機械應力信號[27]。在機械應力作用下，除了機械敏感性離子通道、整合素、局部黏著斑蛋白被激活外，細胞骨架還通過調節交聯蛋白與肌球蛋白的濃度及構造或改變微絲、微管、中間絲的構象來轉導機械信號[28]。細胞骨架轉導信號的方式可歸納為 2 種：一種是直接下傳機械應力，機械應力直接下傳至細胞核的速度比進行化學信號傳遞快，細胞形變后，機械應力刺激可以直接以 10-8～10-4 s 較快的速度傳導到細胞核，而從細胞膜傳遞到細胞核的單純化學信號則需要約 10-2 s[29]，細胞在受到機械應力后，細胞骨架發生形態改變，細胞骨架與核膜相接觸，把力傳到細胞核，引起細胞核形態改變，進而引起染色質的構象發生變化以調節基因表達，在這一機械信號傳遞過程中，中間絲起到重要作用，在結構上核膜的核纖維層與細胞質的中間絲蛋白相連，向內核纖維層與核基質相互聯系，組成一個貫通細胞質、細胞核的纖維網絡體系，稱作核基質-核纖層-中間絲體系，這一體系可以直接改變細胞核的形狀，從而改變核內一些蛋白的構象甚至 DNA 的狀態，最終改變細胞基因的表達[30]；另一種是把機械信號轉化為化學信號，細胞骨架與細胞內的多種酶相連，在機械應力的作用下，細胞骨架發生形變，引起與其相連的酶活性改變，從而調節多個化學信號的轉導途徑，如在整合素-細胞骨架這個信號轉導路徑中，細胞骨架通過肌動蛋白與局部黏著斑相連[31]，機械應力可引起中間絲纖維蛋白磷酸化，以調節中間絲的重組與細胞的硬度[32]，Joca 等[33]研究也發現牽張心肌細胞可引起微管依賴性還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶和活性氧物質的變化。
4 細胞核
從結構及功能角度來看，細胞核至少可分為2 個獨立的區域：核膜和核內部結構；核膜由內外2 層膜形成，2 層膜之間含有跨膜蛋白結構即核骨架與細胞骨架連接體復合物，該復合物介導了細胞骨架與細胞核之間的相互作用[5]。核孔是細胞核與細胞漿的物質相互轉運通道，允許選擇性細胞質與核質之間交換物質。內部的核質成分尚不清楚，可能主要由染色質、核仁、核質組成。所有這些細胞核成分與機械轉導相關[34]。
近期研究顯示纖維層破裂與機械轉導相關，核膜纖維層蛋白 A 濃度降低、肌球蛋白收縮及細胞外基質硬度增加可導致核膜破裂，引起 DNA 修復因子過多漏入細胞質，造成 DNA 損傷及細胞周期停滯，核纖維層蛋白 A 相關缺陷可被修復因子過表達及收縮調節劑所修復[35]。核骨架與細胞骨架連接體復合物也參機械應力的轉導，應力作用于細胞后，肌動蛋白細胞骨架轉導機械信號傳遞至核骨架與細胞骨架連接體復合物，然后通過核纖維層與染色質之間的相互作用直接牽張染色質，引起基因轉錄上調[36]。核孔蛋白復合物參與核孔的物質轉運，其能與細胞骨架、染色質及核骨架與細胞骨架連接體復合物等結合，細胞外的機械應力通過細胞骨架由黏著斑傳導細胞核，使核孔蛋白復合物受到牽張[37]。
胞外機械應力的刺激下，細胞核除了直接受機械信號調節外，還受化學信號調節。如黏著斑激酶-絲裂原激活蛋白激酶途徑可調節多種激酶的活性，影響轉錄因子、非組蛋白、組蛋白活性[38]。在細胞外對細胞施加機械應力，刺激黏著斑激酶，絲裂原激活蛋白激酶通路可被激活，包括細胞外信號調節激酶、p38 絲裂原激活蛋白激酶和 c-Jun 氨基酸末端激酶等[39]，機械應力激活細胞外信號調節激酶或 c-Jun 氨基酸末端激酶等通路后被轉錄到細胞核，激活轉錄因子激活蛋白 1，這對組織的重塑及形成起關鍵作用，如 Ⅰ 型膠原纖維、骨橋蛋白的合成及分解等[40]。
5 小結與展望
隨著對機械應力對細胞結構和功能調控的研究不斷深入，細胞對應力的感受及產生適應性應變的響應機制己初步為人們所認識，細胞可通過形變來感知細胞外的機械應力，同時也可以通過細胞膜上的機械敏感性離子通道、整合素等來感受細胞外機械應力，并把機械信號直接傳入細胞內或者將其轉化為化學信號，通過細胞骨架直接將機械信號傳到細胞核或通過第二信使傳遞給核轉錄因子而改變細胞的基因表達，但目前仍有很多未知領域等待人們去探索，如機械應力加載方式、大小、頻率與細胞增殖、分化、凋亡及細胞功能維持的關系，以及機械應力作用下細胞內機械信號轉導與基因表達調控的精確機制等。進一步深入研究機械應力轉錄控制的機制將有助我們通過恢復正常機械應力或矯正異常的轉錄活動來逆轉機械應力異常所致發育缺陷和治療機械應力失衡所致疾病，如膀胱出口梗阻、肥厚型心肌病、動脈粥樣硬化等。
此外，目前盡管人類在有活性的組織工程器官上已作出巨大的努力，但這些方法未能完全成功，原因在于未綜合理解關于組織的發展，如在器官生成過程中特殊形狀、大小和組成成分是怎樣形成的，因此需要整合機械敏感性模型至現有轉錄控制模型上，以便完全理解器官及組織的發生機制。為測量內源性機械力和細胞機械特性局部改變及機械信號與化學信號的動態聯系對轉錄活性的調節作用，仍需要發展新的模型，因為細胞的機械轉導對控制細胞的發展過程及組織的穩態起著關鍵作用，只有更深入理解胚胎及成熟器官的機械敏感轉錄控制機制，才可能研發出新的治療措施，使相關的組織工程及再生醫學得以發展。
利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。