機械敏感分子踝蛋白與動脈粥樣硬化

李史恬 李靜 李玲

(新疆醫(yī)科大學 1基礎醫(yī)學院，新疆 烏魯木齊 830011；2第一臨床醫(yī)學院；3藥學院)

理解外力刺激對細胞產(chǎn)生的影響需要運用生物化學和生物力學相互結合的整體研究方法。近年來，顯微鏡技術和生物物理技術領域的進展使細胞生物力學的研究向前邁出了一大步，逐漸形成了新興的生物力學學科。細胞通過黏著斑與其自身的機械環(huán)境進行信息傳遞，踝蛋白(Talin)是黏著斑中的重要成分，連接著整合素與肌動蛋白，可激活整合素。由于Talin與細胞機械力承載裝置的關鍵部位相結合并在受到外力刺激時發(fā)生構象變化，因此，研究認為Talin是一種機械敏感分子，并且在整合素介導的力學轉導中占據(jù)重要地位〔1，2〕。本綜述介紹Talin的機械敏感結構及其與結合伙伴的協(xié)同作用，討論了Talin與動脈粥樣硬化(AS)的密切聯(lián)系及Talin在癌癥中的表達及調(diào)控。

1 Talin機械敏感結構

Talin于1983年被發(fā)現(xiàn)，因從人血小板中分離獲得而得名〔3〕。Talin共有2 541個氨基酸殘基，分子質(zhì)量為270 kD，由N端頭部結構域和C端的棒狀尾部結構域連接而成。Talin頭部呈球形，包括F0結構域和FERM結構域，F(xiàn)ERM結構域存在于多種連接跨膜蛋白和細胞骨架的蛋白質(zhì)中，由線性排列的F1、F2、F3子域組成；尾部的棒狀結構域，由13個螺旋束(R1～R13)及C末端的最后一個α螺旋DD組成。兩個Talin分子的DD結構可相互作用，介導Talin二聚體的形成〔4〕。棒狀結構域的每個螺旋束由4～5個α螺旋組成，其內(nèi)部形成穩(wěn)定的疏水核心。因螺旋束種類及排列方式的不同，可形成兩個功能不同的區(qū)域：5-螺旋束組成的線性排列的桿狀域和3個4-螺旋束(R2-R4)所組成的緊湊排列的結構域，后者插入棒狀結構域N端的R1與R5之間，R2通過其強大的疏水作用與R1結合成一個雙結構域。R8雖為4-螺旋束，但因為它并非插入了R7與R9之間，而是插入了R7內(nèi)部的α-螺旋環(huán)中，所以并未打破5-螺旋束的線性排列〔5〕。通過在體內(nèi)對Talin分子單體進行追蹤，Margardant等〔6〕證明了Talin在感應肌動蛋白的機械力時，會發(fā)生顯著的構象變化。根據(jù)螺旋束的拓撲結構發(fā)現(xiàn)：4-螺旋束的N端和C端在空間上緊密排列且位于結構域的同側；5-螺旋束的N端和C端首尾相接，分別位于結構域的兩側，為線性排列的長棒狀結構。因此形成了Talin理想的機械力傳導結構。

受到較低機械力作用時，Rap1-GTP交聯(lián)受體蛋白(RIAM)與R2、R3結構域的結合占主導地位，協(xié)助細胞膜招募Talin、激活整合素及新生粘連的組裝。然而當機械力大于5 pN時，R3結構域受到機械誘導展開后，RIAM結合位點遭到破壞，從而向紐蛋白(Vinculin)-Talin復合物過渡，促使新生黏附物成熟為黏著斑〔1〕。

2 Talin對整合素的激活

整合素是一種跨膜蛋白，其胞外基質(zhì)(ECM)成分可將外界應力刺激傳遞到細胞內(nèi)，同時β亞基胞內(nèi)域與Tain N末端FERM域直接相連，將外界機械應力刺激信號轉化為細胞內(nèi)化學信號，實現(xiàn)力-化學信號轉導過程〔7〕。整合素介導的黏附物機械敏感性允許組織調(diào)整其功能和基因表達以適應環(huán)境中的機械信號〔8〕。整合素激活伴隨著其胞外結構域構象變化，Talin的一個重要功能就是將整合素轉化為與ECM配體高親和力結合的構象，即所謂的“由內(nèi)而外”激活。從細胞內(nèi)部調(diào)控整合素活性對造血細胞尤其是血小板和淋巴細胞尤為重要〔9〕。

帶負電荷的磷脂酞肌醇(PI)對分布在Talin蛋白FERM結構域一側的連續(xù)堿性殘基有靜電吸引作用，使得Talin靠近細胞膜，Talin依靠頭部F3亞結構域上的類磷酸酪氨酸結合(PTB)結構域與整合素β亞基胞內(nèi)天冬酰胺-脯胺酸-Xaa-酪氨酸(NPxY)序列結合，使整合素的α、β亞基之間鹽鍵斷裂，導致整合素活化，進而引發(fā)下游細胞信號轉導〔5〕。研究表明，肌動蛋白聚合和肌凝蛋白收縮所產(chǎn)生的力能夠誘導或穩(wěn)定整合素激活構象〔10〕。

3 踝蛋白-紐蛋白結構在機械力轉導中的作用

Talin是機械力感應分子，而Vinculin是關鍵的機械效應物之一。早期的結構研究表明Talin與Vinculin的相互作用需要Talin中螺旋束的展開，接著Vinculin與之前被掩蓋的紐蛋白結合位點(VBSs)結合〔11〕。分子動力學模擬實驗表明，在螺旋束兩端施加機械力可加速VBSs的暴露〔12〕。在細胞中，Vinculin存在活化和非活化兩種構象。非活化時處于自我抑制狀態(tài)，首尾相接，在受到外力時，Talin和肌動蛋白微絲分別與Vinculin的頭部(Vh)及尾部(Vt)功能域相結合，共同介導Vinculin的活化，使其向整合素募集，共同形成黏著斑，研究發(fā)現(xiàn)這種募集作用受到力學刺激的誘導〔13〕。Del等〔14〕在單分子實驗中發(fā)現(xiàn)，在Talin N端施加大約12 pN的力，即可顯著增加Vinculin頭域與Talin的結合，提示力學刺激可誘導Vinculin的活化及其向黏著斑的募集。Ciobanasu等〔15〕發(fā)現(xiàn)，肌動蛋白收縮時作用于Talin全長的力增加了Talin與Vinculin的親和力。

4 踝蛋白-肌動蛋白結構在機械力轉導中的作用

Talin包含3個肌動蛋白結合域(ABDs)。ABD1跨越FERM域的F2和F3子域；ABD2位于棒狀結構域的中心，位于Talin蛋白的C末端〔16，17〕。成熟黏著斑的納米級組織顯示，Talin N端的ABD1位于細胞膜的近端，而ABD3則向細胞深處延伸以固定肌動蛋白應力纖維〔18〕。在此構象中，Talin作為機械傳感器，將機械力從肌動蛋白細胞骨架傳遞給黏著斑，這種特性使Talin能夠感受到ECM硬度〔19〕。實驗表明〔14〕，Vinculin與VBSs結合后，肌動蛋白結合位點暴露，即Vinculin尾巴，從而加強了肌動蛋白的錨定。

5 踝蛋白與AS

AS是一種高度復雜的疾病，其特征是進展性的內(nèi)皮損傷、動脈炎癥、血流動力學改變和血管重構，并導致斑塊形成、進展和破裂〔20〕。一個多世紀前，Virchow提出血液流動和停滯導致血栓形成的假說，而在近50年前已提出血流動力學改變影響AS發(fā)生的觀點。

5.1AS斑塊病理 AS斑塊內(nèi)含有的各種細胞中，血管平滑肌細胞(VSMCs)來源的細胞占70%左右，表明VSMCs增殖是AS斑塊形成的基礎〔21〕。VSMCs分為收縮型和合成型，二者間可發(fā)生表型轉化并受基因調(diào)控。胚胎發(fā)育時，VSMCs通過表達平滑肌細胞肌動蛋白(SM α-actin)、平滑肌肌球蛋白重鏈(SM-MHC)及鈣調(diào)節(jié)蛋白等收縮蛋白基因使細胞由合成型轉化為收縮型；當細胞處于炎癥、應激或應力刺激等因素下，VSMCs通過下調(diào)上述基因表達，使細胞去分化轉化為合成型，獲得再增殖和分泌能力〔22〕。部分合成型VSMCs合成ECM并攝取脂質(zhì)變?yōu)榕菽毎?，其余大量增殖，致使脂質(zhì)沉積、內(nèi)膜增厚，成為AS的病理學基礎〔23〕。

5.2AS的血流動力學機制 對AS病變部位進行總結分析后發(fā)現(xiàn)，AS病變主要見于呈現(xiàn)異常切應力模式的動脈彎曲和分叉處，表明AS的發(fā)生與血流動力學有因果關系，進一步研究發(fā)現(xiàn)病灶分布和病理生理學改變與壁面剪切應力有關〔24〕。低剪切應力是AS形成公認的危險因素。孫濤等〔25〕根據(jù)流體力學原理，采用自行設計的楔形頸總動脈套管植入兔頸總動脈，發(fā)現(xiàn)低剪切力區(qū)域形成斑塊組織且其中脂質(zhì)成分增加、平滑肌細胞增殖，證明低剪切力可誘導AS的發(fā)生。低剪切應力主要通過絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)、核轉錄因子(NF)-κB及蛋白激酶(PK)Cξ等信號通路發(fā)揮作用，誘導炎癥細胞黏附分子的產(chǎn)生、增加脂質(zhì)攝取并增高內(nèi)皮滲透性，從而造成血管內(nèi)皮損傷，引發(fā)慢性動脈炎癥、脂質(zhì)累積和氧化、內(nèi)膜增生和凋亡等病理過程，最終導致脂質(zhì)斑塊的發(fā)生發(fā)展〔26，27〕。剪切應力反映血流對血管壁產(chǎn)生的切向摩擦力，與血液黏度和血流速度呈正比。目前，力學信號轉導領域認為，機械應力刺激首先激活細胞膜上機械感受器，包括整合素、受體酪氨酸激酶(RTK)、小G蛋白和離子通道等；然后通過分子構象改變將機械刺激轉化為化學信號，繼而激活下游信號通路，最終導致VSMCs細胞分化、增殖或凋亡等生物學效應〔28〕。

5.3踝蛋白在AS中的表達及作用 Von等〔29〕通過微點陣分析和實時熒光定量聚合酶鏈反應(PCR)分析Talin-1、Talin-2基因在AS斑塊中的表達，發(fā)現(xiàn)Talin基因在斑塊(頸動脈、腹主動脈和股動脈區(qū)域)中的表達與對照組相比均顯著且持續(xù)下調(diào)；通過免疫組化方法觀察到Talin基因在AS不穩(wěn)定斑塊中有進一步下降的趨勢，表明Talin表達下調(diào)可能導致組織對機械沖擊的耐受性降低且愈合能力受損，引起AS斑塊破裂，提示受損的組織機械穩(wěn)定性影響組織重塑和愈合能力，導致不穩(wěn)定斑塊形成。陳道運〔30〕利用脈動模式張應力系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，在周期性應變的作用下，Talin在VSMCs中表達逐漸增加且發(fā)生快速磷酸化，并應用酪氨酸磷酸化抑制劑通過分級阻斷證明ECM-整合素-骨架蛋白-細胞骨架是周期性應變促進VSMCs增殖的重要信號通路。

綜上，Talin作為整合素/Talin介導的機械力轉導通路中首個被證實能與整合素胞內(nèi)段結合的細胞骨架蛋白，可將來自ECM的機械應力傳遞至細胞內(nèi)，同時也將細胞骨架產(chǎn)生的牽引力傳遞至ECM。整合素/踝蛋白介導的機械感應在生理狀態(tài)及包括癌癥、高血壓和纖維化在內(nèi)的多種疾病中都具有重要作用。一些公認的抗腫瘤藥物可直接針對細胞中Talin的表達水平進行靶向治療，如在前列腺癌和結腸癌中受到廣泛研究的白藜蘆醇，還有多沙唑嗪衍生物——DZ-50，兩者都被證明可以降低癌細胞中Talin的表達水平，表明Talin有望成為癌癥分子治療的新靶點〔31，32〕。