《應(yīng)力纖維調(diào)控干細(xì)胞分化作用機(jī)制的研究進(jìn)展》點(diǎn)評(píng)

張?zhí)煊?/p>

(復(fù)旦大學(xué)附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院眼耳鼻整形外科 上海 200031)

1 應(yīng)力纖維的解聚與聚合及其對(duì)細(xì)胞功能的影響

應(yīng)力纖維(stress fiber，SF)又稱(chēng)微絲束，是細(xì)胞骨架之一。構(gòu)成微絲的主要成分是肌動(dòng)蛋白，肌動(dòng)蛋白有單體肌動(dòng)蛋白(G-actin)和聚合肌動(dòng)蛋白(F-actin)2 種。肌動(dòng)蛋白的不同形式發(fā)揮著不同的功能，G-actin 主要通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子影響相應(yīng)基因的表達(dá)；而F-actin 在維持細(xì)胞形態(tài)和機(jī)械信號(hào)傳遞中具有重要作用。SF 不僅影響細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞分化等，在腫瘤細(xì)胞的侵襲和遷移中也發(fā)揮重要作用。有研究[1]表明，微絲束的解聚和F-actin 的聚合在鼻咽癌細(xì)胞中更活躍；一些環(huán)狀RNA 通過(guò)調(diào)控微絲束等細(xì)胞骨架的重塑促進(jìn)鼻咽癌的遷移和浸潤(rùn)[2]。由此可見(jiàn)，充分認(rèn)識(shí)SF 的結(jié)構(gòu)和功能對(duì)于認(rèn)識(shí)干細(xì)胞的定向分化及腫瘤的發(fā)生、發(fā)展均具有重要指導(dǎo)意義。

2 SF 調(diào)控干細(xì)胞分化的途徑

SF 通過(guò)多種方式調(diào)控細(xì)胞功能，綜述著重介紹了以下4 種途徑。

2.1 通過(guò)MRTF-A 與SRF 結(jié)合激活含CArG 元件的靶基因 MRTF-A 廣泛表達(dá)于胚胎和成年組織中。人類(lèi)的MRTF-A 蛋白有肌動(dòng)蛋白結(jié)合結(jié)構(gòu)域和血清反應(yīng)因子(serum response factor,SRF)結(jié)合區(qū)域，這些結(jié)構(gòu)域是其發(fā)揮功能的重要基礎(chǔ)。當(dāng)肌動(dòng)蛋白聚合增加時(shí)，G-actin 與心肌素相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子A(myocardin related transcription factor-A,MRTF-A)解聚，在一些輔助因子的作用下，MRTF-A 從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核中與SRF 結(jié)合。SRF 是高度保守的多功能轉(zhuǎn)錄因子,主要調(diào)控與生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程相關(guān)的基因。SRF 具有DNA 結(jié)合位點(diǎn)CC(AT)6GG，可結(jié)合含CArG 元件的靶基因。SRF 與CArG 元件結(jié)合后可調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。在生物的生長(zhǎng)發(fā)育乃至腫瘤的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中，轉(zhuǎn)錄因子與DNA 順式作用元件的正確識(shí)別與結(jié)合是調(diào)控基因特異性時(shí)空表達(dá)的關(guān)鍵步驟。當(dāng)順式元件CArG 突變或SRF 功能異常時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)不當(dāng)調(diào)控，從而導(dǎo)致細(xì)胞功能異常及疾病的發(fā)生。綜上所述，MRTF-A 并不直接調(diào)控基因的表達(dá)，而是通過(guò)SRF 來(lái)調(diào)控基因的表達(dá)。由于SRF 的調(diào)控功能具有多樣性，因此，肌動(dòng)蛋白-MRTF-A-SRF 最終產(chǎn)生的細(xì)胞效應(yīng)可能會(huì)因不同刺激和不同細(xì)胞類(lèi)型而異。

2.2 促進(jìn)YAP 與轉(zhuǎn)錄因子TEAD 結(jié)合 如文中所述，轉(zhuǎn)錄共激活因子相關(guān)蛋白[Yes 相關(guān)蛋白(Yesassociated protein,YAP)]的轉(zhuǎn)錄活性主要受磷酸化調(diào)控，非磷酸化的YAP 入核可發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控活性，而磷酸化的YAP 則失去活性。YAP 的磷酸化和去磷酸化受Hippo 通路、機(jī)械信號(hào)及其他分子的調(diào)控。目前認(rèn)為，機(jī)械信號(hào)對(duì)YAP 的調(diào)控主要依賴(lài)LATS 1/2信號(hào)蛋白實(shí)現(xiàn)，但其具體機(jī)制未闡明。Hippo 信號(hào)對(duì)YAP 的調(diào)控是研究最多、機(jī)制也比較明確的途徑[3]。當(dāng)Hippo 信號(hào)激活時(shí)可引起YAP 的磷酸化，使YAP滯留在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)或降解。而當(dāng)Hippo 信號(hào)被抑制時(shí)，YAP 則以非磷酸化狀態(tài)進(jìn)入細(xì)胞核中結(jié)合核轉(zhuǎn)錄因子TEAD。TEAD 具有YAP 結(jié)合域及DNA 結(jié)合域，只有與YAP、TAZ 等蛋白結(jié)合后才能激活下游靶基因的表達(dá)，常見(jiàn)的靶基因有CTGF、Cyr61 和Axl 等。Hippo 信號(hào)參與細(xì)胞增殖、干細(xì)胞的自我更新、組織的再生、腫瘤發(fā)生及腫瘤免疫逃逸等過(guò)程。

2.3 促進(jìn)核膜LINC 復(fù)合物介導(dǎo)核外周染色質(zhì)開(kāi)放性增加 細(xì)胞骨架復(fù)合體(LINC 復(fù)合體)是連接細(xì)胞骨架和核骨架的跨膜蛋白復(fù)合體，是細(xì)胞膜和細(xì)胞核的橋梁。SF 可將機(jī)械刺激信號(hào)通過(guò)LINC 復(fù)合體傳遞到核內(nèi)，導(dǎo)致細(xì)胞核形變，改變核內(nèi)染色質(zhì)的構(gòu)象。染色質(zhì)構(gòu)象的改變對(duì)基因的表達(dá)、DNA的復(fù)制等具有重要作用。通常情況下，大多數(shù)基因組DNA 與組蛋白纏繞形成核小體，有部分基因組DNA 不與組蛋白纏繞形成無(wú)核小體的裸露DNA 區(qū)域，這些區(qū)域被稱(chēng)為開(kāi)放染色質(zhì)(open chromatin)。這些開(kāi)放區(qū)域往往是轉(zhuǎn)錄因子或一些調(diào)控蛋白結(jié)合的靶點(diǎn)。在LINC 復(fù)合體傳導(dǎo)機(jī)械力的作用下，核外周處于開(kāi)放的染色質(zhì)增多，一些轉(zhuǎn)錄因子和輔因子就容易與這些區(qū)域結(jié)合，從而啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄或DNA 的復(fù)制。此外，LINC 復(fù)合體傳導(dǎo)機(jī)械力可還通過(guò)調(diào)控機(jī)械依賴(lài)性轉(zhuǎn)錄因子、增加核膜上核孔的孔隙暴露量等影響轉(zhuǎn)錄因子出入細(xì)胞核。由此可見(jiàn)，LINC 復(fù)合體傳導(dǎo)機(jī)械力的生物學(xué)效應(yīng)是多樣的，對(duì)細(xì)胞的生命活動(dòng)及功能發(fā)揮具有重要作用。

2.4 促進(jìn)Emerin 蛋白介導(dǎo)Ezh2 酶移位 Emerin 蛋白是一種富含絲氨酸的內(nèi)核膜蛋白，廣泛表達(dá)于全身多種組織細(xì)胞中。一方面，肌動(dòng)蛋白數(shù)量增加或收縮活性增強(qiáng)可促進(jìn)內(nèi)層核膜Emerin 蛋白發(fā)生磷酸化，從而促進(jìn)組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶Ezh2 在核內(nèi)移位，導(dǎo)致靶基因的甲基化水平降低。另一方面，Emerin蛋白也能與肌動(dòng)蛋白纖維的生長(zhǎng)端結(jié)合，促進(jìn)肌動(dòng)蛋白單體聚合增加，從而調(diào)控肌動(dòng)蛋白纖維的裝配。因此，Emerin 蛋白與肌動(dòng)蛋白可以相互調(diào)控以維持自身穩(wěn)定。此外，Emerin 蛋白還參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控、細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等多種生物過(guò)程。有研究[4]表明，Emerin 蛋白還能夠通過(guò)不同的方式調(diào)控不同類(lèi)型癌細(xì)胞的上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化進(jìn)程，從而影響癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移和遷徙。如促進(jìn)前列腺癌細(xì)胞中ERK1/2 的磷酸化，引起細(xì)胞核的不穩(wěn)定，促進(jìn)癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移[5]。由于Emerin 蛋白的功能多樣，其接受機(jī)械信號(hào)后最終產(chǎn)生何種生物學(xué)效應(yīng)，不同的細(xì)胞類(lèi)型可有不同的表現(xiàn)。

3 總結(jié)及展望

綜述重點(diǎn)概述了機(jī)械信號(hào)通過(guò)細(xì)胞骨架傳遞到細(xì)胞核的4 種分子機(jī)制。這些分子機(jī)制的闡明對(duì)認(rèn)識(shí)細(xì)胞的分化、組織再生、腫瘤的發(fā)生及發(fā)展等具有重要指導(dǎo)作用。盡管如此，很多關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題尚未闡明，如細(xì)胞如何感知不同環(huán)境下受到的機(jī)械刺激，又如何將這些信號(hào)精確傳遞給特定的效應(yīng)子；機(jī)械信號(hào)傳遞的時(shí)空調(diào)控機(jī)制如何；依賴(lài)細(xì)胞骨架的不同機(jī)械信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制之間有無(wú)協(xié)同或相互抑制作用。在未來(lái)，在活細(xì)胞中可視化基因表達(dá)，建立細(xì)胞核的機(jī)械化學(xué)模型可能是明確這些問(wèn)題的重要研究手段。