细胞机械应力响应的生物学基础及机制研究进展

越来越多的研究表明，机械应力(mechanicalstress，Ms)在细胞增殖、分化、凋亡、基因表达以及组织生长、功能整合等生理过程和某些病理生理(如心肌肥大、动脉粥样硬化和皮肤扩张、骨折等创伤修复)过程中起着重要的作用。但是应力如何被细胞感受并传递至细胞内，最终导致细胞发生一系列生物学效应的确切响应机制仍处于探索阶段，并未完全阐明，本文就近年来细胞机械应力响应的生物学基础及机制研究进展综述如下。

1 细胞机械应力响应的生物学基础

1．1　细胞结构的张力完整性：张力完整性结构(stress integrality structure，SIS)由承受压力构件和一系列连续的张力构件相互连接组成。这种结构的稳定性取决于结构内部完整性的保持，因而被称为张力完整性。生物学研究表明，细胞的结构符合张力完整性原理，而且细胞骨架(cellularframework，CF)的张力完整性影响细胞的形状及功能。细胞骨架的张力完整性是细胞形变的主要决定因素。有关研究表明扁平细胞比圆形细胞DNA合成更为旺盛，说明细胞的变形是信息传递的重要环节。在机械应力的作用下细胞骨架的所有构件为了分散张力和压力而发生整体重排，从而导致细胞发生形变，细胞形状调节发出的调节信息以力的形式传递。因此，机械应力的变化可以通过细胞及其骨架内的力平衡而对细胞的生长和生化性质产生影响，即细胞受到来自体外的直接的力学刺激时，它的形态和功能都会发生改变。由于张力完整性结构中存在预应力，若对该结构中的某一构件施加应力，所有相互连接的构件包括距离很远的构件就会整体重排，从而导致线性硬化响应，即结构硬度的增加与施加应力的增加成正比。活细胞线性硬化以响应通过细胞表面受体传递的应力，力学信号再通过细胞骨架的几何形状或分子结构依赖于力的变化而转变为生化响应。研究发现，骨架重排可引起细胞形态的改变，细胞骨架作为细胞内的张力框架，通过与细胞膜上分子的直接联系，将力学受体上的分子扭曲力在细胞内传递分布，再经过效应分子的扭曲力将力学信号最终表现在效应点上。

1．2　整合素：细胞整合素是一类重要的细胞表面受体，其配体主要为细胞外基质蛋白(extracellularmatrix，ECM)，如胶原蛋白、纤粘连蛋白、层粘连蛋白等。整合素通过识别这些胞外基质蛋白，介导细胞与细胞、细胞与ECM的粘附反应并接受传导级联信号，在多种基本的病理生理过程中发挥重要作用。其β亚单位的胞内区不仅能与肌动蛋白结合的蛋白质如vinculin、talin、paxillin及－actinin反应，而且还能与聚焦粘附激酶(focaladhesion kinase，FAK)的氨基端反应，FAK进一步与各种信号分子反应，如C－Src、Graf(与FAK有关的GTP酶调控因子)、IP－3激酶等，这些信号分子又可进一步激活各种下游蛋白的级联反应，包括促有丝分裂原激活蛋白激酶(mitogen－activitatedprotein kinase，MAPK)，蛋白激酶c(proteinkinase C，PKC)和PIP－5激酶等。

目前，越来越多的研究表明整合素具有机械应力转导的功能，并且主要集中于整合素聚焦粘附区域，起到变机械力学信号为化学信号的作用。采用裱衬了纤粘连蛋白或含RGD肽的微球对细胞进行剪切加载，发现力信号可以直接传入细胞骨架(表现为细胞硬度指数随应变增大而增高)，而若微球未裱衬或裱衬其他非整合素的配体，则力信号不能直接传入细胞骨架。利用磁扭转细胞计，将机械应力直接作用于细胞表面受体证实，β1整合素能将力信号传递至细胞骨架，诱导聚焦粘附的形成，支持应力依赖性细胞硬度反应，这说明整合素是外力传向细胞骨架的通道，细胞通过其表面的整合素受体及时响应，以张力整和的形式将响应的机械力信号有选择地转换到细胞和核内的不同结构部件上，如聚焦粘附络合物中的信号分子、细胞膜中的离子通道、核糖体、核膜孔、染色体、甚至可能是单个基因，实现力化学转化，从而调节细胞的生理机能，对维持细胞的生长和影响细胞的功能产生调控作用。

1．3　第二信使系统：细胞感受机械应力之后可生成一系列的第二信使分子，比如Ca2+，cAMP、PKC和IP3等。机械牵拉或剪应力作用可使成骨细胞和一些力敏感细胞(如血管内皮细胞)胞内Ca2+浓度迅速增高，Duncan等人的工作表明，应力诱导的成骨细胞胞内Ca2+浓度增高，至少部分通过应力敏感离子通道，且牵拉可使其电导增加并变得对机械刺激更为敏感。机械应变和剪应力亦均可诱导胞内IP3浓度增高，而IP3可以动员胞内钙库的释放，从而使胞内Ca2+十浓度增高。机械牵拉和剪应力均可使胞内cAMP浓度增高，而cAMP浓度的增高与力刺激诱导的细胞增殖和基质合成密切相关。机械刺激可在20s内增高IP3水平，并使IP3水平和PKC活性在2min内达到峰值。另外应力也可直接激活磷脂酶A－2参与力的转导过程。可见，Ca2+,cAMP．PKC和IP3等第二信使系统可在应力作用下发生变化。

1．4　应力反应元件：应力反应元件(stressresponsive element，SRE)是存在于细胞基因的启动子内并且能够被应力所诱导的启动基因转录的顺式调控元件，能够特异性地上调或下调相关基因的表达。目前已知的机械应力反应元件至少涉及4种转录因子结合位点及10余种受应力调控的相关基因。转录因子又称“第三信使”，是一类位于胞浆或胞膜上的蛋白质，被“第二信使”在转录后水平激活向核内转移，与特定的DNA序列结合，选择性地调节基因转录。目前在细胞上已发现至少有4种转录因子可被应力激活，它们分别是：①基因结合核因子(nuclear factor－gene binding，NF－xB)；②激活蛋白(activator protein－1，AP－1)；⑧早期生长反应蛋白(early growthresponse－1，Egr－1)；④刺激蛋白(stimulatoryprotein－1，SP1)。现已发现的10余种受机械应力调控的相关基因，根据它们的生物学特性，大致可以分为血管活性物质基因、生长因子基因、粘附分子基因、趋化因子基因、凝血因子基因和原癌基因等。

2　细胞机械应力响应可能机制

具有应力感受功能的细胞(内皮细胞、上皮细胞、心肌细胞、成骨细胞、软骨细胞、成纤维细胞等)感受力学微环境的变化，可将力信号转化为细胞内一系列生物化学信号，最终导致基因表达变化。细胞外基质、整合素、局部粘附蛋白和细胞骨架网络

相互联系，彼此之间构成了一个完善的张力整合系统。在机械应力传入细胞的过程中，细胞外基质及细胞膜均可能参与了信息传递，细胞上存在的整合素等机械应力感受器可直接将信息传入细胞内，再通过细胞骨架的传递将信息传入细胞核。

业已证明，在细胞中有好几种转导途径，包括细胞膜离子通道(特别是牵拉激活的阳离子选择性通道，如SA－cat)、与G蛋白偶联的磷脂酶C通路、细胞内钙离子和细胞骨架等都参与了细胞的力学信号转导(mechanical stress－initiatedsignal transduction，MSIST)。胞外基质－整合素－细胞骨架复合体是主要的力学信号转导途径，可以传递作用在细胞表面上的应力到细胞内各区。此外已有一些证据，包括使用不同的细胞，如成纤维细胞、上皮细胞、内皮细胞、中性粒细胞及成骨细胞，表明在肌动蛋白肌丝与整合素的细胞质区部分之间起介导作用的a－辅肌动蛋白是一个关键分子结构，干扰肌动蛋白应力纤维的形成可阻止信号向细胞核的传递。G蛋白为常见的信号转导关键分子，大G蛋白通过对其亚基上氨基酸残基的脂化修饰作用而锚定在细胞膜上，从而为其接受细胞膜结构信号提供了结构基础，而小G蛋白则通过细胞外基质―整合素―细胞骨架接受细胞外机械信号。Gudi等证实G蛋白的活化是早期心肌成纤维细胞应力刺激的机械信号转导物质。细胞膜离子通道主要为力敏感阳离子通道，如Ca2+K+、Na+等，其激活无需第二信使分子的参与。细胞外钙离子的内流和细胞内钙离子的释放也可能在力学信号转导中起一定作用。钙离子的升高起始于细胞内钙离子的释放，随即伴有钙离子内流。细胞内钙离子释放的机制可能与细胞骨架和磷脂酶c通路有关，应变所导致的细胞变形可以使与细胞骨架相连的一种磷脂酶c抑制子脱离原位，抑制子的解除可以允许磷脂酶c的激活。磷脂酶C又可激活蛋白激酶c通路，后者又产生三磷酸肌醇和甘油二脂，三磷酸肌醇则促使钙离子从细胞内的贮存处释放。细胞外钙离子内流的途径则是通过SA－cat通道。

一旦机械应力被感知，PKC以及MAPKS即被活化，导致c－fos、c－jun基因表达。Sadoshima等证实机械应力可以活化磷脂酶c、磷脂酶A2、磷脂酶D、IP3以及DAG，同时细胞膜上磷脂被磷脂酶C分解，能产生肌糖磷酸化以及diacylglycerol，而导致PKC活化，IP3激酶在细胞骨架参予的应力作用过程中扮演着关键的角色。机械应力还可直接活化酪氨酸激酶途径并将机械信号传递给鸟嘌呤核苷接合蛋白(ras)，也可直接活化MAPK、MAPKK以及raf－1激酶。

尽管存在着多条不同的信号转导通路，但它们之间是密切联系的，这表明在感受应力刺激的过程中需要的是整个细胞的参与，而不可能只依赖于单一的信号转导通路。不同的力学信号可能通过这些内在联系而又相互调控的信号通路以不同的方式来影响细胞的反应。

3　问题与展望

随着有关机械应力对细胞结构和功能调控的研究不断深入，细胞对应力产生适应性应变的响应机制已初步为人们所认识，但还有许多未知领域等待人们去开拓，如应力大小、频率与细胞增殖、分化、凋亡的量效关系，应力对组织修复的主要细胞一干细胞的生物学行为的影响，应力作用下细胞内力学信号转导和基因表达调控的确切机制等。进一步深入研究机械应力与细胞的关系，将有助于我们了解应力在某些疾病的发病机理和创伤修复过程中的作用，有助于针对这些机理、过程采取新的更有效的应对策略，在组织工程、基因治疗和提高创伤修复质量中具有重要意义。