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細(xì)胞感應(yīng)基質(zhì)機械力學(xué)信號的過程與機制

更新時間:2025-03-20      點擊次數(shù):398
隨著細(xì)胞力學(xué)的發(fā)展以及對細(xì)胞力學(xué)生物學(xué)的深入研究,細(xì)胞外基質(zhì)中的機械信號對細(xì)胞的黏附、增殖、分化和凋亡等過程的重要作用也被逐步揭示出來。細(xì)胞通過細(xì)胞膜上的黏附蛋白與基質(zhì)中的黏附配體之間的相互作用感知基質(zhì)機械力學(xué)信號,進(jìn)而調(diào)控細(xì)胞力學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo),并最終使細(xì)胞核力學(xué)信號發(fā)生改變,從而得以調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖遷移、組織的形成以及癌癥發(fā)生等重要生命活動。本文詳細(xì)介紹了細(xì)胞力學(xué)生物學(xué)的發(fā)展脈絡(luò),綜述了細(xì)胞與微環(huán)境的相互作用并深入闡述了細(xì)胞力學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的過程與機制。


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細(xì)胞力學(xué)的背景與發(fā)展

  • 定義:細(xì)胞力學(xué)是研究細(xì)胞與微環(huán)境相互作用及其分子水平行為的新興學(xué)科,細(xì)胞在三維動態(tài)微環(huán)境中,其行為受化學(xué)信號和機械力信號的調(diào)控。

  • 重要性:力學(xué)相關(guān)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)在個體發(fā)育和體內(nèi)平衡中至關(guān)重要,影響肌肉癥、心肌病、纖維化和癌癥等疾病的發(fā)生與發(fā)展。

  • 研究方法:結(jié)合經(jīng)典生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、工程學(xué)等學(xué)科,以體外細(xì)胞和個體組織器官為研究對象,探索細(xì)胞力學(xué)對個體生物學(xué)進(jìn)程的影響。

細(xì)胞微環(huán)境與細(xì)胞外基質(zhì)

  • 細(xì)胞微環(huán)境:指細(xì)胞周圍的一系列物質(zhì)和信號分子,包括臨近細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)、可溶性因子以及物理相關(guān)的力等,對細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因表達(dá)、代謝等生命過程有重要調(diào)控作用。

  • 細(xì)胞外基質(zhì)(ECM):由細(xì)胞合成、分泌的生物大分子構(gòu)成的非細(xì)胞三維高分子網(wǎng)絡(luò),富含膠原蛋白、層黏連蛋白、彈性蛋白、蛋白聚糖、糖胺聚糖及各種細(xì)胞因子等,為細(xì)胞提供物理支持,并通過與細(xì)胞黏附分子等作用為形態(tài)發(fā)生、分化和穩(wěn)態(tài)提供關(guān)鍵的生化和生物力學(xué)線索。

細(xì)胞力學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

  • 整合素:細(xì)胞主要通過細(xì)胞膜上的整合素感知環(huán)境中的機械信號。整合素由跨膜αβ異二聚體組成,是連接細(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)胞骨架的橋梁,可以在質(zhì)膜上雙向傳遞信號。

  • 整合素介導(dǎo)的機械信號傳遞:整合素與胞外配體結(jié)合后,會誘導(dǎo)構(gòu)象改變,激活胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域,并通過結(jié)構(gòu)蛋白橋聯(lián)至肌動蛋白絲,傳遞力學(xué)信號,進(jìn)而影響細(xì)胞骨架的重排和細(xì)胞的生理功能。

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    圖1 細(xì)胞力學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)
  • FAK-Src復(fù)合物生化信號轉(zhuǎn)導(dǎo):整合素介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中,F(xiàn)AK-Src復(fù)合物是十分重要的一類信號蛋白,其激活可調(diào)節(jié)GEF的定位和活性,進(jìn)而影響細(xì)胞骨架的動態(tài)變化。

  • Rho家族信號級聯(lián):Rho GTPases蛋白家族在細(xì)胞力學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和肌動蛋白骨架的調(diào)節(jié)、細(xì)胞周期進(jìn)程以及基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)中具有重要作用,通過在活躍的GTP狀態(tài)和不活躍的GDP狀態(tài)的循環(huán)來調(diào)節(jié)肌動蛋白的細(xì)胞骨架動力學(xué),并引起廣泛的細(xì)胞力學(xué)變化。

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    圖2 受整合素調(diào)節(jié)的Rho-GTPase信號級聯(lián)
  • 力敏感的轉(zhuǎn)錄因子易位:細(xì)胞的行為受微環(huán)境中的力學(xué)信號調(diào)節(jié),YAP/TAZ和SRF等力敏感的轉(zhuǎn)錄因子可作為細(xì)胞內(nèi)的機械感受器,力學(xué)信號刺激下,這些轉(zhuǎn)錄因子易位到細(xì)胞核,調(diào)節(jié)基因表達(dá)。

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    圖3 力敏感的轉(zhuǎn)錄因子易位

細(xì)胞核力學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

  • 力學(xué)信號傳遞到細(xì)胞核:加載到LINC復(fù)合物上的收縮力通過Sun蛋白偶聯(lián)到核纖層蛋白及其他核骨架上,將物理信號從細(xì)胞膜傳遞到細(xì)胞核。

  • 核內(nèi)力學(xué)信號影響基因表達(dá):細(xì)胞核受力后,張力會改變核纖層的磷酸化動力學(xué),拉開核孔,改變核形狀,有利于力敏感的轉(zhuǎn)錄因子從胞質(zhì)轉(zhuǎn)運到核中,輔助后續(xù)靶基因的表達(dá)。同時,核內(nèi)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)也會因力學(xué)信號而發(fā)生變化,影響基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。



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