機(jī)械信號(hào)調(diào)節(jié)細(xì)胞-基質(zhì)的相互作用
2020年8月12日，來自香港大學(xué)機(jī)械工程系Barbara Pui Chan教授在“Biomaterials”發(fā)表了“Mechanically induced formation and maturation of 3D-matrix adhesions (3DMAs) in human mesenchymal stem cells”的學(xué)術(shù)論文。該論文主要研究機(jī)械信號(hào)對(duì)干細(xì)胞調(diào)節(jié)的分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)用機(jī)械主動(dòng)刺激能夠主動(dòng)調(diào)節(jié)細(xì)胞-材料界面上的細(xì)胞-基質(zhì)相互作用。
產(chǎn)品：整合素aV ELISA Kit
貨號(hào)：SEB282Hu
實(shí)驗(yàn)方法：雙抗夾心
檢測(cè)范圍：0.156-10ng/mL
研究簡(jiǎn)介：
機(jī)械信號(hào)對(duì)干細(xì)胞的命運(yùn)有著至關(guān)重要的影響。周期性拉伸可以增加間充質(zhì)干細(xì)胞（Mesenchymal stem cells, MSCs）的增殖，也可導(dǎo)致骨髓MSCs的心肌細(xì)胞分化的增加。細(xì)胞-基質(zhì)黏附是細(xì)胞外基質(zhì)和肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架之間的跨膜連接。它們由細(xì)胞外基質(zhì)蛋白，整合素簇和膜下黏附蛋白（支架蛋白和細(xì)胞內(nèi)信號(hào)蛋白）聚集而成。但是大部分細(xì)胞-基質(zhì)黏附的研究都集中在2D中，沒有對(duì)細(xì)胞形成黏附進(jìn)行2D與3D的區(qū)分。因此，細(xì)胞-基質(zhì)黏附和相關(guān)蛋白在3D上的調(diào)控機(jī)理仍有待探尋。
局部復(fù)合體（Focal complexes, FCs）是細(xì)胞附著時(shí)形成的早期瞬時(shí)接觸，在外力的作用下可發(fā)展成黏著斑。黏著斑作為整合素αV移位形成纖溶性粘連（fibrillar adhesions, FBAs）錨點(diǎn)，而這一過程依賴于肌球蛋白的收縮性。FBAs已被證明能夠進(jìn)一步成熟為一種3D基質(zhì)粘連（3DMAs）的獨(dú)特類型。在功能性組織中，細(xì)胞-基質(zhì)相互作用是調(diào)節(jié)干細(xì)胞命運(yùn)的重要手段。本研究旨在探討在不同細(xì)胞-基質(zhì)黏附的形成和成熟，與整合素相關(guān)的信號(hào)通路以及信號(hào)通路在干細(xì)胞命運(yùn)的影響中機(jī)械負(fù)荷的作用。首先，作者測(cè)試了動(dòng)態(tài)的壓力對(duì)FAs形成的影響。
首先使用對(duì)hMSC-collagen進(jìn)行短期負(fù)荷并且進(jìn)行整合素αV的結(jié)合實(shí)驗(yàn)區(qū)測(cè)試負(fù)荷是否能增加整合素結(jié)合。結(jié)果顯示在3D環(huán)境下動(dòng)態(tài)負(fù)荷可以增加嵌入在膠原基質(zhì)中的細(xì)胞內(nèi)整合素結(jié)合。之后，作者為了了解動(dòng)態(tài)壓力是否能激發(fā)整合素通路，將整合素αV、黏著斑激酶（FA kinase, FAK）和FAKp- Y397共染色以了解它們?cè)趬毫ο履技疐As的能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在對(duì)照組中FAK和FAKpY397在胞質(zhì)區(qū)表達(dá)最多，整合素αV呈小點(diǎn)狀表達(dá)在細(xì)胞外圍；而實(shí)驗(yàn)組中，F(xiàn)AK和整合素αV的共定位呈點(diǎn)狀，這表明在壓力條件下FA形成以及FAK募集，F(xiàn)AKpY397與整合素αV共定位暗示著壓力能誘導(dǎo)FAK通過整合素αV磷酸化。同時(shí)，對(duì)機(jī)械敏感的胞內(nèi)蛋白長(zhǎng)春花素在對(duì)照組中以小離散點(diǎn)的形式廣泛表達(dá)，并沒有與整合素αV共定位，而實(shí)驗(yàn)組中長(zhǎng)春花素與整合素αV共定位在大點(diǎn)中，這表明長(zhǎng)春花素募集FAs。為了弄清FAKpY397在受到壓力后的時(shí)空定位，作者將hMSCs封裝在3D微組織中施壓10分鐘并加載5分鐘后收集樣本。值得注意的是，F(xiàn)AK遠(yuǎn)離FAs，在核周區(qū)域集中成大斑，壓縮時(shí)間增至30分鐘的結(jié)果也如此。這些結(jié)果說明在撤掉機(jī)械信號(hào)后，活化的FAK可能從FAs釋放到胞漿中激活其下游信號(hào)通路。作者注意到一些由壓力誘導(dǎo)的整合素αV形態(tài)上像小泡，這提示著壓力誘導(dǎo)的整合素αV簇通過網(wǎng)格蛋白依賴途徑被內(nèi)吞，從而導(dǎo)致下游信號(hào)事件的發(fā)生。FAKpY397可能與整合素αV一起被內(nèi)吞，并通過核內(nèi)小體轉(zhuǎn)運(yùn)到核周區(qū)域。
YAP能直接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄和介導(dǎo)細(xì)胞機(jī)械反應(yīng)，因此是熟知的機(jī)械轉(zhuǎn)化器。作者發(fā)現(xiàn)，在對(duì)照組中YAP主要在細(xì)胞質(zhì)表達(dá)，而實(shí)驗(yàn)組中，壓迫后的一分鐘YAP在主要在細(xì)胞質(zhì)表達(dá)，壓迫后的五分鐘，YAP在許多細(xì)胞核內(nèi)被觀察到。種種數(shù)據(jù)表明，YAP介導(dǎo)的信號(hào)以稍延遲的方式觸發(fā)。之后，作者研究了FAK在壓力刺激的YAP激活上的作用。在使用了FAK抑制劑后，發(fā)現(xiàn)YAP核內(nèi)定位減少。添加YAP抑制劑后顯著影響了ANKRD1基因的表達(dá)，但CTGF表達(dá)沒有線性變化，這說明壓力誘導(dǎo)的核內(nèi)YAP通過共同轉(zhuǎn)錄活性上游安排下游靶基因。
在研究了短期壓力的影響后在，作者對(duì)長(zhǎng)期壓力的影響做了探究。作者驗(yàn)證了大多是細(xì)胞在每天5h的壓力下能夠存活7天。當(dāng)hMSCs包被在3D膠原環(huán)境中不受加載時(shí)，細(xì)胞形成一些小的不能成熟為3DMAs的整合素αV簇。將微組織受壓每天5h，并分別觀察1d、3d、5d、7d時(shí)整合素αV、纖連蛋白、樁蛋白共定位以通過免疫熒光染色明確3DMA的特征。
對(duì)照組中，整合素αV在細(xì)胞質(zhì)中分散成小點(diǎn)，纖連蛋白在細(xì)胞周邊表達(dá)，樁蛋白在細(xì)胞表面與部分纖連蛋白共定位，這說明細(xì)胞沒有形成3DMAs。實(shí)驗(yàn)組受壓1d后，纖連蛋白和樁蛋白與對(duì)照相同，但整合素αV沒有和纖連蛋白、樁蛋白共定位。有趣的是，受壓3d后，細(xì)胞開始形成增長(zhǎng)的整合素αV黏附并與纖連蛋白、樁蛋白共定位。值得注意的是，這些黏附在受壓5d-7d后變得更長(zhǎng)，意味著3DMAs的形成。這些結(jié)果說明長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)壓力可誘導(dǎo)hMSCs中的3D膠原基質(zhì)的適應(yīng)性變化，特別是整合素αV的成熟以形成3DMAs。作者也發(fā)現(xiàn)，機(jī)械刺激可增強(qiáng)ECM蛋白沉積，這對(duì)3DMAs是至關(guān)重要的。
干細(xì)胞是生命的起源細(xì)胞，人體內(nèi)所有的組織和器官都是由干細(xì)胞分化而來。理論上，任何組織器官出現(xiàn)了損傷，都可以由干細(xì)胞來進(jìn)行修復(fù)。
