机械信号调节细胞-基质的相互作用
2020年8月12日，来自香港大学机械工程系Barbara Pui Chan教授在“Biomaterials”发表了“Mechanically induced formation and maturation of 3D-matrix adhesions (3DMAs) in human mesenchymal stem cells”的学术论文。该论文主要研究机械信号对干细胞调节的分子机制，发现用机械主动刺激能够主动调节细胞-材料界面上的细胞-基质相互作用。
产品：整合素aV ELISA Kit
货号：SEB282Hu
实验方法：双抗夹心
检测范围：0.156-10ng/mL
研究简介：
机械信号对干细胞的命运有着至关重要的影响。周期性拉伸可以增加间充质干细胞（Mesenchymal stem cells, MSCs）的增殖，也可导致骨髓MSCs的心肌细胞分化的增加。细胞-基质黏附是细胞外基质和肌动蛋白细胞骨架之间的跨膜连接。它们由细胞外基质蛋白，整合素簇和膜下黏附蛋白（支架蛋白和细胞内信号蛋白）聚集而成。但是大部分细胞-基质黏附的研究都集中在2D中，没有对细胞形成黏附进行2D与3D的区分。因此，细胞-基质黏附和相关蛋白在3D上的调控机理仍有待探寻。
局部复合体（Focal complexes, FCs）是细胞附着时形成的早期瞬时接触，在外力的作用下可发展成黏着斑。黏着斑作为整合素αV移位形成纤溶性粘连（fibrillar adhesions, FBAs）锚点，而这一过程依赖于肌球蛋白的收缩性。FBAs已被证明能够进一步成熟为一种3D基质粘连（3DMAs）的独特类型。在功能性组织中，细胞-基质相互作用是调节干细胞命运的重要手段。本研究旨在探讨在不同细胞-基质黏附的形成和成熟，与整合素相关的信号通路以及信号通路在干细胞命运的影响中机械负荷的作用。首先，作者测试了动态的压力对FAs形成的影响。
首先使用对hMSC-collagen进行短期负荷并且进行整合素αV的结合实验区测试负荷是否能增加整合素结合。结果显示在3D环境下动态负荷可以增加嵌入在胶原基质中的细胞内整合素结合。之后，作者为了了解动态压力是否能激发整合素通路，将整合素αV、黏着斑激酶（FA kinase, FAK）和FAKp- Y397共染色以了解它们在压力下募集FAs的能力。结果发现在对照组中FAK和FAKpY397在胞质区表达最多，整合素αV呈小点状表达在细胞外围；而实验组中，FAK和整合素αV的共定位呈点状，这表明在压力条件下FA形成以及FAK募集，FAKpY397与整合素αV共定位暗示着压力能诱导FAK通过整合素αV磷酸化。同时，对机械敏感的胞内蛋白长春花素在对照组中以小离散点的形式广泛表达，并没有与整合素αV共定位，而实验组中长春花素与整合素αV共定位在大点中，这表明长春花素募集FAs。为了弄清FAKpY397在受到压力后的时空定位，作者将hMSCs封装在3D微组织中施压10分钟并加载5分钟后收集样本。值得注意的是，FAK远离FAs，在核周区域集中成大斑，压缩时间增至30分钟的结果也如此。这些结果说明在撤掉机械信号后，活化的FAK可能从FAs释放到胞浆中激活其下游信号通路。作者注意到一些由压力诱导的整合素αV形态上像小泡，这提示着压力诱导的整合素αV簇通过网格蛋白依赖途径被内吞，从而导致下游信号事件的发生。FAKpY397可能与整合素αV一起被内吞，并通过核内小体转运到核周区域。
YAP能直接调节转录和介导细胞机械反应，因此是熟知的机械转化器。作者发现，在对照组中YAP主要在细胞质表达，而实验组中，压迫后的一分钟YAP在主要在细胞质表达，压迫后的五分钟，YAP在许多细胞核内被观察到。种种数据表明，YAP介导的信号以稍延迟的方式触发。之后，作者研究了FAK在压力刺激的YAP激活上的作用。在使用了FAK抑制剂后，发现YAP核内定位减少。添加YAP抑制剂后显著影响了ANKRD1基因的表达，但CTGF表达没有线性变化，这说明压力诱导的核内YAP通过共同转录活性上游安排下游靶基因。
在研究了短期压力的影响后在，作者对长期压力的影响做了探究。作者验证了大多是细胞在每天5h的压力下能够存活7天。当hMSCs包被在3D胶原环境中不受加载时，细胞形成一些小的不能成熟为3DMAs的整合素αV簇。将微组织受压每天5h，并分别观察1d、3d、5d、7d时整合素αV、纤连蛋白、桩蛋白共定位以通过免疫荧光染色明确3DMA的特征。
对照组中，整合素αV在细胞质中分散成小点，纤连蛋白在细胞周边表达，桩蛋白在细胞表面与部分纤连蛋白共定位，这说明细胞没有形成3DMAs。实验组受压1d后，纤连蛋白和桩蛋白与对照相同，但整合素αV没有和纤连蛋白、桩蛋白共定位。有趣的是，受压3d后，细胞开始形成增长的整合素αV黏附并与纤连蛋白、桩蛋白共定位。值得注意的是，这些黏附在受压5d-7d后变得更长，意味着3DMAs的形成。这些结果说明长期动态压力可诱导hMSCs中的3D胶原基质的适应性变化，特别是整合素αV的成熟以形成3DMAs。作者也发现，机械刺激可增强ECM蛋白沉积，这对3DMAs是至关重要的。
干细胞是生命的起源细胞，人体内所有的组织和器官都是由干细胞分化而来。理论上，任何组织器官出现了损伤，都可以由干细胞来进行修复。
