浅谈细胞外基质的硬度与细胞生物学功能的研究进展.docx

浅谈细胞外基质的硬度与细胞生物学功能的研究进展论文 细胞是生物的基本结构与生命活动的基本单位，细胞生理活动的改变决定着生物的生命活动。细胞生存的环境是由多种蛋白和多糖组成的成分复杂的细胞外基质。细胞外基质能够影响细胞的生长、发育与死亡，可以决定细胞的形状，控制细胞的分化，参与细胞的转移。细胞通过细胞外基质的黏附作用而产生的力能够动态地感知周围环境的变化，细胞外基质是细胞骨架的延伸，由整合素和衔接蛋白介导，在细胞外基质与细胞微丝系统之间提供了物理连接和调控的联系团。整合素是一类重要的细胞表面分子，细胞表面的整合素与基质中配体的结合控制整合素介导的黏附作用，它的胞外区和胞内区分别与细胞外基质和细胞骨架相连，整合素与配体结合后迅速与肌动蛋白细胞骨架结合并把它们募集到一起形成黏着斑。细胞外基质中的肌动球蛋白、黏着斑是细胞感应细胞外基质变化的传感器，使得细胞能够感知周围环境所施加的力，并且能够对力的改变做出相应的反应曰。 细胞外基质能够维持正常细胞的结构和功能，外基质合成和代谢出现不平衡会引起基质硬度的变化，特别是蛋白质的大量堆积引起细胞外基质物理硬度的变化团，基质硬度变化影响整合素与配体结合，进而影响黏着斑的形成和细胞的黏附作用，而细胞的黏附作用会造成细胞的一系列生物学功能改变，比如细胞的迁移、细胞核形态的改变、细胞分化、基因传递、细胞信号转导，本文介绍了目前细胞外基质硬度影响生物学功能的一些相关研究进展。 1细胞外基质硬度与细胞力学的相关性 细胞的牵引力和基质的张力是影响细胞生物学功能的两个重要物理因素，细胞通过调整细胞骨架适应细胞外基质的变化来维持细胞正常形态所需的牵引力和基质张力困。将纤维母细胞培养在加入了氮丙烯酞-6-氨基己酸(ACA)的聚丙烯酞胺凝胶膜上(硬度梯度为6-110kPa)，在基质硬度低于20kPa软性基质上，细胞维持一定的张力，随着基质硬度的增加，细胞基质的张力在不断降低，细胞的张力感受器活性增加，从而促进细胞基质变形来适应外界环境，维持正常的生理活动。在硬度高于20kPa的硬性基质上，细胞维持一定的牵引力，细胞的压力感受装置能够调节细胞的功能，肌动球蛋白作为压力感受装置使得细胞的牵引力随着外基质硬度的增加，达到一个极限值之后呈稳定水平。这些变化说明细胞对细胞外基质硬度的反应性取决于细胞的牵引力和基质张力。 细胞对基质硬度的反应性依赖于肌动球蛋白的收缩来影响细胞的牵引力或是基质张力。Bora现细胞对基质硬度的反应依赖于肌动球蛋白的收缩，肌动球蛋白是肌动蛋白和肌球蛋白的结合物，利用三维交联-肌动球蛋白网络计算模型，模拟宏观的收缩活动，包括分子马达(肌动球蛋白会拉动粗肌丝向中板移动)和交联-肌动蛋白，通过评估在不同基质硬度上的收缩力和牵引力来观察这个模型对机械力的感应特性，结果显示硬性基质使收缩力不断地增加，达到一个稳定的压力后，肌动球蛋白的收缩力不会随着基质硬度而改变;而软性基质使交联蛋白和其他的动力分子的收缩力受到影响。三维交联-肌动球蛋白网络计算模型的建立，改善了之前二维模型的缺点，更准确的阐明细胞对细胞外基质硬度变化做出的反应不仅是调节细胞的黏附作用，还能够通过肌动球蛋白的收缩来实现。 2细胞外基质硬度环境对细胞迁移、形态、分化的影响 2. 1对细胞迁移的影响在以往的研究中，细胞迁移采用了能动因素的测量方法，能动因素是指定量描述细胞的驱动力，能够代表细胞迁移速率，通过设置不同的基质硬度测量能动因素从而判断细胞迁移速率叫。硬性基质使能动因素随着基质硬度的增加而增加，但是当基质硬度超过正常值时，能动因素会随着基质硬度的增加而减少。通过设定不同的基质硬度杨氏模量，进一步发现能动因素在未达到饱和值之前，是随着基质硬度的梯度的增加而增加，但是一旦达到饱和值，能动因素不会随着梯度的改变而改变，之所以能动因素能够达到一个饱和值，是因为黏着斑的稳定性会在某个基质硬度的临界值失去稳定性，基质硬度可以影响黏着斑的成熟和稳定，黏着斑通过动态调节牵引力来感受细胞外基质的硬度变化，再指导细胞迁移。细胞外基质硬度增加导致细胞的迁移速率增加，说明基质的硬度增加能够促进细胞的迁移。同时，这种测量能动因素模拟细胞迁移速率的实验方法以及三维组织培养技术，最大程度模拟体内环境，既能够保持细胞微环境物质和结构基础，又能提供细胞组织培养的直观性和条件可控性，成熟的三维组织细胞培养技术为探究细胞微环境的信号转导领域提供了新的实验方法。 目前，有关细胞迁移率的研究对象还包括伪足。伪足是亚细胞结构，由肌动蛋白结构形成，与细胞黏附、转移、侵袭和细胞外基质退化有关。有研究证明伪足在大血管内皮细胞的作用，研究发现肝窦内皮细胞伪足参与细胞外基质的重塑，使得基质硬度发生改变，随着基质硬度的增加，内皮细胞上观察到的伪足数量和长度也在增加，进而影响细胞的黏附作用和转移，促进肝脏纤维化。 2. 2对细胞核形态的影响细胞核是通过三个细胞骨架结构形成机械藕合装置，细胞和骨架的连接复合体维持此装置的功能。细胞骨架与细胞外基质通过黏附作用相互联系，在细胞核、细胞骨架和细胞外基质之间也有持续的力的相互作用。细胞骨架可以将来自细胞外基质的力传递到细胞核的表面。细胞在软性基质上不能整合应力纤维只能产生非常小的压力，这是因为细胞核通过改变自身形态来适应细胞外基质的变化，促进细胞内压力的平衡。这些联系也就说明细胞核和细胞外基质之间需要力的传导和化学信号的传递。研究不同浓度梯度的SDS上的成纤维细胞的细胞核形态变化，在0. 4kPa杨氏膜量的基质膜上，细胞核从垂直截面上呈圆形，而在308kPa杨氏模量的基质膜上，细胞核呈扁平状，这可能是因为在软性基质上细胞产生微弱的肌动球蛋白的力，不能将细胞核拉到肌动蛋白的骨架上，硬性基质促进肌动蛋白收缩，将细胞核拉到细胞骨架上，细胞核受到牵拉使得形状呈扁平状。感受细胞外基质硬度变化从而引起细胞骨架牵引力的改变来调节细胞核的形态，在一定程度上解释了DNA, RNA, mRNA和蛋白质的合成的原因和细胞核形态对于细胞的生理活动的重大意义，而病理性的细胞外基质硬度的改变造成DNA损伤，蛋白出现病理性表达，导致疾病的发生。同时，研究发现细胞外基质的硬度能影响海马神经元的形态发育，软性基质动态调节神经元分化，促进神经元极性分化，降低非极性细胞的黏附力，使非极性细胞退化，表明细胞外基质在神经元细胞分化中也发挥了重要作用。 2. 3基质硬度对干细胞分化的影响之前的相关研究己经证明细胞周围环境中成分的改变能够影响胚胎干细胞分化方向，细胞外基质可以影响胚胎干细胞的存活、增殖和分化。研究证明循环力的作用可以通过TUF-团Nodal信号通路影响人胚胎干细胞的分化。在实验中证实胚胎干细胞具有力学敏感性，随着基质硬度的增加可以提高自身的细胞骨架收缩力，胚胎干细胞在硬度较高的基质上由于E-钙黏素的表达可以维持较高的分化潜能。所以，在体外进行干细胞分化时可以适当提高细胞外基质硬度改变胚胎干细胞的分化潜能，不同的基质硬度也能够影响干细胞的分化方向，在今后的实验研究中可以通过设定不同的基质硬度观察干细胞的分化方向。 3细胞外基质硬度对基因转移的影响 基因转移可以用来治疗多种疾病，但在体内转移的非病毒基因有限的表达并不能达到预期的治疗效果，体内细胞组织的结构相当的复杂多样，在不同的环境下目的基因表达的水平就有可能发生变化。Churl研究基质硬度对于不同细胞类型的非病毒基因转移的影响，实验中将编码BMP-2的质粒转接到成纤维细胞、骨髓基质细胞、成肌细胞三种不同的细胞，通过测定BMP-2的表达数量来判断非病毒转接基因能否在细胞中正常表达，结果显示细胞外基质硬度的增加，三种细胞中的BMP-2表达也增加，特别是在成纤维细胞中显著增加。成纤维细胞对于基质硬度变化的敏感性相较于其他两种细胞更高，因此，在成纤维细胞中转移的非病毒基因能够更好的表达。此项研究为在今后的基因治疗中基因转移的载体提供了新的设想。 4细胞外基质硬度对不同细胞信号转导的影响 4. 1 Shpt参与细胞对基质硬度的反应过程Shpt是一种非受体型蛋白酪氨酸磷酸，广泛表达于人体各种细胞和组织，其介导的信号转导异常与多种疾病包括肿瘤的发生和发展密切相关，不仅通过调节包括RAS在内的多条信号转导通路，而且还与细胞存活、迁移、黏附、细胞骨架形成等关系密切。Lee将表达Shpt和不表达Shpt的成纤维细胞培养在有纤连蛋白的弹性聚丙烯酞胺基质上，设定的杨氏模量为2. 5 , 9. U和21. 5kPa，观察不同硬度基质上的细胞反应，在表达Shpt，硬度为21. 5kPa的基质上，细胞形成直径大于2的黏着斑和非均质定向应力纤维;在表达Shpt，硬度为2. 5kPa基质上，细胞形成直径小于U.5的黏着斑和放射性定向应力纤维。而在缺乏表达Shpt的细胞中，黏着斑的大小和应力纤维不会随着基质硬度的变化而改变。结果表明Shpt能够通过调整黏着斑大小和细胞骨架来控制细胞对细胞外基质硬度的反应。同时，缺乏Shpt的细胞外基质中加入Y722FRh。相关蛋白激酶(ROCK II)后，能够使缺乏Shpt的细胞黏着斑成熟，ROCK作为Shpt的分子靶标，能够促进黏着斑的成熟。Shpt参与细胞对细胞外基质硬度反应的过程，为反应机制的信号通路研究提供新的思路。 4. 2基质硬度可以影响Racal表达上皮间叶组织转化是上皮细胞纤维化和肿瘤新陈代谢的一种形式， Lee证实正常的乳腺组织细胞外环境是软性基质，抑制正常组织向间叶组织转化，而乳腺肿瘤能够适应硬性基质促进间叶组织转化。Racal是改变细胞骨架组装，调控细胞迁移进而参与肿瘤转移的关键因子，信号的转导受细胞外基质硬度的影响，还通过诱导上皮间质转变，使得上皮细胞来源的恶性肿瘤细胞获得迁移和侵袭能力。软性基质可以抑制细胞膜的受体，阻止Racal定位。这是肿瘤发展进程中一个新的微观环境的通路，也为肿瘤相关疾病的治疗方法提供新的思路。 4. 3基质硬度影响脂肪间充质细胞的雌激素的分泌脂肪间充质干细胞是脂肪组织局部雌激素的主要来源，异常分泌会导致雌激素受体阳性型乳腺癌，脂肪组织分泌过多的雌激素是绝经后期的妇女患乳腺癌的危险因素。解释基质硬度与间充质干细胞脂肪细胞分泌雌激素的关系，增加基质硬度能够刺激雌激素生物合成过程的限速酶的转录，刺激雌激素的分泌。这种生物力学的信号刺激雌激素分泌的过程可以从另一个方面阐释雌激素受体阳性的乳腺癌的发展进程。 5总结 细胞外基质是细胞赖以生存的微环境，基质硬度的改变能够影响细胞生物学一系列的功能，基质硬度的增加能够促进细胞迁移、改变细胞核形态影响DNA的复制和表达、影响干细胞分化方向、影响基因传递治疗疾病、影响不同细胞的信号转导，为疾病机制和治疗两个方面的研究提出了新的思路。在近来的研究中采用基质膜的