摘要
在重力场下,绝大多数细胞功能受到力学载荷的调控。空间微重力下细胞对力学载荷的响应能力在空间机体生理功能适应性变化中的作用不容忽视。细胞骨架被普遍认为是细胞感知重力变化及响应力学载荷的关键结构之一。本文总结了微重力下“细胞骨架-LINC复合物-核纤层”这一细胞力学感知-传导途径变化及作用机制的研究进展,并对未来的研究工作进行展望。
关键词:
空间微重力
细胞骨架
力学感知
力学传导
地球上的生命始终处于重力下生长发育,空间微重力环境对机体产生的“不利”影响是人类长期驻留深空的巨大挑战。长期微重力或超重引起的机体功能变化往往是由作为生命结构和功能基本单位的细胞功能改变引起。空间在轨细胞实验显示,包括成骨细胞、破骨细胞、成纤维细胞、内皮细胞、心肌细胞、巨噬细胞、平滑肌细胞、神经元、干细胞等在内的数十种细胞均能响应微重力,细胞的形态、增殖、分化、凋亡、黏附、迁移、细胞信号通路、基因表达等都会发生变化 。另一方面,重力场下,绝大多数细胞功能受到力学载荷(流体剪切、牵张、压力等)的调控。微重力下细胞对力学载荷的响应在生理功能的适应性改变中也应起着重要作用。因此,关注微重力下细胞对力学载荷的响应能力的变化及机制,可为解决航天员的防护难题提供新的理论和方法。例如,将在地面对抗废用性骨丢失的运动锻炼方法用于空间的效果不理想,有可能是由于骨组织细胞力学敏感性下降导致。因此,如何提高细胞对力学载荷的响应,或许能为对抗失重性骨丢失提供一个新思路 。
目前,细胞骨架被普遍认为是细胞感知重力变化的关键结构 。同时,其在细胞响应力学载荷中也起着重要作用。细胞骨架可将胞外力学信号远距离传至细胞核,直接影响基因转录和蛋白合成。预应力在这种力传导中也起着重要作用,对细胞施加的力学载荷可通过整合素、细胞骨架直达细胞核,引起核仁应变,该应变与细胞预应力呈正相关 。
1 微重力对细胞骨架-LINC复合物-核纤层的影响
在我国神舟、实践、天舟系列任务,以及美国航空航天局(NASA)、俄罗斯联邦航天局(Roscosmos)、加拿大航天局(CSA)、欧洲宇航局(ESA)、日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)开展的多项空间细胞学研究中,细胞骨架的结构变化常被作为指征空间微重力下细胞功能变化的重要指标。本课题组先前总结了空间飞行对细胞骨架及相关功能的影响 。本文主要对空间飞行中细胞骨架结构的变化进行简要总结。
1 . 1 . 1 骨组织细胞 成骨细胞是目前已开展的空间细胞实验中关注最多的一种细胞。尽管各研究中细胞经历的空间微重力时长不同,检测的成骨指标各异,但共同的结论是成骨细胞形态改变、细胞骨架重排以及黏着斑减少。STS-76搭载小鼠成骨细胞MC3T3-E1空间飞行29 h后,细胞微丝呈现拉伸变长的趋势、细胞核变长 ;Foton11/12科学卫星搭载大鼠成骨细胞ROS 17/2.8经历2～4 d飞行后,细胞微丝和黏着斑发生解聚 ;Foton M3卫星搭载的大鼠颅骨成骨细胞经历5 d空间飞行后,应力纤维变细,微管变短、弯曲,黏着斑数量减少 ;STS-65搭载大鼠骨髓成骨细胞飞行4～5 d后,微管组成蛋白α-Tubulin的mRNA水平下降了50% 。
1 . 1 . 2 肌肉组织细胞 空间实验主要集中在成肌细胞,特别是以细胞骨架动态重排为基础的细胞融合过程 。STS-45搭载大鼠成肌细胞L8飞行7～10 d后,成肌细胞不能融合和分化成肌管(myotube) 。我国神舟10号飞船上搭载的成肌细胞C2C12飞行96 h后,成肌特异性中间丝骨架结蛋白Desmin阳性的细胞减少,肌管融合率较正常重力下显著减少 。
1 . 1 . 3 血管组织细胞 我国实践-10号上培养的血管内皮细胞EA.hy 926飞行3 d和10 d后,微丝、微管蛋白减少,中间丝波形蛋白增多,细胞膜下出现微丝的聚集,核周出现中间丝的聚集 。联盟号TMA-11上搭载的人脐静脉内皮细胞飞行12 d后,微管在细胞边缘集中 。近期在国际空间站培养心血管前体细胞12 d后,细胞骨架相关蛋白,包括波形蛋白基因vim、结蛋白基因des、核纤层蛋白基因lmnb/a等表达上调,细胞力学传导相关的通路YAP1-hippo基因表达下调,Wnt/calcium通路上调 。
1 . 1 . 4 免疫组织细胞 STS-76任务中T细胞空间飞行4 h后,微管的纤维结构弥散,微管组织中心变得不清晰 。Maxus 2飞行中的T细胞的细胞骨架重塑,出现较多的束状中间丝 。在国际空间站(Kubik Bio 1项目)单核细胞J-111飞行24 h后,微丝F-actin的荧光密度下降、呈现向细胞边缘的分布趋势;微管结构解聚、核周微管变致密,且在细胞膜附近出现了短小的、树枝状微管;黏着斑蛋白伴随着微丝结构,在细胞膜下聚集 。
1 . 1 . 5 干细胞 在国际空间站(“Stroma-2”研究项目)培养骨髓间充质干细胞9 d后,骨架相关基因下调,科学家认为细胞骨架的解聚可能是骨髓间充质干细胞神经向分化的初始诱因 [2,23] 。神经干细胞经由SpaceX-16上行至国际空间站,微重力环境下培养39.6 d后,细胞的微管蛋白表达降低,中间丝Nestin表达增加 。
LINC复合物是细胞核和周围细胞骨架之间的桥梁,它将核纤层蛋白(Lamin)A/C网络与细胞骨架连接起来,对细胞分化和功能具有重要的调节作用 。Touchstone等 研究发现,模拟微重力效应下骨髓间充质干细胞的LINC复合物(Sun2和Nesprin2)和核纤层蛋白(Lamin A/C、Lamin B1)的表达和蛋白水平均降低。Neelam等 研究显示,模拟微重力效应下乳腺上皮细胞中间丝角蛋白等的表达变化依赖于完整的LINC复合物。正常重力下,骨髓间充质干细胞中的Lamin A/C主要分布在细胞核顶部区域,在模拟微重力效应下其同时也分布在基底侧,这一变化可能是细胞骨架的空间重组造成 。重力改变导致细胞所受力学载荷的变化可能通过LINC复合物来调节细胞核形状和基因表达模式,特别是与细胞骨架、细胞黏附和细胞其他机械特征相关的基因 。
上述研究结果提示,微重力下“细胞骨架-LINC复合物-核纤层”这一力传导途径中的结构发生了变化,进而影响细胞对力学载荷的响应能力。
虽然有关微重力对细胞结构和功能的影响研究很多,但关于微重力下细胞力学响应能力如何变化的报道极其有限,包括地面模拟微重力效应和真实微重力条件下的研究。2007年,Bacabac等 报道了在空间飞行实验中对搭载的原代骨细胞施加脉动剪切应力,但遗憾的是由于硬件原因,并没有获得有效的空间实验组数据。2024年,在国际空间站对成骨细胞施加压力后,转录调控因子YAP表达水平的增高显著低于地面加压组 ,提示微重力下细胞对力学载荷的响应能力有所下降。
本课题组多年来一直聚焦模拟微重力效应下骨细胞对流体剪切应力的响应。实验结果显示,模拟微重力效应下,流体剪切诱导的应力纤维形成被显著抑制,NO和PGE2等力学敏感因子低于正常重力剪切组 。张舒等 研究发现,模拟微重力效应下剪切应力诱导的成骨细胞PGE2的分泌显著性下降。Thompson等 研究显示,加载高频低幅振动可引起骨髓间充质干细胞的YAP入核,但模拟微重力效应组细胞的YAP入核显著低于正常重力组。上述结果提示,模拟微重力效应下,细胞对力学载荷的响应能力也有所下降。
需要指出的是,细胞在空间中受力情况的变化十分复杂。微重力下体内静水压的改变会影响细胞的受力状况。
3 细胞骨架在微重力下细胞力学感知-传导改变中的作用机制
1993年,Ingber 提出细胞骨架的“张力整合”或“张拉整合”模型,认为细胞骨架是一个具有预应力的张拉结构,即细胞骨架系统中的微丝与中间丝结构受到拉力,为了与之平衡,微管受到压力。2005年,Wang等 提出细胞内力的“长距离传播”,同样强调了微丝骨架预应力的关键作用。预应力的存在使细胞保持“紧张状态”(类似于为了对抗重力维持直立姿势肌肉保持肌紧张),与细胞的力学性能密切相关。例如细胞预应力减小时,细胞刚度随之减小 。在血管内皮细胞中,通过肌球蛋白抑制剂降低细胞骨架预应力,可阻断血管内皮生长因子(VEGF)介导的eNOs激活与NO分泌 。此外,细胞骨架系统可感受基质刚度并调节预应力 。
在重力下,细胞“外”力(包括静水压、基质刚度)与细胞“内”力(预应力)处于平衡状态。微重力条件下,静水压的消失打破了细胞内-外力平衡,“细胞骨架力”发生改变以获得新的细胞“内-外力平衡”稳态,通过这种方式几乎所有类型的细胞都能感知重力的变化 。
细胞可通过调节细胞骨架来适应静水压,进而调控多种细胞功能 [39-41] 。2007年,Myers等 提出基于张力整合模型的细胞静水压感受机制。成骨细胞、骨髓间充质干细胞和内皮细胞在静水压下肌动蛋白应力纤维的分布、密度和长度会发生改变 [43-46] 。对MG-63细胞施加静水压后,α-tubulin、肌动蛋白和波形蛋白解聚 。当内皮细胞被施加静水压时,细胞表现出明显的伸长和随机取向,皮层变硬,同时产生位于中心的致密应力纤维 [48-49] 。对肾上皮细胞A6施加静水压,紧密连接相关蛋白Claudin-1不再定位于细胞外侧表面,肌动蛋白丝密度显著降低 。上皮细胞BSC-1在被施加高强度静水压后,微管和应力纤维解聚,细胞变圆 。高强度静水压作用下的微管破坏,可能导致软骨细胞基质合成减少 。在对滑膜成纤维细胞施加静水压 12 h后,细胞肌动蛋白变长,应力纤维增多 。在7.98 kPa压力下培养人小梁网细胞24 h,发现其细胞骨架塌陷,肌动蛋白丝束消失 。
进一步,静水压可调控细胞中包括转录辅助因子YAP和TAZ蛋白表达在内的各种细胞功能 。Zhou等 研究发现,骨髓间充质干细胞Piezo1离子通道响应静水压刺激,激活YAP1,从而促进骨髓间充质干细胞的成骨向分化。该结果与Sugimoto等 的研究结果一致,即静水压激活了骨髓间充质干细胞的Piezo1,促进BMP2表达和细胞的成骨向分化。MAKI等 研究发现,静水压减少了细胞核内H3K9阳性的异染色质。此外,静水压可抑制整合素蛋白的表达 ,从而影响力向细胞外基质的传递。静水压还可增强流体剪切力对骨髓间充质干细胞成骨分化的促进作用 。这些结果表明,静水压影响了细胞的力学敏感性。
目前的研究主要将静水压作为一种力学刺激,探究其对细胞的影响,尚缺乏微重力下静水压在细胞力学感知-传导中的作用研究。
细胞骨架赋予细胞的预应力,是细胞响应力学刺激的初始状态,而细胞预应力状况在不同重力场不同,从而导致了细胞对力学刺激响应发生变化。然而,细胞对于力学环境的响应和细胞力学传导并不是由单一、独立的结构或信号通路完成,而是涉及众多复杂因素的精准协调和综合作用,包括胞外基质-基质/细胞连接结构-胞间连接-跨膜蛋白-细胞质膜-细胞骨架-细胞核 [59-60] ,以及其中交错复杂的信号通路网络 [61-62] 。目前,越来越多的细胞结构,例如细胞表面的初级纤毛 [63-64] 、膜骨架Spectrin 、核纤层LaminA/C 、微丝与微管骨架交联蛋白MACF1 等已被证实在细胞的力学感知与传导过程中起着重要作用。这些特殊的结构与微丝、微管在结构与功能上紧密联系,组成了复杂、多层次的细胞骨架系统 。因此,开展相关的系统深入研究将有助于阐明细胞响应重力变化的机制。进一步,在空间如何维持细胞力学感知-传导能力(如增加静水压)的相关研究,将为寻求空间航天员健康防护措施提供新的思路和线索。
作者贡献声明： 田然负责文献搜集整理,初稿撰写;吴欣童参与文献搜集整理,论文撰写;孙联文负责论文设计、撰写和修改。
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