Piezo1通过可溶性腺苷酸环化酶-IP3R2回路诱导内皮对剪切应力的反应

血管内膜的内皮细胞（ECs）持续暴露于局部流体剪切应力的反复变化，毛细血管静水压力的变化，以及血管脉动增加期间血管壁拉伸应变的变化。Piezo1 是一种成熟的机械敏感通道，它在机械力的作用下，非选择性地将Ca²⁺ 从细胞外环境转运到内皮细胞的细胞质中。敲除小鼠中的Piezo1基因可降低剪切力引起的细胞内Ca²⁺ 的增加水平，并阻止了ECs对剪切力的形态学和细胞保护反应。然而， 控制EC适应Piezo1下游剪切应力的信号机制仍然知之甚少。

剪切应力诱导Ca²⁺ 通过机械敏感通道从细胞外环境进入，以及诱导位于内质网（ER）膜上的肌醇1,4,5-三磷酸受体（IP3Rs）释放Ca²⁺。一个基本问题是，这两种机械转导途径是否与调节EC对剪切应力的适应具有内在联系。Piezo1通道，与肌浆/内质网Ca²⁺ ATP酶（sarco/endoplasmic reticulum Ca²⁺-ATPase，SERCA）相互作用并调节其活性，可能激活细胞外环境中的Ca²⁺ 进入和内质网储存中的Ca²⁺ 释放。

在美国伊利诺伊大学医学院药理学与再生医学系的一项研究中，数据显示，剪切应力激活Piezo1导致细胞内Ca²⁺ 快速动员进入内质网腔，随后通过sAC-cAMP敏感机制释放ER Ca²⁺。这里描述的数据将Piezo1机械传感与通过IP3R2通路 cAMP -依赖性ER Ca²⁺ 释放联系起来。这种Piezo1-sAC-IP3R2机械转导回路在Akt信号的激活中起着关键作用，作为ECs对层流剪切应力引起血管舒张的适应性形态学反应的一部分。相关研究成果发表在 iScience 期刊题为“Piezo1 induces endothelial responses to shear stress via soluble adenylyl Cyclase-IP3R2 circuit”。

首先，为了确定Piezo1在剪切应力诱导的ER Ca²⁺ 信号传导中的作用，实验将内皮细胞暴露于2 dyn/cm²、5 dyn/cm²和10 dyn/cm²的层流剪切力下。数据显示，人肺动脉内皮 （HPAE）单层暴露于 5 和 10 dyn/cm² 的剪切力持续60 秒，内质网荧光增加，表明[Ca²⁺]ER 增加。这些变化取决于施加的剪切力，且在暴露于2 dyn/cm²剪切的细胞中则不那么明显。与以往的研究一致，Piezo1的耗竭显著降低了胞质Ca²⁺ 响应剪切应力而上升的趋势。这些结果揭示了Piezo1在响应剪切应力时通过快速动员Ca²⁺进入内质网调节Ca²⁺ 稳态中的核心作用。

接下来，研究讨论了利用Yoda1 激活Piezo1，是否可以诱导[Ca²⁺]ER的变化而不依赖于机械应力。研究表明，Piezo1诱导Ca²⁺ 动员进入内质网的机制不同。因此，探讨了基质相互作用分子1（STIM1）的作用，结论是，在Piezo1激活后，STIM1并没有促进ER Ca²⁺ 的快速上升，但对于在ER Ca²⁺ 耗尽时补充ER Ca²⁺是必要的。然后讨论了SERCA泵在调节Piezo1介导的ER Ca²⁺ 进入中的作用。由于Piezo1和SERCA在体外和细胞中相互作用，Piezo1功能可能与SERCA泵的激活耦合。结果证明了毒胡萝卜素（SERCA非竞争性抑制剂）消除了Yoda1诱导的ER Ca²⁺ 升高，但对对ER Ca²⁺衰减没有显著影响。因此，SERCA活性是Piezo1介导的ER Ca²⁺ 升高而不是ER Ca²⁺ 衰减所必需的。

为了研究Piezo1下游ER Ca²⁺ 衰减的机制，缺失了内皮细胞内质膜上高度表达的两种肌醇三磷酸受体IP3R2和IP3R3。结果表明，IP3R3的缺失对Piezo1诱导的ER Ca²⁺ 衰减没有影响，相比之下，IP3R2的耗尽显著降低了ER Ca²⁺ 衰减的速率常数，而不影响ER Ca²⁺上升的速率常数（图1 A-C）。同样，在层流剪切应力作用下，IP3R2的损耗显著降低了ER Ca²⁺ 衰减的速率常数（图1 D-F）。此外，与IP3R3耗尽相反，IP3R3耗尽对Piezo1介导的细胞内[Ca²⁺]i的变化没有影响，而在Yoda1激活Piezo1或施加层流剪切应力后，IP3R2的耗尽显著降低了[Ca²⁺]i的增加。这些数据表明，IP3R2通路对于Piezo1机械或药理激活后ER Ca²⁺ 释放到细胞质中至关重要。

图1 Piezo1的激活通过IP3R2通道诱导ER Ca²⁺储存释放。
（A）用对照、IP3R2或IP3R3 siRNA预处理的内皮单层，用Yoda1激活Piezo1后G-CEPIA1er的活细胞图像。（B）[Ca²⁺]ER在（A）中的时间过程。（C）由（B）数据计算的ER Ca²⁺ 衰变速率常数。（D）10 dyn/cm²层流剪切作用60 s后，对照组和IP3R2缺陷内皮细胞G-CEPIAer的活细胞图像。（E）[Ca²⁺]ER在（D）中的时间过程。（F）由（E）中数据计算的ER Ca²⁺ 衰变速率常数。

此外，为了研究Piezo1下游内质网Ca²⁺释放的信号传导机制，探讨了环磷酸腺苷（cAMP）通过IP3R2储存增敏内质网钙释放的作用。由于Ca²⁺ 直接刺激可溶性腺苷酸环化酶（sAC），因此确定了通过Piezo1的Ca²⁺ 内流是否激活sAC并诱导cAMP的产生。结果表明，Yoda1增加了内皮单层中cAMP传感器的GFP强度，表明cAMP的生成增加（图2 A）。此外，sAC的耗尽显著减少了Yoda1诱导的cAMP的产生（图2 A、B），表明 sAC 在Piezo1激活下游介导cAMP的产生中起着至关重要的作用。此外，对sAC的抑制显著降低了ER Ca²⁺ 衰减的速率常数（图2 C、E），并延迟了药理或剪切介导的Piezo1激活后细胞质 [Ca²⁺]i 的增加。因此，sAC活化对于Piezo1诱导的cAMP 生成和通过cAMP敏化的IP3R2存储释放Ca²⁺ 至关重要。

图2 Piezo1的激活诱导sAC依赖性产生cAMP和cAMP诱发的ER Ca²⁺ 释放。
（A）在对照组和sAC 缺失的内皮单层中，Yoda1激活Piezo1后cAMP浓度随时间的变化。（B）（A）中cAMP浓度的相对变化。（C）在对照组和sAC 缺失内皮单层中，Yoda1（箭头）激活Piezo1后G-CEPIA1er的活细胞图像。（D）[Ca²⁺]ER在（C）中的随时间变化。（E）由(C)中数据计算的ER Ca²⁺ 衰减速率常数。

缺失Piezo1的ECs不能诱导Akt1磷酸化，并向层流方向排列。因此，最后实验想要确定ER Ca²⁺ 释放和Akt1活性是否需要由血流诱导的ECs的适应性重定向。与静态条件下生长的内皮单层相比，HPAE和HAE单层在10 dyn/cm²剪切应力作用24小时后，细胞排列发生了变化。然而，在Piezo1或IP3R2缺失的细胞中，细胞排列丢失。

由于Piezo1或IP3R2的缺失阻止了剪切诱导的Akt激活和ECs在流动方向上的排列，接下来讨论了Akt激酶在介导剪切应力适应性形态反应中的作用。结果表明，Piezo1或IP3R2的缺失都通过限制Akt信号传导来阻止ECs对剪切应力的适应性反应。

此外，为了解决Piezo1在调节Akt介导的ECs对层流剪切应力的反应中的生理意义，将空对照载体或myr-Akt1转导到从内皮限制性敲除的Piezo1小鼠（Piezo1ΔEC）分离的肠系膜血管的ECs中，与对照野生型（WT）小鼠相比，前者对增加的流体剪切的血管舒张反应显著降低。实验观察到myr-Akt1的表达，而不是对照载体的表达，使体外肠系膜血管的血流诱导的血管舒张反应恢复到对照血管的水平。这些数据表明，Piezo1-sAC-IP3R2回路负责ECs中Akt1信号的激活，从而负责血管对血流变化的空间和时间响应。

图3 图形概要

在这里，该研究表明，机械敏感通道Piezo1被确定的剪切力激活诱导Ca²⁺ 通过内质网Ca²⁺ ATPase 泵进入内质网（ER）。该入口之后是肌醇三磷酸受体2 （IP3R2）诱导的ER Ca²⁺ 释放到细胞质中。ER Ca²⁺ 释放的机制涉及可溶性腺苷酸环化酶（sAC）产生cAMP，导致IP3R2 诱发的Ca²⁺ 门控。耗尽 sAC 或 IP3R2 可阻止ER Ca²⁺ 释放并阻断EC在流动方向上的对齐。在内皮受限的Piezo1敲除小鼠中，过表达组成型活性Akt1可恢复缺乏Piezo1或IP3R2的ECs的剪切诱导排列，以及血流诱导的血管舒张（图3）。这些研究描述了一种未知的Piezo1-cAMP-IP3R2回路作为激活Akt信号传导并诱导ECs对层流的适应性变化的基本机制。

参考文献：Santana Nunez D, Malik AB, Lee Q, Ahn SJ, Coctecon-Murillo A, Lazarko D, Levitan I, Mehta D, Komarova YA. Piezo1 induces endothelial responses to shear stress via soluble adenylyl Cyclase-IP3R2 circuit. iScience. 2023 Apr 11;26(5):106661. doi: 10.1016/j.isci.2023.106661. PMID: 37168565; PMCID: PMC10164902.
原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37168565/

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