血管系统中的机械力是体内平衡的关键决定性因素,但也可能是疾病的始作俑者。动脉的几何变化决定了血流模式和疾病倾向,如血流紊乱的区域表现出内皮细胞(EC)功能障碍、炎症和脂质积累,从而导致动脉粥样硬化。内皮细胞通过在细胞表面表达的机械传感器感知生物力量,这些传感器启动一个复杂的信号转导通路网络,最终调节细胞和器官的功能。
最近已确定的受机械力调节的过程是内皮—间质转化 (EndMT)。虽然多功能细胞因子转化生长因子-β (TGFβ)在EndMT中起着关键作用,但最近的研究报道,在体外和体内对ECs施加动脉粥样硬化性的(或振荡/扰流)剪应力会刺激EndMT转录因子和间充质标记物的表达。
除了在胚胎发育中的作用外,EndMT 还与炎症性心血管疾病有关,包括动脉粥样硬化。TGFβ-Alk5通路在剪切应力响应中起重要作用。最近的研究表明,内皮特异性的TGFβR1 (Alk5)和TGFβR2的缺失都延迟了动脉粥样硬化斑块的生长,并诱导病变的消退,从而清楚地建立了EndMT和动脉粥样硬化之间的因果关系。
这一研究结果证实了扰动的剪切应力会促进EndMT 并导致动脉粥样硬化,然而,对流动诱导的EndMT负责的机械感受器仍未被发现。此外,对机械力解码为最终调控EndMT和动脉粥样硬化的信号分子的机制了解还不够深入。最后,最终可能会调节细胞可塑性的力、机械感应和 EndMT 信号之间的直接联系从未被证明。
Src同源蛋白和胶原蛋白(Shc)是一种典型的衔接蛋白,当它将细胞外信号转导到细胞内通路时,它是信号传播的必要元素。在对机械力的响应中,Shc与细胞之间和细胞基质黏附(ECs内的两个机械热点)相关,并激活体内外的剪切应力反应。
鉴于机械转导、EndMT 和内皮激活之间的新联系,来自英国牛津大学拉德克利夫医学院心血管医学、牛津大学Wellcome 人类遗传学中心等多位研究人员在Science Advances合作发表了题为《Mechanical forces regulate endothelial-to-mesenchymal transition and atherosclerosis via an Alk5-Shc mechanotransduction pathway》的研究论文。
实验研究了剪切应力调节 EndMT 和动脉粥样硬化的分子机制。在这里,研究人员鉴定出Alk5是mechano-EndMT的受体,并确定了Shc作为扰动剪应力区EndMT和动脉粥样硬化的一个关键下游驱动因素。
部分实验过程:
血流诱导的EndMT 需要 Alk5
实验假设 Alk5 在剪切应力诱导的 EndMT 中起作用,并采用小干扰RNA (siRNA)介导的功能缺失的方法检测Alk5在内皮中的作用,用几种互补的方法研究了Alk5在剪切应力诱导的EndMT激活中的直接作用。
首先,将对照组和转染了Alk5 siRNA 的 ECs 置于急性剪应力中[这引起了与慢性扰动剪应力中观察到的相同的持续信号传导],并检测了Smad2的磷酸化。
与表达 Alk5 的细胞相比,去除 Alk5 的 ECs 显示出流动诱导的 Smad2 的磷酸化降低。实验证实了在 ECs 暴露于慢性振荡剪切应力后 Smad2 的磷酸化需要Alk5。
其次,将ECs 置于相同的急性和慢性振荡剪应力条件下,并检测Smad2的核易位。Alk5 siRNA 转染的细胞显示 Smad2 的核易位显著减少。
为了进一步证实这些发现,实验使用了第三种方法,包括细胞分馏和核与胞质分馏。结果显示,ECs 暴露于剪切应力导致细胞核中总 Smad2 的水平增加,而在 Alk5 耗尽的 ECs 中总 Smad2 的水平降低。
第四,实验检测了受到慢性振荡剪切应力的 ECs 中 EndMT 基因的表达水平。与对照相比,敲低 Alk5 的细胞显示EndMT转录因子Snail的信使RNA (mRNA)水平显著降低,该转录因子参与了暴露于扰动剪切应力的内皮细胞中间充质标志物的上调,以及在覆盖人类动脉粥样硬化斑块的内皮细胞中也存在。与降低的 EndMT 一致,敲低 Alk5 的细胞也显示出Notch3、纤连蛋白和N-钙粘蛋白水平降低。
总之,这些数据提供了几个独立的证据,支持内皮细胞 Alk5 在血流诱导的EndMT 中的作用。
Shc缺失减少了扰动剪切应力区域的动脉粥样硬化斑块的形成
由于Shc在血流诱导的EndMT中发挥了作用,研究人员试图确定动脉粥样硬化是否也受到 Shc 缺失的影响。实验在两种动脉粥样硬化小鼠模型中进行了评估。在高脂饮食诱导动脉粥样硬化病变后,对油红 O 染色的主动脉进行正面分析,并计算病变面积占整个主动脉和主动脉弓总表面积的百分比。
EC-Shc 对照小鼠表现出病变,特别是在主动脉弓处,这是一个血流紊乱的部位,因此因此非常容易出现斑块沉积。尽管血清胆固醇水平相当,但来自 EC-Shc-KO 小鼠的主动脉弓显示出可忽略不计的动脉粥样硬化病变。EC-Shc-KO 小鼠的斑块负荷降低也适用于整个主动脉。
实验结论:
在这里,实验确定了一种专门用于 EndMT 的机械受体,并揭示了导致 EndMT 和动脉粥样硬化的分子Alk5-Shc 通路。
耗尽Alk5可以消除剪切应力诱导的EndMT反应,而内皮细胞Shc的基因靶向可以减少扰动血流区域的EndMT和动脉粥样硬化。
张力和重建实验揭示了Alk5在EndMT信号中的机械感觉功能,它是独特的,独立于其他机械传感器。
该发现对于理解机械力如何调节生化信号、细胞可塑性和血管疾病具有重要意义。
参考文献:Mehta V, Pang KL, Givens CS, Chen Z, Huang J, Sweet DT, Jo H, Reader JS, Tzima E. Mechanical forces regulate endothelial-to-mesenchymal transition and atherosclerosis via an Alk5-Shc mechanotransduction pathway. Sci Adv. 2021 Jul 9;7(28):eabg5060. doi: 10.1126/sciadv.abg5060. PMID: 34244146.
原文链接:https://pubmed-ncbi-nlm-nih-gov.proxy.library.carleton.ca/34244146/
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