細(xì)胞力學(xué)的背景與發(fā)展

• 定義：細(xì)胞力學(xué)是研究細(xì)胞與微環(huán)境相互作用及其分子水平行為的新興學(xué)科,，細(xì)胞在三維動(dòng)態(tài)微環(huán)境中,，其行為受化學(xué)信號(hào)和機(jī)械力信號(hào)的調(diào)控。

• 重要性：力學(xué)相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)在個(gè)體發(fā)育和體內(nèi)平衡中至關(guān)重要,，影響肌肉癥,、心肌病、纖維化和癌癥等疾病的發(fā)生與發(fā)展,。

• 研究方法：結(jié)合經(jīng)典生物學(xué),、醫(yī)學(xué)、物理學(xué),、工程學(xué)等學(xué)科,，以體外細(xì)胞和個(gè)體組織器官為研究對(duì)象，探索細(xì)胞力學(xué)對(duì)個(gè)體生物學(xué)進(jìn)程的影響,。

細(xì)胞微環(huán)境與細(xì)胞外基質(zhì)

• 細(xì)胞微環(huán)境：指細(xì)胞周圍的一系列物質(zhì)和信號(hào)分子,，包括臨近細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì),、可溶性因子以及物理相關(guān)的力等,，對(duì)細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因表達(dá)、代謝等生命過(guò)程有重要調(diào)控作用,。

• 細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）：由細(xì)胞合成,、分泌的生物大分子構(gòu)成的非細(xì)胞三維高分子網(wǎng)絡(luò)，富含膠原蛋白,、層黏連蛋白,、彈性蛋白、蛋白聚糖,、糖胺聚糖及各種細(xì)胞因子等,，為細(xì)胞提供物理支持，并通過(guò)與細(xì)胞黏附分子等作用為形態(tài)發(fā)生,、分化和穩(wěn)態(tài)提供關(guān)鍵的生化和生物力學(xué)線索,。

細(xì)胞力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

• 整合素：細(xì)胞主要通過(guò)細(xì)胞膜上的整合素感知環(huán)境中的機(jī)械信號(hào)。整合素由跨膜αβ異二聚體組成,，是連接細(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)胞骨架的橋梁,，可以在質(zhì)膜上雙向傳遞信號(hào)。

• 整合素介導(dǎo)的機(jī)械信號(hào)傳遞：整合素與胞外配體結(jié)合后,，會(huì)誘導(dǎo)構(gòu)象改變,，激活胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域，并通過(guò)結(jié)構(gòu)蛋白橋聯(lián)至肌動(dòng)蛋白絲,，傳遞力學(xué)信號(hào),，進(jìn)而影響細(xì)胞骨架的重排和細(xì)胞的生理功能。

  
  圖1 細(xì)胞力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

• FAK-Src復(fù)合物生化信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)：整合素介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中,，F(xiàn)AK-Src復(fù)合物是十分重要的一類信號(hào)蛋白,，其激活可調(diào)節(jié)GEF的定位和活性，進(jìn)而影響細(xì)胞骨架的動(dòng)態(tài)變化,。

• Rho家族信號(hào)級(jí)聯(lián)：Rho GTPases蛋白家族在細(xì)胞力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和肌動(dòng)蛋白骨架的調(diào)節(jié),、細(xì)胞周期進(jìn)程以及基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)中具有重要作用，通過(guò)在活躍的GTP狀態(tài)和不活躍的GDP狀態(tài)的循環(huán)來(lái)調(diào)節(jié)肌動(dòng)蛋白的細(xì)胞骨架動(dòng)力學(xué),，并引起廣泛的細(xì)胞力學(xué)變化,。

  
  圖2 受整合素調(diào)節(jié)的Rho-GTPase信號(hào)級(jí)聯(lián)

• 力敏感的轉(zhuǎn)錄因子易位：細(xì)胞的行為受微環(huán)境中的力學(xué)信號(hào)調(diào)節(jié)，YAP/TAZ和SRF等力敏感的轉(zhuǎn)錄因子可作為細(xì)胞內(nèi)的機(jī)械感受器,，力學(xué)信號(hào)刺激下,，這些轉(zhuǎn)錄因子易位到細(xì)胞核，調(diào)節(jié)基因表達(dá),。

  
  圖3 力敏感的轉(zhuǎn)錄因子易位

細(xì)胞核力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

• 力學(xué)信號(hào)傳遞到細(xì)胞核：加載到LINC復(fù)合物上的收縮力通過(guò)Sun蛋白偶聯(lián)到核纖層蛋白及其他核骨架上,，將物理信號(hào)從細(xì)胞膜傳遞到細(xì)胞核。

• 核內(nèi)力學(xué)信號(hào)影響基因表達(dá)：細(xì)胞核受力后,，張力會(huì)改變核纖層的磷酸化動(dòng)力學(xué),，拉開(kāi)核孔,，改變核形狀,，有利于力敏感的轉(zhuǎn)錄因子從胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到核中,，輔助后續(xù)靶基因的表達(dá)。同時(shí),，核內(nèi)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)也會(huì)因力學(xué)信號(hào)而發(fā)生變化,，影響基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。