胡　鸣(综述)，洪　莉(审校)

(武汉大学人民医院妇产科，武汉 430060)



肌球蛋白在生物力学效应中的调控作用

胡鸣△(综述)，洪莉※(审校)

(武汉大学人民医院妇产科，武汉 430060)

摘要：细胞骨架是细胞内机械力传递链的一个组分，肌球蛋白作为细胞骨架的主要组成蛋白，对细胞受到外界力作用时产生的效应具有一定的调控作用，当细胞内的肌球蛋白的表达、结构以及活性发生改变时，细胞的力学效能也会发生相应的改变，从而影响细胞的功能以及组织结构的改变。肌球蛋白轻链的磷酸化、重链各亚型间的转化以及Rho GTP酶信号通路在对细胞生物力学效应的调控中起着一定的作用。

关键词：肌球蛋白；细胞骨架；机械力；细胞生物效应；Rho GTP酶

细胞具有主动变形和抵抗被动变形的能力[1]，主要表现为细胞内外基质及细胞骨架的相应改变。细胞骨架是真核细胞中的蛋白纤维网架体系，它能维持细胞形态、保持细胞内部结构的有序性，也与细胞信息传递密切相关[2]。肌球蛋白是广泛存在于生物体细胞中的一种多功能蛋白质[3]。在肌细胞中，它作为结构和功能蛋白，主要参与肌肉的收缩运动[4]。细胞生物力学效应是细胞对外界力的作用所做出的反应性改变，最终导致细胞的增殖活性等一系列的变化。研究发现[5]，生物力的传导链是由细胞骨架、黏附斑以及细胞外基质共同构成的，因此机械力传递链中任一部件的变化都会导细胞生物学效应的改变，从而使细胞的功能发生改变。现就肌球蛋白结构和功能的研究综述如下。

1肌球蛋白的结构及功能

肌球蛋白是一种马达蛋白，存在于机体大部分细胞之中，被认为是一种分子发动机。在肌细胞中，肌球蛋白是最主要的结构和功能蛋白，为粗肌丝的主要组成成分，以细肌丝作为运行的轨道，参与肌肉的收缩；同时由于其头部有ATP结合位点，它也可以作为一种ATP酶，通过ATP的水解而获得其参与运动所需的能量[6]。在非肌细胞内，肌球蛋白则作为细胞内的一种重要的细胞骨架蛋白，参与细胞形态的建成和维持，并为细胞质、细胞器的运动及物质的运输等提供动力，参与细胞的吞噬、吸收等主要的生理过程[7]。

肌球蛋白是一个六聚体蛋白质大分子，由两条重链和两条轻链组成，每条重链的N端形成球状头部，C端形成一个长纤维状的α螺旋尾部，两条重链大部分以双股α螺旋盘绕，形成长棒状结构，其N端分别与两对轻链结合，形成两个球状的头部和颈部调节结构域，轻链包含有碱性轻链和调节轻链[8]。肌球蛋白含有与肌动蛋白、ATP结合的位点，负责产生力。颈部通过同钙调素或类似钙调素的调节轻链亚基的结合来调节头部的活性[9]，尾部则是由余下重链部分组成的长杆状结构。

2细胞生物力学效应

细胞对外界或自身力的相应反应性效应，即细胞生物力效应。在骨科、口腔、肿瘤等领域的研究提示组织细胞力学特性的改变与疾病的发生密切相关[10]。

细胞作为生命体的基本单元始终处在各种不同的力学环境中，细胞结构和物理特性对力学刺激的响应规律是细胞发挥其生物学功能的重要方面。细胞自身产生的力与外界对细胞施加的力的改变均会导致细胞原先产生的生物反应改变。现在新兴的学科，如力学细胞生物学，就是来研究细胞如何感受力学刺激(力和变形)，将力学刺激传递和转化为化学信号，以及细胞在力刺激下细胞、亚细胞和分子层次的生物学响应事件及其力学-化学调节机制[11-12]。

在生物力学效应的产生中，大分子物质起相当大的作用。力学刺激下细胞的运动与变形，细胞间的黏附和聚集，细胞内外力学信号的转导均需要大分子物质参与[13]。存在于细胞表面及细胞内外的大分子物质是完成细胞生物化学作用的物质基础，其相互作用与组装动力学及作用力调控规律是执行其生物学功能的前提[13]。

因此，在现今的研究中，外力如何作用于细胞以及细胞如何感应外力刺激并调控其生物学行为是细胞分子生物力学领域关注的主要问题，正常细胞与病理细胞力学特性的差别也为疾病诊断拓展了新的思路[13]。

3肌球蛋白在细胞生物力学效应中的重要作用

肌球蛋白的改变主要表现为其信使RNA表达量、蛋白表达量、肌球蛋白结构及活性的改变，这些改变可能是机体自身基因改变、机体受到某些疾病病理改变、外界力的作用等因素所引起的，而这种肌球蛋白的最终改变所致的结果就是，由其参与组成的细胞骨架的结构的重排以及细胞形态的改变，从而导致细胞功能的改变。

3.1肌球蛋白表达的改变肌球蛋白在外界机械力的作用下会发生表达的改变，这点已经得到了实验证实。Shyu等[14]分离培养乳鼠的心肌细胞，并对其进行周期性的机械牵张，结果发现实验组心肌细胞肌球蛋白重链信使RNA表达明显增高。肌球蛋白表达量的异常会直接导致其功能水平的改变。

3.2肌球蛋白结构的改变很多疾病，如心力衰竭、家族性肥厚性心肌病、糖尿病、甲状腺功能亢进或减低，均会导致机体细胞内肌球蛋白发生变化。这些变化又会使细胞骨架发生相应的变化，打破细胞内的自身力的平衡，致使细胞内生化反应及基因表达的改变，从而发生细胞水平甚至机体的一系列功能上的变化。在心肌肌球蛋白各种实验研究中，发现限制饮食与缺氧会导致肌球蛋白的结构改变。 Haddad等[15]发现，限制饮食可使大鼠心肌V3肌球蛋白异构体增高。Pissarek等[16]构建了慢性低氧的大鼠模型，发现大鼠模型中左、右心室都出现了明显的由α-肌球蛋白重链向β-肌球蛋白轻链转换的结构变化。这些病理条件下，体外模型上的肌球蛋白表达量和肌球蛋白结构的改变均已得到证实。

3.3肌球蛋白活性的改变在肌球蛋白的活性方面，研究较多的则是其活性在细胞张力维持上的作用，也有研究其对细胞自身运动的作用[17]。在生物力的传递上，肌球蛋白的活性能够改变细胞黏着斑黏附状态，进而调控生物力学效应[5]。Blebbistatin是非竞争性肌球蛋白Ⅱ抑制剂，经常被用来抑制肌球蛋白Ⅱ的活性。Guha等[18]使用Blebbistatin对细胞进行处理后，定量分析细胞表观面积，发现抑制肌球蛋白Ⅱ会导致细胞骨架主动收缩能力降低, 细胞外膜刚度降低，从而影响力学效应。

3.4肌球蛋白和生物力学效应的相关基础研究内源性和外源性的机械力对细胞产生的效果是相似的，细胞结构对机械力的感知特性主要在于力的大小，而非力的起源部位[5]。这对于机械力实验设计有一定的帮助。因此，不管是细胞内部由肌动球蛋白产生的力的改变，还是由于外界力的改变，均会导致细胞产生异常的生物学效应。

在体内，如血管内皮细胞，受到血流的冲击力作用，正常情况时，血液产生的力学作用和内皮细胞自身的力学作用处于平衡状态，当发生某些病理改变，如动脉粥样硬化时，血流剪切力发生异常改变，容易在动脉的弯曲处或分叉处形成涡流，这种在方向及力度上发生了改变的剪切力就会引起内皮细胞细胞骨架的异常重排，甚至直接损伤骨架蛋白，最终损伤内皮屏障功能，而导致细胞功能的改变。

外界因素可以导致肌球蛋白改变，进一步引发细胞骨架的改变，使机械力传递链异常，力学信号的传递发生改变，最终引起生物力学效应的改变。在细胞的力传导过程中，细胞外信号调节激酶1/2通常将力信号进一步整合为生物学行为信号，当整合异常时，也会导致效应的异常。而由各种理化因素所致的细胞骨架形态结构及动力学的改变，必然会影响细胞内的生化反应，改变被激活的基因，最终改变其合成的蛋白质[10]。Filas等[19]认为细胞骨架形态结构及预应力是细胞对外界刺激产生后续反应的基础，当细胞受到外力刺激、运动或与细胞外基质黏附时，原来的力平衡被打破，细胞骨架重构以适应外界刺激，建立新的力平衡。实验显示，细胞通过细胞骨架产生内力，在外力施加之前用作维持细胞骨架之中的力平衡。

3.5肌球蛋白和生物力学效应的相关临床研究研究者们在对不同系统疾病的研究中发现，肌球蛋白在调控生物力学效应方面具有重要意义。对盆底疾病研究较多的是盆底韧带组织中的成纤维细胞，它是合成和分泌细胞外基质并对力产生应答的细胞[20]。有实验证实，一定范围的机械应力可以导致细胞骨架的重排，并借助第二信使将力学信号传递并转换，最终导致细胞生物学功能的改变[21]。在心血管疾病的研究中证实，心肌肥大和心力衰竭时，肌球蛋白发生质或量的改变，这种改变可能促使代偿良好的心脏发生失代偿[22]；在人的心房处于压力超负荷时，心室型肌球蛋白轻链1的表达增加[23]；在扩张性心肌病患者的心脏中发现，肌球蛋白轻链2被蛋白酶水解，与ATP酶活性降低有关；家族性肥厚型心肌病则多是由于肌球蛋白重链和肌球蛋白轻链突变所致。在泌尿系统疾病中，当出现尿路梗阻时，尿路平滑肌中的收缩蛋白发生一系列量以及比例的改变[24]，文献报道，出现慢性膀胱出口梗阻后膀胱逼尿肌中肌动/球蛋白比例也明显上调[25]；逼尿肌中肌动蛋白和肌球蛋白的表达与膀胱逼尿肌的功能状态密切相关[26]。

4肌球蛋白调控生物力学效应的相关机制

4.1肌球蛋白轻链的磷酸化在受到自身生理病理的改变时，肌球蛋白轻链的磷酸化会发生改变。王玉珍等[27]观察大鼠在肝纤维化过程中磷酸化肌球蛋白轻链的表达量变化情况，通过免疫组织化学和Western blot方法，测量磷酸化肌球蛋白轻链在血管壁的表达，显示随着肝纤维化的进展，磷酸化肌球蛋白轻链蛋白表达明显增加。当此改变发生时，细胞的生物反应性也会相应发生变化，这也可能会加重疾病的进程。陈传莉等[28]也探讨了在严重烧伤早期，磷酸化肌球蛋白轻链对肠黏膜屏障功能及细胞紧密连接相关蛋白变化的作用。结果显示，烧伤后大鼠肠黏膜通透性明显增加，并且烧伤后肠上皮通透性的增加伴随有紧密连接相关蛋白的明显重分布、细胞紧密连接损害以及肠上皮细胞磷酸化肌球蛋白轻链表达的增加。这就说明磷酸化肌球蛋白轻链可能在严重烧伤后肠黏膜屏障功能紊乱及通透性增加的发生机制中起着重要的调控作用。

4.2肌球蛋白重链的亚型间转化及量变高丽红等[29]研究盆底骨骼肌细胞在受到机械力刺激情况下肌球蛋白重链亚型(肌球蛋白重链Ⅰ、Ⅱa、Ⅱb和Ⅱx)的改变，结果发现，在不同受力情况下，MHC亚型之间会发生转化，如加力强度3%加力时间6 h机械力刺激引起肌球蛋白重链Ⅱb向肌球蛋白重链Ⅱx、Ⅱa、Ⅰ变化；加力强度3%加力时间24 h、加力强度6%加力时间6 h和加力强度6%加力时间24 h机械力刺激引起肌球蛋白重链Ⅰ、Ⅱb向肌球蛋白重链Ⅱx、Ⅱa变化。不同亚型之间的转变，会导致盆底骨骼肌细胞的反应性改变。黄顺根等[30]进行了胰胆管合流异常患儿胆总管平滑肌肌球蛋白重链与磷酸化肌球蛋白轻链20表达情况的研究，使用免疫组织化学法观察发现胰胆管合流异常患儿胆总管平滑肌肌球蛋白重链与磷酸化肌球蛋白轻链20蛋白表达增高，该改变可能导致胆总管平滑肌的收缩力代偿性增加，说明肌球蛋白重链的改变是为了适应机体的病理改变，对细胞功能有调控作用。

4.3Rho GTPases信号通路

4.3.1Rho GTP酶家族Rho GTP酶家族是细胞信号转导通路中的一类重要蛋白，主要参与血管内皮细胞通透性的调控[31]。它属于Ras超家族的成员，在胞内信号转导中也起着作用，参与细胞增殖、分化、迁移、凋亡等进程[32]。在肿瘤的疾病过程中，它主要参与调节肌动蛋白相关蛋白和介导细胞骨架构建来参与肿瘤的恶性转型、生长、侵袭、转移等各个方面[33]。Rho GTP酶家族在结构上至少可分为5个家族：Ras家族、Rho家族、Rab家族、Sarl/Arf家族和Ran家族[34]。有实验证实，磷酸化肌球蛋白轻链是Rho信号通路中的一个重要信号分子，参与信号的转导。

Rho GTP酶参与多种重要的细胞生命活动，如肌动蛋白细胞骨架的重构、细胞黏附、细胞运动、囊泡运榆、转录激活、基因表达和细胞周期的调控等，它通过对肌动-肌球蛋白细胞骨架进行调控而影响细胞活动。Rho家族蛋白是一种重要的细胞内信号分子，以多种信号途径调节细胞的行为与功能。由于其强大的细胞调节功能，Rho家族蛋白在各种疾病的发生、发展过程中引起了广泛关注[35]。

4.3.2肌球蛋白与Rho GTP酶Rho作为信号调节分子联系细胞表面受体与肌动蛋白细胞骨架的组建，在细胞代谢过程中发挥重要作用。当Rho GTP蛋白水平改变，活性状态改变，效应蛋白丰度改变后，出现异常的Rho信号，从而影响细胞骨架重组[36]。细胞骨架在参与细胞活动时，需要有Rho GTP酶的调节，Rac主要参与片状伪足的形成，其中Rac通过其靶蛋白IRsp53(induced ruffling scaffold proteins 53)激活Arp2/3复合体，刺激新的肌动蛋白聚合[37]。

Rho GTP酶家族是重要的信号通路蛋白，其家族成员是联系细胞膜表面受体和细胞骨架的关键分子，起着分子开关的作用，主要调节细胞外信号对诱导的细胞骨架的相应改变[38]。肌球蛋白作为细胞骨架的主要组成成分，也受到Rho GTP酶信号通路的调节，进而对细胞生物学效应进行相应的调控。在对高血压发生和发展的研究中发现，Rho GTP酶信号通路主要通过磷酸化抑制肌球蛋白轻链磷酸酶的活性来增加肌球蛋白轻链的磷酸化水平，从而增强平滑肌的收缩力[39]。李涛等[40]在研究缺氧时血管平滑肌收缩反应性与肌球蛋白关系也发现，Rho激酶可以通过调节肌球蛋白轻链的活性来调节其磷酸化水平。

5结语

机体在病理情况下，如血管受到异常剪切力，肢体受到持续挤压力等，会出现细胞生物力学效应的改变。当异常作用力在承受范围内时，机体可通过调整机械传递链的组分，改变细胞及胞外基质的形态，使细胞通过此类适应性改变来代偿外力作用，最终达到新的细胞力平衡。当细胞处于持续较强的力的作用时，细胞无法代偿，则会引起细胞骨架的不可逆改变，正常的传递链被打破，从而影响细胞内反应。

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The Accommodative Function of Myosin on Cell Biomechanics Effect

HUMing,HONGLi.

(DepartmentofGynecologyandObstetrics,RenminHospitalofWuhanUniversity,Wuhan430060,China)

Abstract:Cytoskeleton is a component of mechanical force transmission chain.As the main protein in forming cytoskeleton in cells, myosin plays a role in regulating the response produced by cells when they are forced by the external force.When the expression,structure and activity of myosin changes,mechanical efficiency of cells will have a corresponding change,thus affecting the cell function and tissue structure.Phosphorylated myosin light chain,transformation of subtypes in myosin heavy chain, and Rho GTPases signaling pathway play important roles in the regulation of cellular biological effects.

Key words:Myosin; Cytoskeleton; Mechanical strain; Cellular biological effects; Rho GTPases

基金项目：国家自然科学基金面上项目(81270684)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.03.002

中图分类号：R31

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)03-0387-04

收稿日期：2014-04-23修回日期：2014-08-14编辑：相丹峰