全 文 ：综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2009年第 4期
组织预应力和 Rho信号与肌原纤维细胞分化的关系
黄岂平 方咸平
(重庆大学生物工程学院,重庆 400044 )
摘 要: 肌原纤维细胞 ( m yofibroblast)在愈伤反应 ( w oundhea ling response)中扮演十分重要角色。而当机体组织受损
时, 组织内预应力环境将被破坏,出现不同程度的应力集中和应力松弛,从而影响细胞骨架张力, 而骨架张力可以转化为细胞
信号事件, 针对组织预应力和 Rho信号与肌原纤维细胞分化之间的关系进行探讨。
关键词: 肌原纤维细胞 组织预应力 骨架张力 Rho信号通路
Research on Relations between the Prestressed and Rho
Signalw ithMyofibroblast D ifferentiation
Huang Q iping Fang X ianping
(B ioengineering College, Chongqing University, Chongq ing 400044)
Abstrac:t M yo fibroblast play s an im portant ro le in woundhealing responseW hen organ ism tissue injured, the prestressed env i
ronm en tw ould be destroyed byw hich stress concentration and stress re laxa tion w ou ld appear that would a ffect ce ll ske leton tensity, but
the ske le ton tensity can be transfo rm ed as ce ll s igna l event Th is article discussed the relations o f the prestressed and the Rho signa l
w ith M yofibroblast d ifferentiation
Key words: M yo fibroblast P restressed in tissue Ske leton tensity Rho signal
收稿日期: 20080923
基金项目:重庆市自然科学基金计划项目 ( C STC, 2008BB5057 )
作者简介:方咸平 ( 1982) ,男 (汉 ) ,硕士研究生,研究方向:细胞生物学; Em a i:l dax ianyu@ 126. com
肌原纤维细胞 (myofibroblas,t M Fb)是一种多起
源的异质性细胞, 在愈伤反应 ( woundhea ling re
sponse)中扮演十分重要角色,参与体内多种器官的
纤维化进程,包括肝纤维化,肺纤维化,肾纤维化,动
脉粥样硬化,组织粘连,疤组织形成。体内多种细胞
都具有分化或去分化成为成肌纤维细胞的潜力,如
肝星状细胞,血管平滑肌细胞, 内皮细胞等, 均可通
过适当途径转化为成肌纤维细胞 [ 1~ 3 ] , 在这些分化
过程中,很多细胞因子和信号通路参与其中。越来
越多的研究表明,胞外基质硬度和细胞骨架的收缩
力在成肌纤维细胞分化过程中起着十分关键的调控
作用 [ 1, 4~ 6] , SM actin既是成肌纤维细胞的分化标
志,同时也是该细胞产生高细胞收缩力的动因 [ 7, 8 ]。
机体组织普遍存在预应力,当机械损伤发生时,组织
内预应力环境将被破坏, 出现不同程度的应力集中
和应力松弛,这些对于细胞骨架张力将产生不同的
影响。而骨架张力可以转化为细胞信号事件, 从而
对肌原纤维细胞分化产生影响。而 RhoA作为细胞
收缩性的主要调节因素 [ 9] , 对肌原纤维细胞分化的
关系值得探讨。
1 肌原纤维细胞在损伤修复中的作用
肌原纤维细胞具有成纤维细胞和平滑肌细胞的
特征和功能,它出现在皮肤伤口愈合过程中的肉芽
组织中,成肌纤维细胞表达平滑肌肌动蛋白 (SM
actin),具有收缩和迁移的能力, 同时仍保存成纤维
细胞的功能和特性。例如, 表达间充质细胞表型蛋
白 波形蛋白 ( v imentin) , 合成分泌细胞外基质
( ECM )包括胶原 I、!及纤粘连蛋白 ( f ibronect in,
FN )等。肌原纤维细胞合成 ECM 的能力远大于成
纤维细胞,是组织纤维化过程中产生过量 ECM的主
要来源细胞。体内多种细胞都具有分化或去分化成
为肌原纤维细胞的潜力,如肝星状细胞,血管平滑肌
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2009年第 4期
细胞, 内皮细胞等,均可通过适当途径转化为肌原纤
维细胞。肌原纤维细胞被认为是伤口愈合和各种组
织纤维化过程中起核心作用的细胞之一。正常的伤
口修复过程中,肌原纤维细胞短暂存在,促使伤口收
缩,结缔组织修复 [ 10]。但当在纤维化病变的组织
中,肌原纤维细胞持续存在,细胞外基质过量积聚,组
织结构发生重塑,正常的组织结构和功能遭到破坏,
最终发生功能衰竭。肌原纤维细胞在纤维化过程中
的作用主要表现: ( 1)肌原纤维细胞表达 SM actin,
具备收缩迁移的功能,能够从分化及转分化部位到达
它发挥作用的间质部位,并使细胞外基质收缩变形;
( 2)肌原纤维细胞合成细胞外基质的能力明显增强,
合成胶原的量是成纤维细胞的 3~ 4倍 [ 11] ; ( 3)肌原
纤维细胞表达整合素增加,与 ECM黏附增强,并且
分泌许多细胞因子,如血管内皮生长因子 (VEGF)、
血小板源性生长因子 ( PDGF)、TGF及白介素 1( IL
1)等 [ 12] ,通过自分泌或旁分泌作用加强组织的纤维
化病变。苏顺清等 [ 13]研究表明, 在皮肤创伤修复中
成纤维细胞通过整合素与细胞外基质产生相互作
用,并分泌大量的 ECM填补损伤缺口,大约损伤 2 d
后成纤维细胞转化为成肌原纤维细胞, 伤后 14 d在
肌原纤维细胞的作用下 ECM可发生收缩。创面愈
合后 MFb通过细胞凋亡 ( apoptosis)而死亡、消失,
表现为凋亡细胞数量急剧增加 [ 14]。在某些细胞因
子或生长因子的异常刺激下, MFb持续存在, 致
ECM大量沉积而形成瘢痕增生和挛缩的分子基础。
综上所述,肌原纤维细胞在伤口的修复以及在相关
疾病的形成中扮演着重要的角色。
2 组织应力的变化与成肌纤维细胞的形成
细胞内的骨架是一个完整的系统,细胞骨架网
络与细胞各成分、各部位的相互作用将产生一个稳
定的细胞内张力状态, 这种张力状态是细胞赖以生
存、分化和生长的重要的内部力学环境。外界环境
中的力学改变,一方面使细胞膜表面的力学感受器
发生位移,另一方面影响原来分子结构下的分子内
应力状态。各种力学作用在分子中以扭曲力的形式
改变了受体刚性,刚性的改变通过机械耦联传递到
骨架网络, 从而引起整个网络张力状态的破坏与
重建。
机体组织普遍存在的预应力对于细胞骨架张力
将产生不同的影响。 Singer等 [ 10]认为,在血管的损伤
修复中,应力的变化使生长因子 (如 PDGD和 FGF2)
诱导成纤维细胞集中到损伤处与细胞外基质 ( extra
cellularmatrix, ECM )的相互作用,并分泌大量的 ECM
如胶原蛋白、纤维连接蛋白 ( fibronectin, FN )、层连蛋
白 ( lim inin, LN )、体外黏连蛋白 ( vitronecftn, VN )、蛋
白多糖 ( proteog ly lans, PG)等。随后,损伤处产生一定
的收缩力,创面 Fb即可发育成具有平滑肌细胞特征
的表型, 即前体肌成纤维细胞 ( protomyo fibroblast),
进而在 TGF的作用下形成成肌纤维细胞。
大量研究发现机械应力 ( mechan ica lstress, MS )
对细胞增殖、分化、凋亡、基因表达以及组织生长、功
能整合等生理过程和某些病理生理,如心肌肥大、动
脉粥样硬化和皮肤扩张、骨折等创伤修复过程中起
着重要的作用。如机械应力的作用使细胞骨架的所
有构件为了分散张力和压力而发生整体重排, 从而
导致细胞发生形变,细胞形状调节发出的调节信息
以力的形式传递。因此认为, 通过施加一定的机械
应力可能会激活或抑制肌原纤维的分化,从而达到
加速表皮修复 (或 ACL的修复 )或终止肝纤维化修
复的作用。如 Tom asek等 [ 15]研究表明, 在机械应力
的作用下成纤维细胞可以分化形成肌原纤维细胞的
前体,然后在 TGF等生长因子的作用下进一步分
化成肌原纤维细胞。
3 Rho信号通路在损伤修复中对肌原纤维
分化的影响
31 Rho家族及 ROCK /Rho信号传导通路
小 GTP蛋白 Rho家族属于 Ras超家族成员, 该
家族包括 Rho、Rnd、R ac、Cdc42和 TC10。Rho家族
通过 GTP结合形式和 GDP结合形式的转换起着分
子开关的作用, 从而调控许多胞内信号通路 [ 16, 17] ,
主要参与张力丝和粘着斑的形成, 在肌动蛋白骨架
的构建、增殖、黏附变形、游走、细胞周期调控及包括
基因转录在内的许多基础生命活动中起关键作用。
目前针对 Rho家族的研究主要集中在 RhoA,
Rac1, Cdc42和 TC10。Rho, R ac, Cdc42能刺激细胞
周期和 DNA的合成, 并参与 Rac介导的转化。同
时, Rac1、Cdc42也可以激活磷脂酰肌醇 3激酶、Jun
氨基末端激酶 ( JNK )活化的应力蛋白激酶、以及
P38 /M PK1活化的丝裂原蛋白激酶途径。Rho的作
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2009年第 4期 黄岂平等 :组织预应力和 Rho信号与肌原纤维细胞分化的关系
用机理是激活转录因子 SRF ( serum respunse fac
to r)。
Rho /Rock激酶是肌动蛋白信号转导过程的主
要成分。Rock属于丝氨酸 /苏氨酸蛋白激酶家族成
员,是目前功能研究最为清楚的 Rho下游靶效应分
子 [ 18]。Rho激酶的分子结构包括氨基端的催化结
构域、中间结合 Rbo的 a卷曲螺旋结构域和羧基端
的催化结构域以及 Cys/H is区。Rock接受 Rho传
递的活化信号,发生多个氨基酸位点的磷酸化而激
活,并介导其下游一系列磷酸化 /脱磷酸化反应。肌
球蛋白磷酸酶是活化 Rock的底物, 接受 Rho /Rock
的活化信号发生磷酸化,使其自身失活;失活的肌球
蛋白磷酸酶不能将肌球蛋白轻链 (myosin lightchain,
M LC)脱磷酸化,使得细胞浆内磷酸化 MLC水平提
升,肌动 肌球蛋白交联增加,促进肌动蛋白微丝骨
架的聚合 [ 19~ 22]。
32 Rho信号传导通路与肌原纤维细胞的分化
Rho能被多种细胞因子和炎症介质活化, 包括血
小板源性生长因子、转化生长因子内皮素 1、血管紧
张素 II、白介素1均能激活 Rho /Rock信号通路 [ 23]。
而这些细胞因子和血管活性物质是介导多种炎症损
伤与纤维组织增生性疾病发生的重要物质, 因此
Rho /Rock信号通路可能整合在这些炎症介质的受体
后效应中,参与这些疾病的病理生理过程。此外, 某
些细胞外基质成分,特别是纤连蛋白, 能够通过 Rho /
Rock信号通路促进细胞黏附和移动, 而纤连蛋白主
要通过整合素家族发挥作用,因此该信号通路可能也
与整合素受体后信号转导有交叉。
Rho被多种外界刺激信号活化后启动 Rho /
Rock激酶信号通路, 使得细胞浆内磷酸化 MLC水
平提升, MLC磷酸化水平在平滑肌细胞中直接决定
着细胞的收缩功能, 而在非平滑肌细胞中则控制肌
动蛋白微丝骨架的聚合动力学 [ 24]。研究表明, 当
MLC磷酸化水平升高后, Rho /Rock信号通路主要
调节肌动蛋白的聚合动力学, 使肌动 肌球蛋白交联
增加, 形成 ∀应力纤维, 肌球蛋白微丝骨架的聚合形
成了细胞伸展、运动与形态维持的基础。此外,
Rho /Rock还参与细胞与基质间的黏附, 微丝骨架在
局部细胞膜下聚合形成束状应力纤维, 一端接受细
胞外基质传入的刺激信号, 另一端与胞浆细胞器相
连, 控制着细胞与细胞外基质的黏附与信号传递。
在体内的多种愈伤反映中, Rho /Rock信号通路
起重要的调控作用, 某些慢性炎性纤维化疾病 (如
肺纤维化、肝硬化的发生涉及两个主要的机制,即炎
性细胞的趋化浸润和成纤维细胞的表型改变与活
化。Nagatoya等 [ 23]用 Y27632干预小鼠单侧输尿
管结扎肾间质纤维化模型, 发现其早期炎性细胞浸
润显著减少, 而后来的纤维化也得到明显改善, 因
此, Rho /Rock可能通过介导早期炎性细胞浸润和炎
症介质分泌参与肾间质纤维化的发生机制。肌原纤
维细胞表型的出现是纤维化形成的另一个重要环
节。在特定的炎症刺激和机械损伤下, 皮肤、角膜成
纤维细胞、肝储脂细胞、肾间质成纤维细胞、肺间质
成纤维细胞和动脉中膜平滑肌细胞均可以转化为肌
原纤维细胞, 大量合成分泌细胞外基质。M asszi
等 [ 25]研究表明, Rho /Rock信号通路与肌动蛋白微
丝骨架构型对决定肌成纤维细胞表型形成的关键基
因的转录起调控作用。但其具体调节机制还不清
楚, 有待进一步研究。
4 结语与展望
肌原纤维细胞的分化是一个复杂的过程, 受细
胞因子、细胞外基质复合物及机械拉力的影响。肌
原纤维细胞在正常的损伤修复中起着收缩创面和促
进胞外基质分泌的作用, 当修复终止时肌成纤维细
胞发生凋亡。但在某些异常情况下, 肌原纤维细胞
持续表达,会出现瘢痕增生和挛缩现象,因此肌原纤
维细胞在损伤修复中起着重要的作用。随着研究的
深入,有望通过生物学的各种方法阻断其分化、增殖
的信号通路及基因转录, 通过药物或重组细胞因子
促进其凋亡,抑制其分化和增殖, 促其恢复转化前细
胞表型, 从而阻断纤维化进程, 根治组织纤维化
疾病。
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