血管內(nèi)膜的內(nèi)皮細胞（ECs）持續(xù)暴露于局部流體剪切應(yīng)力的反復(fù)變化，毛細血管靜水壓力的變化，以及血管脈動增加期間血管壁拉伸應(yīng)變的變化。Piezo1 是一種成熟的機械敏感通道，它在機械力的作用下，非選擇性地將Ca2? 從細胞外環(huán)境轉(zhuǎn)運到內(nèi)皮細胞的細胞質(zhì)中。敲除小鼠中的Piezo1基因可降低剪切力引起的細胞內(nèi)Ca2? 的增加水平，并阻止了ECs對剪切力的形態(tài)學(xué)和細胞保護反應(yīng)。然而， 控制EC適應(yīng)Piezo1下游剪切應(yīng)力的信號機制仍然知之甚少。

剪切應(yīng)力誘導(dǎo)Ca2? 通過機械敏感通道從細胞外環(huán)境進入，以及誘導(dǎo)位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）膜上的肌醇1,4,5-三磷酸受體（IP3Rs）釋放Ca2?。一個基本問題是，這兩種機械轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是否與調(diào)節(jié)EC對剪切應(yīng)力的適應(yīng)具有內(nèi)在聯(lián)系。Piezo1通道，與肌漿/內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2? ATP酶（sarco/endoplasmic reticulum Ca2?-ATPase，SERCA）相互作用并調(diào)節(jié)其活性，可能激活細胞外環(huán)境中的Ca2? 進入和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)儲存中的Ca2? 釋放。

在美國伊利諾伊大學(xué)醫(yī)學(xué)院藥理學(xué)與再生醫(yī)學(xué)系的一項研究中，數(shù)據(jù)顯示，剪切應(yīng)力激活Piezo1導(dǎo)致細胞內(nèi)Ca2? 快速動員進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，隨后通過sAC-cAMP敏感機制釋放ER Ca2?。這里描述的數(shù)據(jù)將Piezo1機械傳感與通過IP3R2通路 cAMP -依賴性ER Ca2? 釋放聯(lián)系起來。這種Piezo1-sAC-IP3R2機械轉(zhuǎn)導(dǎo)回路在Akt信號的激活中起著關(guān)鍵作用，作為ECs對層流剪切應(yīng)力引起血管舒張的適應(yīng)性形態(tài)學(xué)反應(yīng)的一部分。相關(guān)研究成果發(fā)表在 iScience 期刊題為“Piezo1 induces endothelial responses to shear stress via soluble adenylyl Cyclase-IP3R2 circuit"。

首先，為了確定Piezo1在剪切應(yīng)力誘導(dǎo)的ER Ca2? 信號傳導(dǎo)中的作用，實驗將內(nèi)皮細胞暴露于2 dyn/cm2、5 dyn/cm2和10 dyn/cm2的層流剪切力下。數(shù)據(jù)顯示，人肺動脈內(nèi)皮 （HPAE）單層暴露于 5 和 10 dyn/cm2 的剪切力持續(xù)60 秒，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)熒光增加，表明[Ca2?]ER 增加。這些變化取決于施加的剪切力，且在暴露于2 dyn/cm2剪切的細胞中則不那么明顯。與以往的研究一致，Piezo1的耗竭顯著降低了胞質(zhì)Ca2? 響應(yīng)剪切應(yīng)力而上升的趨勢。這些結(jié)果揭示了Piezo1在響應(yīng)剪切應(yīng)力時通過快速動員Ca2?進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)調(diào)節(jié)Ca2? 穩(wěn)態(tài)中的核心作用。

接下來，研究討論了利用Yoda1 激活Piezo1，是否可以誘導(dǎo)[Ca2?]ER的變化而不依賴于機械應(yīng)力。研究表明，Piezo1誘導(dǎo)Ca2? 動員進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的機制不同。因此，探討了基質(zhì)相互作用分子1（STIM1）的作用，結(jié)論是，在Piezo1激活后，STIM1并沒有促進ER Ca2? 的快速上升，但對于在ER Ca2? 耗盡時補充ER Ca2?是必要的。然后討論了SERCA泵在調(diào)節(jié)Piezo1介導(dǎo)的ER Ca2? 進入中的作用。由于Piezo1和SERCA在體外和細胞中相互作用，Piezo1功能可能與SERCA泵的激活耦合。結(jié)果證明了毒胡蘿卜素（SERCA非競爭性抑制劑）消除了Yoda1誘導(dǎo)的ER Ca2? 升高，但對對ER Ca2?衰減沒有顯著影響。因此，SERCA活性是Piezo1介導(dǎo)的ER Ca2? 升高而不是ER Ca2? 衰減所必需的。

為了研究Piezo1下游ER Ca2? 衰減的機制，缺失了內(nèi)皮細胞內(nèi)質(zhì)膜上高度表達的兩種肌醇三磷酸受體IP3R2和IP3R3。結(jié)果表明，IP3R3的缺失對Piezo1誘導(dǎo)的ER Ca2? 衰減沒有影響，相比之下，IP3R2的耗盡顯著降低了ER Ca2? 衰減的速率常數(shù)，而不影響ER Ca2?上升的速率常數(shù)（圖1 A-C）。同樣，在層流剪切應(yīng)力作用下，IP3R2的損耗顯著降低了ER Ca2? 衰減的速率常數(shù)（圖1 D-F）。此外，與IP3R3耗盡相反，IP3R3耗盡對Piezo1介導(dǎo)的細胞內(nèi)[Ca2?]i的變化沒有影響，而在Yoda1激活Piezo1或施加層流剪切應(yīng)力后，IP3R2的耗盡顯著降低了[Ca2?]i的增加。這些數(shù)據(jù)表明，IP3R2通路對于Piezo1機械或藥理激活后ER Ca2? 釋放到細胞質(zhì)中至關(guān)重要。

圖1 Piezo1的激活通過IP3R2通道誘導(dǎo)ER Ca2?儲存釋放。
（A）用對照、IP3R2或IP3R3 siRNA預(yù)處理的內(nèi)皮單層，用Yoda1激活Piezo1后G-CEPIA1er的活細胞圖像。（B）[Ca2?]ER在（A）中的時間過程。（C）由（B）數(shù)據(jù)計算的ER Ca2? 衰變速率常數(shù)。（D）10 dyn/cm2層流剪切作用60 s后，對照組和IP3R2缺陷內(nèi)皮細胞G-CEPIAer的活細胞圖像。（E）[Ca2?]ER在（D）中的時間過程。（F）由（E）中數(shù)據(jù)計算的ER Ca2? 衰變速率常數(shù)。

此外，為了研究Piezo1下游內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2?釋放的信號傳導(dǎo)機制，探討了環(huán)磷酸腺苷（cAMP）通過IP3R2儲存增敏內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣釋放的作用。由于Ca2? 直接刺激可溶性腺苷酸環(huán)化酶（sAC），因此確定了通過Piezo1的Ca2? 內(nèi)流是否激活sAC并誘導(dǎo)cAMP的產(chǎn)生。結(jié)果表明，Yoda1增加了內(nèi)皮單層中cAMP傳感器的GFP強度，表明cAMP的生成增加（圖2 A）。此外，sAC的耗盡顯著減少了Yoda1誘導(dǎo)的cAMP的產(chǎn)生（圖2 A、B），表明 sAC 在Piezo1激活下游介導(dǎo)cAMP的產(chǎn)生中起著至關(guān)重要的作用。此外，對sAC的抑制顯著降低了ER Ca2? 衰減的速率常數(shù)（圖2 C、E），并延遲了藥理或剪切介導(dǎo)的Piezo1激活后細胞質(zhì) [Ca2?]i 的增加。因此，sAC活化對于Piezo1誘導(dǎo)的cAMP 生成和通過cAMP敏化的IP3R2存儲釋放Ca2? 至關(guān)重要。

圖2 Piezo1的激活誘導(dǎo)sAC依賴性產(chǎn)生cAMP和cAMP誘發(fā)的ER Ca2? 釋放。
（A）在對照組和sAC 缺失的內(nèi)皮單層中，Yoda1激活Piezo1后cAMP濃度隨時間的變化。（B）（A）中cAMP濃度的相對變化。（C）在對照組和sAC 缺失內(nèi)皮單層中，Yoda1（箭頭）激活Piezo1后G-CEPIA1er的活細胞圖像。（D）[Ca2?]ER在（C）中的隨時間變化。（E）由(C)中數(shù)據(jù)計算的ER Ca2? 衰減速率常數(shù)。

缺失Piezo1的ECs不能誘導(dǎo)Akt1磷酸化，并向?qū)恿鞣较蚺帕?。因此，最后實驗想要確定ER Ca2? 釋放和Akt1活性是否需要由血流誘導(dǎo)的ECs的適應(yīng)性重定向。與靜態(tài)條件下生長的內(nèi)皮單層相比，HPAE和HAE單層在10 dyn/cm2剪切應(yīng)力作用24小時后，細胞排列發(fā)生了變化。然而，在Piezo1或IP3R2缺失的細胞中，細胞排列丟失。

由于Piezo1或IP3R2的缺失阻止了剪切誘導(dǎo)的Akt激活和ECs在流動方向上的排列，接下來討論了Akt激酶在介導(dǎo)剪切應(yīng)力適應(yīng)性形態(tài)反應(yīng)中的作用。結(jié)果表明，Piezo1或IP3R2的缺失都通過限制Akt信號傳導(dǎo)來阻止ECs對剪切應(yīng)力的適應(yīng)性反應(yīng)。

此外，為了解決Piezo1在調(diào)節(jié)Akt介導(dǎo)的ECs對層流剪切應(yīng)力的反應(yīng)中的生理意義，將空對照載體或myr-Akt1轉(zhuǎn)導(dǎo)到從內(nèi)皮限制性敲除的Piezo1小鼠（Piezo1ΔEC）分離的腸系膜血管的ECs中，與對照野生型（WT）小鼠相比，前者對增加的流體剪切的血管舒張反應(yīng)顯著降低。實驗觀察到myr-Akt1的表達，而不是對照載體的表達，使體外腸系膜血管的血流誘導(dǎo)的血管舒張反應(yīng)恢復(fù)到對照血管的水平。這些數(shù)據(jù)表明，Piezo1-sAC-IP3R2回路負責ECs中Akt1信號的激活，從而負責血管對血流變化的空間和時間響應(yīng)。

圖3 圖形概要

在這里，該研究表明，機械敏感通道Piezo1被確定的剪切力激活誘導(dǎo)Ca2? 通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2? ATPase 泵進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）。該入口之后是肌醇三磷酸受體2 （IP3R2）誘導(dǎo)的ER Ca2? 釋放到細胞質(zhì)中。ER Ca2? 釋放的機制涉及可溶性腺苷酸環(huán)化酶（sAC）產(chǎn)生cAMP，導(dǎo)致IP3R2 誘發(fā)的Ca2? 門控。耗盡 sAC 或 IP3R2 可阻止ER Ca2? 釋放并阻斷EC在流動方向上的對齊。在內(nèi)皮受限的Piezo1敲除小鼠中，過表達組成型活性Akt1可恢復(fù)缺乏Piezo1或IP3R2的ECs的剪切誘導(dǎo)排列，以及血流誘導(dǎo)的血管舒張（圖3）。這些研究描述了一種未知的Piezo1-cAMP-IP3R2回路作為激活A(yù)kt信號傳導(dǎo)并誘導(dǎo)ECs對層流的適應(yīng)性變化的基本機制。

參考文獻：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.
原文鏈接：pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37168565/

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