內(nèi)皮細(xì)胞（ECs）是血管功能的關(guān)鍵決定因素，在調(diào)節(jié)血管張力和重塑中發(fā)揮關(guān)鍵作用。內(nèi)皮功能不僅受多種化學(xué)介質(zhì)（如激素、細(xì)胞因子和神經(jīng)遞質(zhì)）的調(diào)節(jié)，還受機(jī)械力（包括流體剪切應(yīng)力）的支配。機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)在動(dòng)脈中尤為重要，它使 ECs 能夠控制短期血管張力和長期血管重塑，從而根據(jù)組織要求調(diào)節(jié)血管直徑。目前，內(nèi)皮依賴性血管舒張涉及三個(gè)主要機(jī)制：內(nèi)皮一氧化氮合酶（eNOS）產(chǎn)生一氧化氮（NO）、環(huán)氧合酶合成前列腺素和/或打開鈣敏感鉀通道。
在體內(nèi)，血流表現(xiàn)出不同的形式，分為兩大類：層流和湍流（振蕩）流。這些不同的流動(dòng)模式由一系列不同的機(jī)械傳感器感知，這些傳感器將各種物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為生化信號(hào)，將它們與下游信號(hào)通路耦合。先前的研究表明，剪切應(yīng)力會(huì)激活位于細(xì)胞膜中的各種機(jī)械傳感器，引發(fā)多種信號(hào)通路，從而改變基因表達(dá)和內(nèi)皮功能。這些被提出的機(jī)械傳感器是 G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs）和 G 蛋白、酪氨酸激酶受體、離子通道、整合素和糖萼。然而，GPCRs 和 G 蛋白被認(rèn)為是主要的機(jī)械傳感器，在剪切應(yīng)力信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起著至關(guān)重要的作用。
基于此，山東大學(xué)齊魯醫(yī)院手足外科、附屬山東省婦幼保健院產(chǎn)科、吉林大學(xué)第一醫(yī)院手足外科的研究團(tuán)隊(duì)曾做過一份綜述，旨在闡述血流剪切應(yīng)力通過 ECs 中提出的機(jī)械敏感性的 GPCRs 促進(jìn)血管舒張的機(jī)制。
GPCRs 的結(jié)構(gòu)特征
GPCRs 具有共同的結(jié)構(gòu)，包括具有細(xì)胞內(nèi) C 端、細(xì)胞外 N 端和由 3 個(gè)細(xì)胞內(nèi)環(huán)（ICL1-ICL3）和 3 個(gè)細(xì)胞外環(huán)（ECL1-ECL3）連接的 7 個(gè)跨膜螺旋（TM1-TM7）的單面多肽。
GPCRs 如何感知流動(dòng)剪切應(yīng)力
ECs 不斷受到血流動(dòng)力學(xué)力的影響，包括剪切應(yīng)力、軸向應(yīng)力（施加于血管壁的垂直力）和周向應(yīng)力（血管壁的周向拉伸）。ECs 對由血流產(chǎn)生的平行于血管壁的摩擦力產(chǎn)生的剪切應(yīng)力敏感。事實(shí)上，已經(jīng)確定來自 EC 和血流之間的相互影響的信號(hào)是血管穩(wěn)態(tài)的重要決定因素。細(xì)胞膜又稱質(zhì)膜（plasmalemma），由位于磷脂中包含膽固醇的磷脂雙分子層組成，在各種環(huán)境中維持細(xì)胞膜的流動(dòng)性，并含有膜蛋白。EC 質(zhì)膜對剪切應(yīng)力的直接反應(yīng)是迅速降低脂質(zhì)相序和膽固醇含量并增加流動(dòng)性，這可能與剪切應(yīng)力傳感和反應(yīng)機(jī)制有關(guān)。膜物理特性的這些變化對應(yīng)于機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)，激活每種力所*的膜受體。磷脂雙分子層的這些變化可以使完整的膜蛋白如 GPCRs 形成活性構(gòu)象。
有研究檢測流體剪切應(yīng)力引起的 GPCRs 構(gòu)象動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)在生理剪切應(yīng)力值（≈15 dynes/cm2）下，所有發(fā)生構(gòu)象變化的 GPCRs 的變化程度均達(dá)到飽和，并證明剪切應(yīng)力介導(dǎo)的 GPCR 配體非依賴性構(gòu)象改變是由 EC 中質(zhì)膜張力和膜流動(dòng)性增強(qiáng)引起的。值得注意的是，ECs 的自分泌激活途徑并不參與剪切應(yīng)力介導(dǎo)的 GPCRs（緩激肽 B2受體，B2R）中構(gòu)象變化。
GPCRs 可以與細(xì)胞骨架相互作用，有效地感知和傳遞張力。細(xì)胞的機(jī)械行為是由不同的細(xì)胞骨架絲和細(xì)胞外粘附之間的相互作用決定的。此外，剪切應(yīng)力會(huì)引起機(jī)械敏感性 GPCRs 的顯著構(gòu)象改變，這可能導(dǎo)致 helix 8 的延長和隨后的G 蛋白激活，從而誘導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。G 蛋白在流動(dòng)剪切應(yīng)力開始后的一秒內(nèi)被激活。有研究證明剪切應(yīng)力（0-30 dynes/cm2）可以以劑量依賴的方式激活 G 蛋白，并且磷脂雙分子層介導(dǎo)剪切應(yīng)力在蛋白受體缺失的情況下激活膜結(jié)合 G 蛋白的能力。這種反應(yīng)受磷脂雙分子層的物理特性調(diào)節(jié)。GPCR 介導(dǎo)的剪切應(yīng)力促進(jìn)血管舒張的機(jī)制GPR68 也稱為卵巢癌 G 蛋白偶聯(lián)受體1（OGR1）。剪切應(yīng)力和低 pH 值都可以激活 GPR68。GPR68 在 pH 6.8 時(shí)*激活，但在 pH 7.8 時(shí)無活性。在受體水平上，GPR68 通過連接物理和化學(xué)刺激，可以激發(fā)細(xì)胞動(dòng)態(tài)響應(yīng)其微環(huán)境中的機(jī)械力和 pH 變化。此外，研究表明 GPR68 的剪切應(yīng)力感應(yīng)效應(yīng)是小直徑動(dòng)脈的。S1PR 1是 GPCRs 的 S1P 家族的原型。S1PR 1 負(fù)責(zé)血管舒張，而 S1PR 2 和 S1PR 3 已被證明在 S1Ps 介導(dǎo)的血管收縮中起關(guān)鍵作用。血流剪切應(yīng)力和循環(huán) S1Ps 都可以激活內(nèi)皮細(xì)胞 S1PR 1 以在發(fā)育過程中穩(wěn)定血管和擴(kuò)張血管。此外，S1PR 1 可以充當(dāng)機(jī)械傳感器。體外實(shí)驗(yàn)表明，層流剪切應(yīng)力可以抑制 S1P 降解并刺激 EC 中的 S1P 釋放，從而導(dǎo)致血管舒張。此外，S1PR 1 可以以配體無關(guān)的方式被激活，以響應(yīng)層流剪切應(yīng)力。因此，S1PR 1 是 ECs 中生物力學(xué)信號(hào)的關(guān)鍵信號(hào)成分。組胺 H1受體（H1R）是一種 GPCR，參與由各種過敏原引起的 I 型超敏性過敏反應(yīng)。H1R 在全身各組織中均有表達(dá)，在 ECs 中高度表達(dá)，其表達(dá)水平高于平滑肌細(xì)胞。在生理水平上，H1R 被確定為 ECs 中流體剪切應(yīng)力的傳感器，導(dǎo)致流動(dòng)引起的血管舒張。介導(dǎo)血管舒張的 H1Rs 分布于整個(gè)阻力血管（小動(dòng)脈）。H1R 作為一種內(nèi)皮機(jī)械傳感器，負(fù)責(zé)血管的自動(dòng)調(diào)節(jié)，類似于 GPR68 。緩激肽是一種有效的血管擴(kuò)張劑，可能與組胺一起在炎癥和腫脹中發(fā)揮作用，可放松小動(dòng)脈平滑肌，導(dǎo)致血管舒張和血流量增加。緩激肽主要通過兩種受體亞型起作用：緩激肽 B1 受體（B1Rs）和緩激肽 B2受體（B2Rs）。B2Rs 在血管內(nèi)皮細(xì)胞中含量豐富，并存在于平滑肌小動(dòng)脈中。B2Rs 被認(rèn)為是內(nèi)皮細(xì)胞的機(jī)械傳感器，介導(dǎo)血管的生理和病理功能。流體剪切應(yīng)力可以通過 GPCRs 的構(gòu)象動(dòng)力學(xué)激活 ECs 上的 B2Rs 。這反過來又刺激 Gα q/11敏感性 PLC 以促進(jìn)磷酸肌醇水解并增加細(xì)胞內(nèi) Ca2+ 濃度，最終通過 Ca2+ 介導(dǎo)機(jī)制導(dǎo)致 eNOS 和 NO 的產(chǎn)生。總之，目前越來越多的證據(jù)表明，GPCRs 是主要的機(jī)械傳感器，在剪切應(yīng)力信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、血管生理功能和血管張力的調(diào)節(jié)中起關(guān)鍵作用。在 GPCR 家族中，已提出 GPR68、H1R、S1PR 1和 B2R 是調(diào)節(jié)血管舒張的流體剪切應(yīng)力的內(nèi)皮傳感器。參考文獻(xiàn)：Hu Y, Chen M, Wang M, Li X. Flow-mediated vasodilation through mechanosensitive G protein-coupled receptors in endothelial cells. Trends Cardiovasc Med. 2022 Feb;32(2):61-70. doi: 10.1016/j.tcm.2020.12.010. Epub 2021 Jan 3. PMID: 33406458.
小編旨在分享、學(xué)習(xí)、交流生物科學(xué)等領(lǐng)域的研究進(jìn)展。如有侵權(quán)或引文不當(dāng)請聯(lián)系小編修正。關(guān)注公眾"Naturethink"了解更多體外仿生培養(yǎng)知識(shí)！
手機(jī)版
化工儀器網(wǎng)手機(jī)版
化工儀器網(wǎng)小程序
官方微信
公眾號(hào)：chem17
掃碼關(guān)注視頻號(hào)
采購中心