连接肌动蛋白动力学和基因转录以驱动细胞运动功能

G蛋白偶联受体的信号传递

G蛋白偶联受体（GPCR）是一个膜受体大家族，具有七个跨膜螺旋结构域，可与异源三聚体G蛋白（鸟嘌呤核苷酸结合蛋白；由α-、β-和γ-亚基组成）偶联。具有Gα型Gα亚基的异三聚体G蛋白_12/13，Gα_{2011年第2季度}和Gα_我/0通过参与Rho GTPases促进肌动蛋白周转⁵(图1). GPCR与许多配体相互作用，包括激素、趋化因子、生物活性脂质、胃肠肽、血小板活化剂和发育中大脑的孤儿配体⁶GPCR配体溶血磷脂酸（LPA）中Rho–肌动蛋白–MRTF–SRF通路的激活已得到明确证明⁷，1-磷酸鞘氨醇（S1P）^7,8和一个神经元孤儿配体⁶.

受体酪氨酸激酶信号

许多Tyr激酶受体与Rho GTPases相关，包括血小板衍生生长因子（PDGF）、胰岛素、肾上腺素A（EphA）和肾上腺素B蛋白、TRKA、TRKB和TRKC、表皮生长因子（EGF）、成纤维细胞生长因子（FGF）、血管内皮生长因子（VEGF）和MET的受体⁹其中许多受体对运动细胞功能有重要影响。血管内皮细胞中的VEGF受体信号表明肌动蛋白–MRTF–SRF通路激活¹⁰神经元中的EphA信号^11,12背根神经节中的神经营养素信号（可能通过TRKA、TRKB和TRKC受体）¹³SRF信号在这些类型的信号事件中的核心重要性体现在血管生成异常^14,15神经轴突导向和突触靶向^11,13,16在里面Srf公司击倒小鼠。

整合素信号

整合素受体将细胞连接到细胞外基质（ECM），是局部粘连的主要结构组织成分。整合素信号对肌动蛋白细胞骨架的重组有很大影响。整合素介导的肌动蛋白动力学主要通过激活RHOA和RAC1 GTPases来实现，这涉及到整合素连接激酶对Rho-GEFs的调节(ILK公司)，粘着斑激酶(FAK（传真）)和SRC公司¹⁷(图1). 整合素还向肌动蛋白细胞骨架传递外部和内部机械应力。这种机械传感被证明可以激活肌动蛋白–MRTF–SRF通路¹⁸.

TGFβ信号

转化生长因子β（TGFβ）超家族细胞因子包括TGFβ家族多肽、骨形态发生蛋白（BMPs）和激活素。这些配体通过Ser/Thr激酶受体的异四聚体复合物发挥作用，这些异四聚物激活不同的信号通路，并调节Rho-GTPase介导的肌动蛋白动力学¹⁹TGFβ诱导的细胞结构和运动改变有助于细胞上皮-间充质转化（EMT），EMT与胚胎组织运动和肿瘤细胞侵袭和转移有生物学联系。在TGFβ上观察到MRTF–SRF模块的激活^20–22和BMP信号²³.

E-cadherin信号

上皮细胞-细胞连接（粘附连接）由上皮钙粘蛋白（E-cadherins）的亲同性相互作用介导。钙粘蛋白通过连环蛋白在功能上与肌动球蛋白细胞骨架支架相连¹细胞-细胞接触的组装和拆卸需要并引发广泛的肌动蛋白动力学，并通过GTPase RAC1（REFS）激活MRTF–SRF通路^20,24,25). 上皮细胞接触点的分离是EMT的起始事件。连环蛋白（α-连环蛋白、β-连环蛋白和p120连环蛋白）的释放激活肌动蛋白动力学，并可直接调节核蛋白功能²⁶.

核肌动蛋白和ABP

核肌动蛋白，无论是单体G-actin还是聚合F-actin形式，都会从总体上深刻影响转录反应^31,32肌动蛋白至少通过三种机制影响基因表达：肌动蛋白是所有三种RNA聚合酶（I、II和III类）的组成部分，它有助于ATP依赖的染色质重塑，并结合真核细胞细胞核中的不同核糖核蛋白（RNP）复合体，包括小核糖核酸（snRNAs）和异质核RNA（hnRNAs）。在这些活动中，肌动蛋白与G-ABP和F-ABP共同发挥作用。G-actin可以通过扩散进入和退出细胞核；然而，利用其核输出序列（部分与exportin蛋白家族成员或profilin结合）来调节其输出。这控制了其他G-ABP（如MRTF）的核出口，MRTF与G-actin绑定出口（见下文）。

JNK信号

在Rho-GTPase激活时引发动态肌动蛋白重排的信号，如上述非标准Wnt–PCP途径，也显示导致Jun N末端激酶（JNKs）的激活^33–35，调节基因转录。在不同的实验环境中，GTPase介导的JNK激活涉及激酶混合谱系激酶3（MLK3；也称为MAP3K11）的介导³⁶和岩石³⁷或适配器蛋白CRK公司³⁸JNK激活的这种机制与肌动蛋白动力学的刺激密切相关，这一点尚待明确证明。

NF-κB信号传导

肌动蛋白动力学调节器可诱导转录因子核因子-κB（NF-κB）的胞质-核易位。在凝血酶刺激下，内皮细胞中细胞间粘附分子1（ICAM1）的表达涉及RHOA–ROCK介导的核NF-κB活化³⁹此外，上皮细胞-细胞接触的破坏和相关的肌动蛋白重组导致RHOA–ROCK介导的蛋白激酶D（PKD1）的激活，导致NF-κB的激活⁴⁰这种情况可能反映了内皮细胞运动的病理刺激过程中细胞-细胞接触的丧失。

核激素受体

核激素受体，特别是雄激素受体（AR），除了受同源激素配体的控制外，还通过肌动蛋白和ABP调节其转录活性。F-ABP和G-ABP对AR的调节可以在细胞质-核易位的水平上进行，也可以通过影响启动子结合受体的转录活性来实现。显示与AR相互作用的ABP包括凝胶蛋白、α-肌动蛋白2、超绒毛蛋白、丝蛋白和转凝胶蛋白³²G-actin是AR转录复合物的一部分。

DNA损伤反应，Nck和JMY

基因毒性损伤影响肌动蛋白动力学并引发转录反应^41,42紫外线（UV）光损伤DNA会导致两种细胞质ARP2/3效应蛋白，即连接介导蛋白和调节蛋白(吉咪（JMY）)和NCK1系列–细胞因子信号转导7（SOCS7）复合物的抑制物，转位到细胞核。JMY是一种能够刺激细胞运动的G-ABP。在核易位中，JMY作为p53–p300复合物的辅因子，刺激促凋亡基因的转录⁴¹NCK1–SOCS7的核转位是在紫外线诱导的与septin蛋白分离后发生的⁴³作为F-ABP。DNA损伤检查点反应的激活需要NCK1的核功能尚不明确。这突出了肌动蛋白微丝到基因组通信的新方面，特别有助于细胞遗传毒性应激反应。

SRF的分子和生物学功能

SRF是一种多功能转录因子，由一个在许多细胞类型中大量表达的单一基因编码^53,54SRF同源物存在于所有被调查的物种中，从酵母到人类。同二聚体SRF与回文CC（A/T）具有高亲和力和特异性₆GG-DnA序列，称为CArG盒^55,56，并在各种信号级联的刺激下指导许多靶基因的转录^47,57–61.SRF与靶基因启动子联合，构建各种辅因子招募的调控平台^58,62Ets-型辅因子的三元复合因子（TCF）亚类最能说明差异辅因子招募^63–65和共激活剂心肌蛋白家族（心肌蛋白和MRTFs）^66–69这两种类型的SRF辅因子对不同的信号输入（包括丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号和肌动蛋白信号）作出反应，从而使SRF能够指导不同组靶基因的表达⁷⁰.MRTF和TCF与SRF相互排斥^71,72.

SRF靶基因履行基本功能（见下文），部分解释了Srf公司小鼠中的缺失⁷³SRF支持广泛的生物过程，包括原肠胚形成、心脏和心血管系统的发育和功能、所有三种类型肌肉细胞的功能、内皮细胞生物学和血管化、肝脏的发育和再生，免疫系统的T细胞和B细胞活动以及发育中大脑和成人大脑的神经功能。在细胞水平上，这些表型中的许多至少可以部分归因于肌动蛋白微丝功能受损⁴⁸鉴于SRF在调节肌动蛋白细胞骨架动力学方面的重要性，SRF的功能超出了细胞骨架靶基因的转录控制，包括对细胞生存和凋亡的贡献。

MRTF蛋白的分子和生物学功能

Myocardin，MRTF家族的创始成员(图3)，在心血管系统中特异表达^66–68而其他MRTF家族成员表现出更广泛的表达模式。Myocardin与MRTF-A型（也称为MAL、MKL1和BSAC）和MRTF-B型（也称为MKL2和MAL16）在一系列保守结构域中；为了协调命名，我们建议使用基于基因家族同源性标准的MRTF命名⁶⁹这些有效的转录共激活物通过一个基本区域和一个相邻的Glu-rich结构域与SRF相关(图3).

MRTF的氨基末端包含三个RPEL结构域，它们与单体G-actin形成稳定的络合物^52,74–77导致MRTF在细胞质中的隔离。肌卡蛋白含有不同的RPeL结构域，不能有效结合肌动蛋白；因此，同二聚体心肌蛋白是构成核的，对调节肌动蛋白聚合的细胞刺激不敏感^68,78然而，有人提出，肌钙蛋白和其他MRTF之间的异二聚体化可以促进SRF调节的肌肉基因中CArG盒之间的合作⁷⁹因此，心肌可能间接受到MRTF的调控机制的影响，特别是G-actin结合。

心肌蛋白敲除研究(Myocd公司)小鼠的MRTF基因表明，这些SRF共激活物是唯一需要的体内在不同的细胞类型和不同的发育阶段。几乎所有Myocd公司突变表型反映了运动细胞功能和SRF依赖性收缩和细胞骨架基因调控方面的异常^80–82缺乏MRTF-A的小鼠是可以存活的，但雌性由于乳腺肌上皮细胞受损而无法养育后代^83,84MRTF-B的全基因缺失导致心血管缺陷导致胚胎死亡，包括鳃弓动脉模式异常、右心室双出口、室间隔缺损和薄壁心肌⁸⁵.

肌动蛋白介导的MRTF核穿梭调控

在低肌动蛋白聚合状态下，MRTF通过与G-肌动蛋白形成可逆的复合物而在细胞质中保持在非活性状态^50,52,75因此，MRTF是善意的G-ABP。Rho GTPases的刺激使G-actin进入F-actin丝，从而从G-actin中释放MRTF，并允许MRTF的核输入和随后SRF-依赖性转录的激活(图1).

核G-actin还以多种方式调节MRTF功能⁷⁶首先，核G-actin促进了MRTF的核出口。其次，核G肌动蛋白阻止核MRTF激活SRF靶基因，因此需要释放核肌动蛋白-MRTF复合物来刺激SRF。因此，细胞G-actin在三个水平调节MRTF：核输入、核输出和MRTF-SRF-依赖性转录的核激活或失活⁷⁶(图1b). 也有人认为，MRTF的MAPK磷酸化通过增强MRTF与核肌动蛋白的相互作用来刺激其核输出⁸⁶因此，鉴于肌动蛋白基因本身受到MRTF-SRF的控制，出现了一个G肌动蛋白依赖的、动态调节的自我调节反馈环，用于由MRTF–SRF介导的Rho定向转录控制。Rho激活G-actin和ABP的初始合成，以刺激F-actin在细胞质中的聚合，从而满足刺激引发的细胞生物学需求。随着肌动蛋白合成的进行，细胞质和细胞核中的G-actin水平都会升高，从而通过同时损害核功能和促进核MRTF的输出，以及通过确保细胞质MRTF有效保留来降低SRF反应(图1). 因此，MRTF的核-细胞质穿梭是这种肌动蛋白定向反馈电路的重要组成部分。

上述调节机制在肌肉细胞和培养的成纤维细胞中得到了最全面的描述。相比之下，在缺乏刺激的情况下，初级神经元中MRTF的核水平较高。识别影响神经元核MRTF活性的调节剂并探索核肌动蛋白的潜在作用将是一件有趣的事情^12,76和核MRTF磷酸化^86,87MRTF的神经功能。

肌肉特异性和收缩性基因

几乎所有平滑肌特异基因和许多心肌和骨骼肌基因都由CArG盒控制。肌卡蛋白是SRF依赖性平滑肌基因表达的一种特别有效的激活剂^{79,84,104–106}MRTF的强制过表达也会激活转染细胞中的平滑肌基因，这就提出了一个问题，为什么许多非肌肉细胞中内源性MRTF水平不足以驱动肌肉基因的表达^{59,69,107,108}内源性MRTF水平很可能由肌动蛋白信号调节，而过表达的MRTF绕过这种调节机制，直接激活下游肌肉基因。骨骼肌分化也需要MRTF，如骨骼肌基因表达对显性阴性MRTF突变体表达的抑制所示体内和在体外^59,108肌肉细胞的许多收缩功能是由肌钙蛋白-SRF和MRTF-SRF调节基因激活的⁵⁷.

影响肌动蛋白动力学和细胞运动的基因

受MRTF辅因子募集调控的SRF靶基因编码与肌动蛋白细胞骨架活性相关的蛋白质。根据SRF调节的基因产物对肌动蛋白微丝功能的贡献，可将其分为三类：结构（例如肌动蛋白）、肌动蛋白周转效应器（例如cofilin 1）和肌动蛋白动力学调节器（例如talin 1）。表1列出了一些特征鲜明的细胞骨架SRF靶基因示例。在生物学方面，编码蛋白有助于发育（中胚层模式）、收缩装置的功能（肌肉细胞收缩、血管张力）以及ECM介导的粘附和组织重塑。

使用MRTF活性调节剂进行表达谱分析（显性阴性MRTF和在缺乏或存在latrunculin B的情况下用细胞钙素D治疗；参见方框2)确定了约30个MRTF依赖性SRF靶基因的子集^7,59,109。我们预计这一数字将随着调查的进行而增长¹¹⁰.基于ChIP的证据可以证明MRTF与CArG箱中SRF的关联，但有限¹⁰³尽管存在这种局限性，但已确定的MRTF依赖性SRF靶基因有助于细胞-ECM粘附和肌动球蛋白活性。局灶性粘连的许多结构成分由SRF–MRTF调节基因编码，包括α1、α5、α9和β1整合素，以及talin 1、vinculin和syndecan蛋白2和4（REF）。57)SRF缺乏导致局部粘连形成受损⁴⁸.

心血管疾病

鉴于编码收缩蛋白的基因过多，这些收缩蛋白由SRF和心肌细胞蛋白家族成员调节，因此，这种调节途径在肌肉细胞的力和机械传感中起着中心作用，这一点也就不足为奇了，因此，SRF-依赖性基因表达的失调导致了许多心血管系统疾病模型。在肥大和心力衰竭的心脏病理重塑过程中，SRF依赖性基因失调。STARS和心肌炎是SRF功能的两个阳性调节剂，在心肌病和肥厚期间分别上调^88,120,121在衰竭心脏中，半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3对SRF的裂解产生一种显性阴性形式的SRF，可能抑制肉瘤基因的表达¹²²因此，SRF不仅是心脏收缩蛋白适当表达所必需的，而且过多的SRF也是致病性的，这表明MRTF–SRF活性对心脏稳态的需求。这可能解释了为基因调控程序提供稳健性和稳定性的miRnAs与MRTF–SRF信号通路紧密结合的原因。

最近，研究表明，在阿尔茨海默病期间，SRF和肌钙蛋白在大脑小动脉中过度表达，并通过激活SRF依赖的平滑肌收缩基因，增强动脉的高收缩性，从而减少脑血流量，从而在疾病的进展中起到关键作用¹²³此外，SRF和肌球蛋白控制脑血管平滑肌细胞对淀粉样蛋白-β肽的清除¹²⁴.

SRF还作为平滑肌细胞表型的中央调节器，对损伤作出反应，并促进血管壁病理性平滑肌细胞增殖。减少心肌蛋白和MRTF活性的信号促进平滑肌细胞过度增殖，如动脉粥样硬化和再狭窄期间发生的情况¹²⁵叉头转录因子FOXO4和锌指蛋白KLF4在血管平滑肌细胞的去分化过程中上调体内 ⁹⁵从而抑制SRF依赖的转录。因此，MRTF–SRF电路作为机械应力和生长因子信号的节点传感器，调节平滑肌细胞的表型转换。

我们向所有因空间限制而无法完全引用其工作的同事致歉。我们感谢G.Posern和B.Knöll对手稿的评论。该组织得到了美国国立卫生研究院、美国心脏协会、罗伯特·A·韦尔奇基金会和勒杜克基金会的资助。A.N.确认DFG的财务支持（No120/12-3和SFB 773/A3）。