介绍
血管平滑肌张力在调节血压、血流、微循环和其他心血管功能中起着基础性作用。异常的平滑肌收缩可能导致许多疾病的发展,如原发性高血压、缺血性心脏病、肺动脉高压和中风。
平滑肌具有独特的收缩和放松能力,以应对周围环境的变化。平滑肌可以通过重塑细胞结构和改变有关收缩元件激活的信号级联来适应其收缩状态。
平滑肌的收缩装置由包含肌动蛋白和含有肌球蛋白的粗丝。平滑肌细胞的肌动蛋白丝与膜上的致密斑块相连,并与肌浆中的致密体相连。大多数肌动蛋白丝以六边形排列在粗丝周围,形成收缩器。这个肌动蛋白丝池被称为“收缩肌动蛋白”。部分肌动蛋白丝在结构上与肌球蛋白无关。它被称为“细胞骨架肌动蛋白”,在维持平滑肌细胞结构完整性方面发挥作用(). 平滑肌细胞的详细结构已经过综述1-三.
平滑肌细胞肌动蛋白细胞骨架示意图(A和B)肌动蛋白丝与膜(M)上的致密斑块(DP)相连,并与肌浆中的致密体(DB)相连。大多数肌动蛋白丝以六边形排列在肌球蛋白丝(My)周围,形成收缩器。这个肌动蛋白丝池被称为“收缩肌动蛋白(CA)”。部分肌动蛋白丝在结构上与肌球蛋白无关。它被称为“细胞骨架肌动蛋白(CskA)”。(C)肌动蛋白聚合发生在靠近膜的有刺端,而肌动蛋白解聚发生在有刺端的对面。在致密斑块处,肌动蛋白丝通过连接蛋白如talin和vinculin附着到跨膜整合素上。
大量证据表明,平滑肌的肌动蛋白细胞骨架经历了动态重塑过程,这是化学和机械环境变化时结构适应的关键组成部分4,5在这篇文章中,我们将回顾我们对肌动蛋白细胞骨架系统在平滑肌中的作用和调节的最新认识。
动脉平滑肌肌动蛋白细胞骨架的生理特性
肌动蛋白纤维在收缩和机械刺激下发生聚合
分化平滑肌细胞和组织中的肌动蛋白细胞骨架长期以来被认为是一种固定结构。最近的研究表明,平滑肌肌动蛋白结构处于动态状态;肌动蛋白丝的聚合-解聚参与平滑肌的收缩-松弛循环。对颈动脉平滑肌的研究表明,在未刺激的动脉平滑肌组织中,丝状(F)肌动蛋白与球状(G)肌动素的比率约为1.8,这表明大约25-30%的肌动蛋白以肌动蛋白单体的形式存在6,7在收缩刺激下,F-actin/G-actin比率增加至5.8,表明大约10-15%的肌动蛋白是G-actin。在松弛过程中,F-actin/G-actin比值降低到基础水平。
肌动蛋白细胞骨架的动态特征也在其他研究中观察到;收缩刺激期间肌动蛋白单体的数量减少,或丝状肌动蛋白的比例增加8-16在培养的气道平滑肌细胞中,细胞荧光分析估计,用卡巴胆碱和内皮素-1处理会导致F-肌动蛋白与G-肌动蛋白的比率增加,而用平滑肌松弛剂(异丙肾上腺素和毛喉素)处理会降低F-肌动蛋白/G-肌动蛋白的比率17,18与这些发现一致,Barany和同事19通过评估肌动蛋白结合核苷酸的交换率,报道了血管平滑肌组织中G-actin的高浓度,并观察到G-actin池对收缩刺激的反应减少。这些研究表明,肌动蛋白丝组装发生在各种平滑肌细胞/组织类型中,这可能是平滑肌对收缩激活的一种独特现象。
机械环境的变化也会影响肌动蛋白丝的重组。施加在细胞膜上的一次拉伸会改变细胞的硬度,这与肌动蛋白细胞骨架的状态密切相关20,21被动张力还诱导细胞骨架蛋白paxillin的酪氨酸磷酸化,这是肌动蛋白细胞骨架重组的指标8,22,23此外,局部施加在细胞上的机械信号触发了平滑肌细胞肌动蛋白结构的结构重组4,5,24.
肌动蛋白聚合被认为发生在位于平滑肌细胞膜附近的肌动蛋白丝的倒刺端。在倒刺的末端,球状(G)肌动蛋白被添加到现有的丝状(F)肌动蛋白上。这个过程由各种肌动蛋白相关蛋白调节(见下文)。肌动蛋白解聚发生在肌动蛋白丝的末端,位于倒刺末端的相反位置()1,10,12,13,25-27.
与横纹肌相比,平滑肌肌动蛋白丝的动态特征显著不同;没有检测到显著的G-actin池,骨骼肌中肌动蛋白结合核苷酸的交换率很低19,28平滑肌组织中F-肌动蛋白与肌球蛋白的比率也比骨骼肌高很多,与骨骼肌相比,平滑肌组织维持着大量的F-肌动蛋白,而这些肌动蛋白并不与肌球酶相互作用2,29.
肌动蛋白丝组件参与收缩力的发展
有令人信服的证据表明,细胞松弛素或latrunculin等抑制剂抑制肌动蛋白聚合会减弱各种平滑肌组织中的力量发展6-8,30-32用这些抑制剂对平滑肌进行短期治疗不会损害肌动蛋白细胞骨架;与对照组织相比,用细胞松弛素或latrunculin处理的平滑肌条的收缩丝组织或超微结构没有差异8Latrunculin与肌动蛋白单体结合,阻止其组装到肌动蛋白丝上,而细胞松弛素则覆盖现有的肌动蛋白纤维,阻止其在倒刺端延伸8,33,34更重要的是,肌动蛋白聚合的抑制扰乱了平滑肌的力量发展,对肌球蛋白磷酸化(一种对平滑肌收缩至关重要的细胞事件)几乎没有影响6,8,10这些研究表明:1)新的肌动蛋白聚合就其本身而言是部队发展细胞过程中的必要步骤;2) 肌动蛋白丝组装和肌球蛋白磷酸化是独立的细胞事件;平滑肌收缩需要肌动蛋白丝聚合和肌球蛋白激活。
肌动蛋白聚合可能会影响力的发展,这有几种可能性。首先,平滑肌细胞的肌动蛋白丝连接到膜相关致密斑块处的膜,其结构类似于培养细胞的黏附点。在这些结构中,β整合素的细胞质域与连接蛋白(如vinculin和talin)相关联,后者又与肌动蛋白丝相连接。β整合素的细胞外部分与细胞外基质结合1,2,35,36因此,膜相关致密斑块被认为介导肌动蛋白丝与细胞外基质之间的机械力传递1,4,36最近的研究表明,肌动蛋白聚合是由非肌肉细胞和平滑肌中的Arp2/3(肌动蛋白相关蛋白)复合体启动的,这表明新生的肌动蛋白聚合酶可能发生在细胞皮层10,12,13,37,38皮层肌动蛋白组装可以加强肌动蛋白丝与整合素的联系,并增强收缩力的传递1,4,5,10,12,13,27,35,36,39-42.
其次,肌动蛋白组装已被证明可以增加可收缩单位的数量和肌动蛋白丝的长度,为力的发展提供更多有效的可收缩元件31,43-46第三,新聚合的长丝可能是重组过程的一部分,可以快速调整刚度和张力1,4,5,10,12,13,35,47-51第四,肌动蛋白丝组装可能参与收缩元件的“闩锁”形成,支持低跨桥磷酸化条件下的力维持15,16,35,52-54.
调节平滑肌肌动蛋白动力学的细胞过程
在过去的几年里,许多实验室做出了相当大的努力来探索肌动蛋白丝在平滑肌中的组装是如何调节的。迄今为止,蛋白激酶,如Abelson酪氨酸激酶(Abl)、黏着斑激酶(FAK)、Src、丝裂原活化蛋白激酶(MAP)和其他激酶,已被证明可以协调平滑肌中的肌动蛋白聚合。据报道,跨膜整合素与调节肌动蛋白细胞骨架的信号通路有关。Rho、Cdc42和Rac是调节平滑肌肌动蛋白动力学的小GTPases的Rho家族的主要成员。肌动蛋白调节蛋白是信号级联中调节肌动蛋白动力学的效应分子。其中一些蛋白质是神经元性Wiskott-Aldrich综合征蛋白(N-WASP)、Arp2/3复合物、profilin、cofilin和热休克蛋白。一般来说,受体激活和/或整合素连接激活蛋白激酶和/或小GTPase,进而调节肌动蛋白调节蛋白的功能状态,最终调节肌动素丝的组装或结构重组().
调节平滑肌肌动蛋白动力学的信号级联收缩激动剂和机械信号激活调节下游效应器(CAS/CrkII、N-WASP、Arp2/3复合物、profilin、paxillin/Hic-5、HSP27、cofilin等)、肌动蛋白聚合和细胞骨架重塑的蛋白激酶(Abl、FAK、Src、MAP激酶等)和小GTPase(Rho、Cdc42和Rac)。细胞内钙2+受电信号(去极化)、受体和FAK/Src的调节,可能通过调节PYK/帕西林/CAS通路介导肌动蛋白动力学。
CAS介导的过程在平滑肌肌动蛋白丝组装中的作用
Crk-相关底物(CAS)是一种130-kDa的黏附蛋白,最初在v-src和v-Crk转化细胞中被鉴定为一种显著的酪氨酸磷酸化蛋白55,56CAS的分子分析显示,对接蛋白包含SH3结构域、富含脯氨酸的区域和包含多个Tyr-Xaa-Xaa-Pro(YXXP)的底物结构域56,57CAS已被证明调节平滑肌中的肌动蛋白细胞骨架。反义寡核苷酸下调CAS对收缩刺激的反应,显著减弱作用力发展和肌动蛋白聚合7CAS在血管平滑肌细胞中经历酪氨酸磷酸化,以响应血管紧张素II和5-羟色胺的刺激58,59以及包括rat-1细胞、COS-7细胞和CE细胞在内的非肌肉细胞对生长因子和细胞粘附的反应57,60,61CAS的磷酸化增加了其与适配器蛋白CrkII的结合25,57在平滑肌中,收缩刺激导致CrkII与N-WASP的结合增加。当未经刺激时,N-WASP的C末端部分与其GTP结合域结合,掩盖Arp2/3复合物的结合基序。CrkII与N-WASP的相互作用引起构象变化,揭示Arp2/3复合物的结合基序,并启动由Arp2/3络合物介导的肌动蛋白聚合和分支10,12,13,25,27,39,62.
Profilin是一种肌动蛋白相关蛋白,调节肌动蛋白动力学、肌动蛋白丝的组织和平滑肌力量的发展。体外研究表明,profilin与肌动蛋白单体结合,并将单体转运到肌动蛋白丝的倒刺端。Profilin还可能促进N-WASP和Arp2/3复合物介导的肌动蛋白丝聚合成核63,64在颈动脉平滑肌制剂中,收缩激活促进profilin与G-actin的结合。此外,CAS的下调阻止了profilin/G-actin偶联、肌动蛋白聚合和张力发展的形成。这些结果表明,CAS可能通过影响profilin的活性来调节肌动蛋白的动力学6,7,59.
CAS的酪氨酸磷酸化由一种非受体酪氨酸激酶Abl介导。来自的研究在体外生化分析表明,Abl直接催化CAS磷酸化25,65短发夹RNA沉默Abl可在收缩刺激下显著降低阻力动脉中CAS磷酸化25,59此外,血管平滑肌中的Abl被激动剂刺激激活;与非刺激组织相比,受刺激动脉中Tyr-412(激酶活化指数)处Abl的磷酸化增强25血管紧张素II刺激后血管平滑肌细胞中也有Abl酪氨酸磷酸化的报道66有趣的是,最近的临床研究表明,一种选择性Abl抑制剂伊马替尼(STI-571)对治疗肺动脉高压有效67,68.
FAK和Src家族酪氨酸激酶介导的细胞骨架重塑
FAK和c-Src位于整合素相关膜微域,通过整合素聚集以及收缩激动剂和生长因子的激活而被激活22,23,69-80FAK已被证明能催化细胞骨架蛋白paxillin的磷酸化在体外和气道平滑肌组织23,69,81-83尽管尚未对血管平滑肌进行类似的研究,但通常认为血管平滑肌和气道平滑肌具有相似的细胞内调节机制。在激动剂刺激期间,血管平滑肌制剂中的帕西林也经历酪氨酸磷酸化16帕罗西林可能参与调节N-WASP,其介导肌动蛋白动力学和/或肌动蛋白细胞骨架在各种细胞类型(包括平滑肌细胞)中的结构重组10-12,16,22,35,81,84-87.
据报道,c-Src可在血管平滑肌中介导CAS磷酸化;抑制Src活性减弱激动剂激活时CAS酪氨酸磷酸化59如前所述,CAS磷酸化调节由Arp2/3复合物介导的肌动蛋白丝组装。Src可能通过影响Abl的活性来调节CAS磷酸化25,66然而,其他研究表明,Src可能与整合素介导的CAS酪氨酸磷酸化有关88,89此外,活化的c-Src与FAK相互作用,调节基础钙2+通道活性和血小板衍生生长因子(PDGF)诱导的L型钙增加2+现在的4,90.
整合素介导的信号级联在肌动蛋白动力学调节中的作用
跨膜整合素是细胞表面的受体,已被证明是细胞中的机械传感器。在平滑肌细胞中,整合素位于膜相关致密斑块中,其结构类似于培养细胞的局灶性粘附1,4,22如前所述,β-整合素与膜外的细胞外基质相互作用,并与膜内的肌动蛋白丝相连。整合素将基质与肌动蛋白细胞骨架的结构联系起来,促进收缩器与细胞外基质之间的机械力传递1,4,22,23,35,50.
整合素能够感知环境中的机械信号,并将信号转导到调节肌动蛋白细胞骨架重塑的细胞内途径。FAK、c-Src、蛋白酪氨酸激酶2(Pyk2)、CAS和paxillin与膜上的整合素相关。FAK通过Tyr-397处的自身磷酸化激活,以响应配体与整合素的结合4,91,92FAK和c-Src在粘附介导的整合素激活刺激的非肌肉细胞(如内皮细胞和白细胞)中磷酸化4,91-94整合素激活也可能刺激平滑肌中的FAK和c-Src;FAK和paxillin的酪氨酸磷酸化在平滑肌中是机械敏感性的(整合素是一种已知的机械传感器22,23.环状菌株激活细胞中黏附位点的Pyk2和FAK磷酸化95整合素介导的酪氨酸激酶的激活反过来调节下游分子的功能状态,如与肌动蛋白结构重塑有关的paxillin和Hic-54,5,41,94,95.
相反,肌动蛋白细胞骨架的重组可能会影响整合素的聚集以及整合素与细胞外基质的结合。有证据表明,应力纤维的形成会影响膜上整合素聚集96用收缩激动剂治疗平滑肌细胞导致整合素结合珠的阻力增加,表明基质-整合素的结合增强4,20“内-外”信号可能向致密斑块提供正反馈,使整合素准备好应对下一个机械信号。
整合素激活的FAK和c-Src也与钙的调节有关2+分化平滑肌细胞的信号传导。c-Src的抑制减弱了Ca的增加2+α激活的电流5-整合素抗体或纤维连接蛋白,而酪氨酸磷酸酶的抑制增强了整合素介导的细胞内钙2+ 97.整合素刺激钙的增强2+当细胞用抗FAK或c-Src的抗体透析时,电流也会被抑制4,97除了激活收缩蛋白肌球蛋白外,FAK/Src介导的细胞内Ca增加2+也可以激活蛋白酪氨酸激酶2(PYK2),该激酶能够催化CAS和/或帕西林磷酸化并调节肌动蛋白细胞骨架4,69,95,97-102.
平滑肌中的小GTPases和肌动蛋白结构
小GTPase的Rho家族主要由Rho、Cdc42和Rac组成。Rho可能在培养的平滑肌细胞中介导激动剂诱导的肌动蛋白应激纤维的形成。用C3外酶(Rho的灭活剂)处理减少了激动剂诱导的F/G肌动蛋白比率的增加,如细胞荧光显微镜所估计的。据报道,这是由G介导的q个和G我在平滑肌细胞中5,17,103Rho还可能通过Rho激酶/LIM激酶/cofilin途径调节肌动蛋白细胞骨架重塑。Cofilin是一种触发肌动蛋白丝解聚的肌动蛋白调节蛋白;LIM激酶磷酸化cofilin抑制其解聚肌动蛋白丝的能力。Rho激酶诱导LIM激酶磷酸化,从而增强LIM激酶对cofilin的活性,并促进cofillin磷酸化和肌动蛋白丝组装104-107Rho还可能通过影响哺乳动物的穿膜相关(mDia)形成蛋白来调节肌动蛋白的动力学,这些形成蛋白使肌动蛋白丝成核、逐渐伸长并捆绑108-110需要进一步研究以评估Rho介导的肌动蛋白动力学是否发生在完整的血管平滑肌组织中。
有大量证据表明,Cdc42调节包括平滑肌细胞在内的各种细胞类型的肌动蛋白丝聚合12,111-115Cdc42的GTP结合形式(活化的Cdc42)与N-WASP的GTP连接域结合,诱导构象变化并激活N-WASP,触发肌动蛋白聚合成核和肌动蛋白纤维分支10,12,27,40,116在平滑肌组织中,引入一个显性Cdc42突变体会抑制N-WASP的活性,同时肌动蛋白聚合和作用力发展也会减少10,12这表明Cdc42介导的肌动蛋白丝组装对平滑肌收缩至关重要。
已知Cdc42和Rac在哺乳动物细胞中激活p21-活化激酶(PAK)117-121虽然迄今已发现6种亚型,但PAK1是平滑肌细胞中的主要亚型117-119,119,120,122,123PAK在生长因子激活后参与平滑肌中p38 MAP激酶的调节117p38 MAP激酶的激活可能通过热休克蛋白(HSP)调节肌动蛋白细胞骨架和细胞迁移117,124,125(见下文)。
小GTPase被收缩激动剂和整合素聚集激活。在平滑肌组织中观察到Cdc42激活以响应收缩刺激10,12.化学刺激还诱导血管平滑肌组织中的Rho活化126-128细胞与纤维连接蛋白的结合导致Cdc42和Rac的激活。Rho也被整合素连接激活,导致应力纤维的形成96此外,循环应变诱导肌动蛋白应力纤维重组,这可能由小GTPase Rho介导26,129.
小分子热休克蛋白在平滑肌中的作用
HSP27(热休克蛋白27)除了对物理和化学应激提供保护外,还可能参与肌动蛋白细胞骨架的调节4,5.体外生物化学研究表明,未磷酸化的HSP25(HSP27的小鼠和鸡同源物)通过荧光光谱和电子显微镜评估抑制肌动蛋白聚合。磷酸化HSP27失去抑制肌动蛋白丝组装的能力4,129-131已记录调节HSP27磷酸化的信号级联。在非肌肉细胞中,HSP27被MAP激酶激活蛋白(MAPKAP)激酶2(MK2)磷酸化,该激酶2通过p38 MAP激酶介导的磷酸化激活。p38 MAP激酶的上游调节因子包括PAK和其他激酶4,5平滑肌在收缩激活期间似乎共享类似的信号通路来磷酸化HSP274,124.
HSP27被认为调节分化平滑肌中的肌动蛋白细胞骨架,因为该蛋白在平滑肌中的高水平表达和与收缩蛋白的空间定位4,132有证据表明HSP27与调节平滑肌收缩的细胞过程有关。在渗透性平滑肌制剂中,抗HSP27抗体抑制激动剂诱导的收缩5,133,134此外,激动剂激活可诱导平滑肌组织中的HSP27磷酸化,该磷酸化被p38 MAP激酶抑制剂阻断。抑制HSP27磷酸化抑制血管紧张素Ⅱ诱导的血管收缩4.
据报道,通过forskolin治疗,血管平滑肌组织中的另一热休克蛋白HSP20在Ser-16处磷酸化。众所周知,毛喉素能增加细胞内能够激活蛋白激酶A(PKA)的cAMP浓度。HSP20磷酸化与血管平滑肌力量发展减少相关。然而,HSP20的磷酸化似乎不能解聚猪颈动脉中的丝状肌动蛋白。需要进一步研究来阐明HSP20磷酸化在肌动蛋白细胞骨架和平滑肌收缩中的作用4,15.