核形状、力学和机械传递

摘要

介绍

机械传导描述了细胞通过将机械刺激转化为生化信号来响应物理环境变化的分子机制。这些机械变化或刺激可以是细胞外环境（如压缩、张力和流体剪切应力）对细胞施加的力，也可以是细胞对细胞外基质刚度变化的反应产生的细胞内力。例如，细胞能够根据细胞外基质的硬度调整其内部硬度，这清楚地表明了细胞与其环境之间的机械反馈¹在许多情况下，力反应是急性的，可能只是暂时影响细胞骨架和局部粘连或细胞内信使，如钙浓度。然而，机械传递通常是指细胞中的长期表型变化，通常是由机械诱导的基因表达变化引起的。细胞可以通过力诱导的分子水平上的构象变化来感知机械刺激和物理环境的变化，但许多分子机制仍不完全清楚。细胞外力可以刺激拉伸敏感性离子通道，激活整合素和其他焦点粘附蛋白，改变细胞骨架交联蛋白和肌球蛋白的浓度和构象²或通过肌动蛋白、中间丝或微管结构的构象变化重新排列细胞骨架（参见Janmey等人。^三和Vogel等人。⁴用于最近的评论）。

对于许多机械传递事件，力感基因转录的下游细胞路径，例如转录因子的激活，已经被很好地描述。拉伸敏感离子通道的开放可通过离子内流和细胞内储存的离子释放，导致细胞内离子浓度的变化，最常见的是钙^三离子通量的这些变化在细胞群体中广泛存在，可能具有不同的下游效应，包括激活导致基因转录变化的信号通路。同样，在整合素激活、细胞骨架交联蛋白重组或细胞骨架构象和/或组织的强制诱导变化后，细胞质蛋白可以直接或间接影响转录。转录因子，如核因子-κB（NF-κB），在机械刺激下从细胞质转移到细胞核，而蛋白级联如丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联可以在细胞骨架事件后激活转录因子⁵.

还有其他最近发现的例子，其中基因转录受到细胞骨架激活元件以及与核骨架结构相关的核蛋白的影响。通过与TGF-β结合的配体激活的R-Smad蛋白反过来与核组织蛋白MAN-1相互作用⁶核膜蛋白层粘连蛋白A和C的缺失可导致NF-kB调节的转录受损⁷细胞周期调节器和抑癌视网膜母细胞瘤蛋白（pRb）与核质层粘连蛋白和层粘连A相互作用^8,9层粘连蛋白A/C的表达水平与激活蛋白1（AP-1）的DNA结合和转录活性相关，后者反过来影响细胞增殖¹⁰除了细胞核中基因转录的这些和其他依赖于层粘连的变化外，还有许多其他假设机制将细胞核形状与细胞的机械转导反应联系起来。

细胞核本身被认为是一种细胞机械感受器，核形状的改变导致染色质结构和组织的构象变化，并直接影响转录调控。这篇综述将集中于与诱导机械力相关的核结构的改变，与细胞质的任何化学信号无关。为此，我们将描述原子核的结构、承重和力敏元件，并回顾其力学性能的研究。然后，我们将讨论细胞外基质、细胞骨架和细胞核之间力传递的拟议机制，以及核形状和结构的诱导变化如何调节细胞信号和功能，以适应细胞物理环境的改变。

原子核的结构成分

细胞核在结构和功能上可分为至少两个独立的区域，即核膜和核内部。核膜由两层磷脂双层膜（即与内质网相连的外核膜和内核膜）和核膜组成。内外核膜在核孔复合体处连接，允许核质转运。内核膜下面是核膜，这是一个主要由层粘连蛋白和层粘连相关蛋白组成的致密蛋白质网络。除了将层粘连到染色质结构和基因调节成分之外，这些层粘连蛋白还帮助将层粘着蛋白连接到内核膜并稳定层粘连网络。

核内部的定义不太明确。在核质内，DNA被缠绕在组蛋白上，组蛋白被组织成染色质纤维。这些纤维反过来被组织成染色体，在间期核内占据不同的、非随机的染色体区域¹¹核仁、Cajal体和PML体等核结构也作为不同的结构和功能元素存在，这些结构可能受到机械力的影响。在核内部发现了几种结构蛋白，例如核质层粘连蛋白A和层粘连蛋白质C¹²，核肌动蛋白¹³，核肌球蛋白¹⁴和核幽灵¹⁵尽管核内部存在这些结构蛋白，但整个核内部是否存在结构的、受力的核基质仍然是一个公开争论的问题^11,16.

层粘连蛋白病：与核结构相关的疾病

最近，通过研究与人类疾病相关的病理生理学变化，包括核膜蛋白突变，阐明了核结构和组织的许多生理功能。层粘连蛋白病是由编码层粘连A和C的LMNA基因突变引起的疾病。这一组超过12种疾病包括Emery-Dreifuss肌营养不良、肢体带状肌营养不良症、扩张型心肌病、Dunnigan型家族性部分脂肪营养不良和Hutchinson-Gilford早衰综合征（见Worman和Bonne⁷⁰用于最近的审查）。尽管层粘连蛋白A和C在几乎所有分化细胞中都有表达，但许多层粘连病都有组织特异性表型。到目前为止LMNA公司基因已鉴定；这些突变大多与肌营养不良有关，但有些突变对肌肉组织几乎没有影响。因此，目前尚不清楚同一蛋白质的不同突变如何导致如此广泛的疾病。这些疾病的分子机制尚不清楚，部分原因是核膜的功能尚不完全清楚。来自椎板病患者的细胞通常具有异常形状的细胞核和染色质组织的变化。“结构假说”是解释至少一些与椎板病相关的组织特异性缺陷的一个命题，它提出椎板蛋白A和C的功能丧失可能会增加细胞核脆性，并导致肌肉等机械应激组织中细胞死亡增加。事实上，Emery-Dreifuss肌营养不良患者的肌肉活检常显示细胞核碎片⁷¹、和实验核纤层蛋白^-/-小鼠胚胎成纤维细胞表明，这些细胞降低了细胞核硬度，增加了细胞核脆性，并增加了对机械应变的敏感性^7,28相反，Hutchinson Gilford早衰综合征（HGPS）是由LMNA公司由于蛋白质加工缺陷导致核膜处野生型和突变型层粘连蛋白A增加的突变^19,72导致核更硬、更不柔顺³²HGPS患者在几乎所有承重组织中都有严重的早衰表型：软骨、骨骼、皮肤、心血管等，但他们在脑和内脏等软组织中只表现出最小或没有缺陷。负重组织中存在的器官水平突变缺陷表明力在疾病进展中的作用。然而，正如上述章节所讨论的那样，层粘连蛋白不仅在核结构和稳定性方面发挥着重要作用，而且还直接和间接地与一些转录调控因子相互作用。通过这些相互作用，层粘连蛋白可以调节转录调控，但也有助于染色质组织和表观遗传变化。Lmna公司^-/-小鼠胚胎成纤维细胞的增殖发生改变核纤层蛋白^-/-成肌细胞分化受损⁷³同样，HGPS细胞核内部染色质组织发生变化，异染色质凝集丧失⁷⁴，和DNA损伤的积累⁷⁵因此，“基因调控假说”提出，这些转录调控因子相互作用的改变是导致疾病过多的原因。

重要的是，“结构假说”和“基因调控假说”并不是相互排斥的，事实上可以通过核机制转导相互关联。上的实验核纤层蛋白^-/-小鼠胚胎成纤维细胞表明，这些细胞对机械应变的反应减少了机械敏感性基因的激活，并削弱了转录激活⁷因此，核结构和功能的改变可能有助于提高细胞对机械应变的敏感性和改变转录调控。此外，由于机械环境可以指导干细胞分化⁷⁶，受损的机械传导信号可能导致核纤层蛋白^-/-成肌细胞^77,78除了细胞核本身之外，层粘连蛋白A和C以及其他核膜蛋白对于将细胞核与周围的细胞骨架进行物理连接至关重要；详见下文。

综上所述，这些观察结果使我们对基于特定类型和位置的椎板病有了更为不同的认识LMNA公司突变。影响骨骼肌和心肌的突变通常是错义突变^79,80影响蛋白质的稳定性或其聚合能力⁸¹.Lmna公司^-/-完全缺乏A型层粘连蛋白的小鼠会发展为严重的肌营养不良和扩张型心肌病⁷³作为Emery-Dreifuss肌营养不良症的动物模型^82-84A型核纤层蛋白的缺失导致核硬度降低和核脆性增加^27,33导致细胞对机械应力的敏感性增加，这可能导致核-细胞骨架耦合的进一步缺陷^73,85，机械传导信号⁷，组织再生^73,85,86，细胞增殖⁷³，和细胞分化^25,77,87然而，大多数人LMNA公司与肌营养不良相关的突变为常染色体显性⁷⁹表明这些突变的主要负面影响。有趣的是，大多数小鼠模型（例如。核纤层蛋白^{H222P（H222P）},核纤层蛋白^195K奈拉)需要突变层粘连蛋白的纯合表达来诱导表型⁸⁴尽管最近的一份报告表明核纤层蛋白^+/-小鼠导致迟发性扩张型心肌病⁸⁶.Lmna公司^高/高和核纤层蛋白^汞/+表达前体蛋白结构的小鼠表现出剂量依赖性效应，这种效应也可以通过野生型层粘连蛋白a的水平进行调节^88,89孕激素可以改变A型和B型层粘连均聚物的分离⁹⁰并影响野生型层粘连蛋白的扩散流动性⁵⁹.荧光标记层粘连蛋白的光漂白实验表明LMNA公司突变增加了蛋白质的流动性，最严重的影响见于中心杆状结构域的突变^12,91综上所述，这些发现表明，至少一些突变的层粘连蛋白可以调节野生型层粘连的稳定性和聚合，通常影响整体核结构、稳定性和功能，为特定层粘连a/C突变的一些主要负面影响提供了可能的解释。层粘连蛋白A/C的功能丧失导致核硬度降低，这可能有助于增加细胞对机械应力的敏感性，以及核-细胞骨架耦合、机械传导信号、组织再生、细胞增殖和细胞分化（如肌管融合）中的其他缺陷，可能导致某些椎板病中出现渐进性肌肉表型。不影响层粘连蛋白A/C本身的整体稳定性或其聚合动力学，但可以改变特定层粘连功能（例如与转录因子的相互作用）的层粘连突变可能是一些更特殊的层粘着病的原因，例如家族性部分性脂质营养不良。导致家族性部分性脂肪营养不良的大多数突变聚集在一起，并改变层粘连尾Ig-fold上的正电荷⁹²HGPS患者的细胞增加了细胞核硬度、染色质组织改变和细胞过早衰老，可能改变干细胞的维持和分化。最近，我们小组已经证明，细胞对机械应力敏感性的增加也可能导致HGPS动脉硬化的发展⁹³因此，层粘连病可以被认为是一系列疾病，其特定表型导致特定层粘连功能受到特定突变的干扰。

原子核的力学性质

上述例子说明了组织级疾病是如何由核结构蛋白突变引起的；这些疾病还与细胞核形状、结构和硬度的变化有关。机械力向核内部的传递和诱导的核变形，从而直接或间接调节基因转录，取决于整个核的机械特性及其与周围细胞骨架的物理联系。在这里，我们讨论了相间核的正常力学性质，并解释了哪些核成分是核稳定性的主要决定因素。有关测量核力学方法的更多详细信息，请参阅Lammerding，Dahl等人最近的评论。⁹⁴

尽管核刚度测量的准确值变化超过两个数量级，范围从0.1 kPa到10 kPa^95-98根据所选的细胞类型和实验方法，大多数研究都认为间期细胞核明显比周围的细胞质坚硬。例如，平行板压缩实验显示内皮细胞核的有效弹性为8 kPa，而细胞质为0.5 kPa⁹⁵软骨细胞核的微量吸液管抽吸研究产生了1至5 kPa的静态弹性模量，数据最适合三参数粘弹性模型⁹⁶通过微吸管抽吸进行的其他核力学研究也发现了人类HeLa细胞的细胞核⁹⁹和TC7灵长类上皮细胞¹⁰⁰粘弹性。在之前的研究中，HeLa核表现为粘弹性固体；在后一个实验中，发现核具有更复杂的粘弹性流变性。这些力学上的差异可能反映了不同的核组织，例如核膜或内部的层粘连A/C密度改变和/或染色质组织的改变。

我们目前的理解是，层粘连蛋白提供了层粘连蛋白和整个细胞核的大部分结构和机械支撑。层粘连蛋白可以进一步稳定层粘连并将其连接到核膜和染色质结构。层压板被证明是一个刚性的承重元件，对核的结构完整性是必要的^34,100.核在层压板中组装-完成爪蟾鸡蛋提取物非常易碎¹⁰¹和小鼠细胞核核纤层蛋白^-/-电池的机械强度弱⁷.体外重组层粘连蛋白B1长丝溶液的流变学测量表明，这些长丝表现为坚硬但有弹性的材料，表现出应变硬化，其机械强度与其他中间长丝相当¹⁰².直接机械测量爪蟾卵母细胞核也显示就地有组织的薄板充当刚性、弹性的二维网络³⁴而层粘连蛋白和染色质很可能都会导致核僵硬⁵⁹，层粘连蛋白浓度的改变，特别是A型层粘连，被认为可以调节核力学³³我们最近的研究表明，A型层粘连蛋白是导致核僵硬的主要因素，而层粘连B1的缺失会导致核泡增多，但核僵硬没有变化³³同样，只有异位层粘连蛋白A的表达，而非层粘连膜B1的表达，才能恢复核僵硬核纤层蛋白^-/-小鼠胚胎成纤维细胞³³这些和其他研究^90,103提示A型和B型层粘连可能形成具有特定结构差异的不同网络。

除了核层之外，核内部也有助于核的力学行为。核层压板，尤其是A型层压板，也存在于核内部并与核层压板交换¹²这些内部层粘连蛋白和层粘连结合蛋白（如LAP2α）的存在可以提供核质内的结构和组织。染色质本身也被认为为细胞核提供结构和机械稳定性¹⁰⁰染色质结构高度纠缠和相互连接，比倾向于弹性拉伸的薄层网络具有更大的粘性或“流动”性⁵⁹染色质也会在高机械应力下发生塑性变形，即永久变形⁵⁹染色质组织（即异染色质与常染色质）在核力学中的作用尚未进行力学研究，但二价盐对染色质的改变¹⁰⁰异染色质蛋白的上调^59,104似乎既减少了细胞核内染色质的运动，又使染色质变硬。

核机械传导的拟议机制

核力学性质的知识可以定量评估核变形对给定力的响应。根据上述章节中大致定义的核部件刚度，下一步是确定作用于核的生理力。通常，这些力来自作用于细胞外基质或细胞内过程的力（例如肌动蛋白-肌球蛋白相互作用），并被认为通过细胞骨架传递到细胞核。

力向核的传递：细胞骨架-核连接性

众所周知，细胞骨架的组织积极参与细胞感知机械应力并将其转化为生物反应的能力。一般来说，细胞骨架由三种不同的成分组成：肌动蛋白微丝、微管和中间丝^105-107肌动蛋白细胞骨架被认为能提供伸长和收缩力，并能承受压缩力的微管形成极化网络，使细胞器和蛋白质在整个细胞内运动。中间纤维提供额外的结构增强。这些结构特征共同作用，提供细胞形状、支撑和机械完整性^108,109是细胞运动和分裂所必需的¹¹⁰细胞骨架具有复杂的粘弹性，反映了其复杂和异质的组成和组织。

细胞通过黏附点锚定在细胞外基质上，黏附点是由跨膜整合素和其他蛋白质组成的离散复合物，如黏附点激酶（FAK）、塔利班和小病毒蛋白，这些蛋白质允许细胞与细胞外基质“沟通”^111,112在建立局灶性粘连后，通过肌动蛋白相关分子马达的作用，相互连接的肌动蛋白纤维受到应力。细胞粘附^1,113，形状¹（Discher等人，2005年），运动^1,114和差异化⁷⁶可以通过细胞外基质的硬度和局部粘连的形成进行调节。因此，细胞外基质的性质，包括其机械特性，通过局灶性粘附传递到细胞的细胞骨架网络。

如上所述，实验证据表明，层粘连结构作为结构元素在维持正常核力学和细胞机械传导中发挥着关键作用^7,32-34A型层粘连蛋白的作用似乎比B型层粘着蛋白更具影响力³³一些实验结果表明，A型层粘连蛋白的表达也会影响细胞质的机械特性和细胞骨架元件的组织。肌细胞分离自核纤层蛋白^-/-小鼠结蛋白中间丝和核表面之间的连接显著减少，这与整体细胞形状的显著改变有关⁷³.Lmna公司^-/-细胞在肌动蛋白、波形蛋白和微管蛋白基细丝的组织中有相当大的扰动¹¹⁵此外核纤层蛋白^-/-小鼠胚胎成纤维细胞类似于肌动蛋白和微管被化学破坏的野生型细胞⁸⁵这些研究都表明，核骨架与肌动蛋白、中间丝和微管细胞骨架成分之间存在着实质性的物理相互作用。在功能上核纤层蛋白^-/-细胞导致微管组织中心（MTOC）定位错误和细胞迁移速度改变⁸⁵.

细胞骨架和核膜之间的物理连接提供了一种将细胞外和细胞骨架力传递到细胞核的机制，这对核机械传递至关重要。图1提供了我们目前对核细胞骨架偶联的理解的概述。太阳1^116-118和SUN2¹¹⁹是包含Sad1-UNC同源结构域（SUN）的内核膜蛋白质，该同源结构域延伸到内核膜和外核膜之间的核周空间⁴³在核质方面，SUN蛋白可以与层粘连蛋白、核孔复合体和其他未知蛋白质相互作用。Nesprin蛋白可以通过一个高度保守的C末端KASH结构域（Klarsicht，Anc-1，Syne同源性）与SUN蛋白跨核空间结合，该结构域由跨膜结构域和与SUN1/2相互作用的管腔结构域组成⁴³最近的研究结果表明，核膜蛋白nesprin-1和-2的突变也可能导致Emery-Dreifuss型肌营养不良¹²⁰一些较小的nesprin-1和-2亚型定位于内核膜并直接与层粘连蛋白A结合^120,121，许多nesprin亚型，包括nesprin-3和nesprin-1和-2的较大亚型，都是外核膜蛋白^122,123nesprin-1和-2的最大亚型包含N末端肌动蛋白结合域，而nesprin-3包含一个与果胶结合的位点，该位点稳定地与中间丝结合^117,123这种由SUN蛋白和nesprin蛋白结合形成的蛋白质复合物，允许中间丝/肌动蛋白细胞骨架和核质之间通过a型层粘连形成物理连接，因此被恰当地命名为LINC（细胞核和细胞骨架连接子）复合物¹¹⁷其他层粘连相关蛋白，如内核膜蛋白emerin，被认为是LINC复合体的活性成分³⁵Emerin与层粘连蛋白、染色质和内核膜nesprins稳定相互作用^43,124在emerin缺乏的细胞中，细胞核形状异常，细胞机械传导也存在其他缺陷^125,126去除其他内核膜层粘连相关蛋白（如LEM2）也会导致核形态严重改变，但机制尚未确定¹²⁷上述发现表明，有几种可能是多余的蛋白质复合物可以将细胞骨架连接到核骨架上。

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图1

细胞外基质到细胞核的力传递途径

外力可以通过基底应变或流体剪切应力作用于电池。整合素和其他粘附分子将肌动蛋白细胞骨架与细胞外基质物理耦合，并能对细胞外配体和细胞内信号作出反应。细胞骨架交联剂（如plectin）可以连接肌动蛋白丝、中间丝和微管。凝集素还可以直接与外核膜上的nesprin-3结合，而nesprin-1和-2的巨大亚型包含N末端肌动蛋白结合域。在核膜上，nesprins通过其C末端KASH结构域与SUN蛋白相互作用，SUN蛋白穿过核周间隙。在细胞核内膜，SUN蛋白可以与层粘连蛋白和其他核膜蛋白结合，后者又可以与DNA和染色质结合，完成细胞核和细胞骨架之间的物理连接。单元元件未按比例绘制。

一些证据也表明微管和核膜之间存在直接联系。在核膜破裂期间，微管直接与核膜相互作用，并可能在机械上促进核膜破裂¹²⁸微管解聚药物诺卡唑处理的细胞在核膜破裂的后期缺乏¹²⁹最近的发现进一步支持了微管与核膜的直接耦合，即在缺乏emerin或A型层粘连的细胞中，MTOC常常与细胞核分离⁸⁵此外，最近研究表明，emerin可以直接与β-微管蛋白相互作用，从而充当中心体的对接元件¹³⁰其他研究小组认为，细胞核和微管之间的物理耦合可以通过nesprins与驱动蛋白运动蛋白的相互作用来介导¹³¹微管通过交联剂和/或运动蛋白与肌动蛋白和中间丝相互作用¹⁰⁹因此，观察到的MTOC本地化变化可能核纤层蛋白^-/-细胞可能是肌动蛋白和中间丝组织改变的间接结果。

核形状和细胞特化

细胞核通常为球形或椭球形。然而，由于结构蛋白和结合蛋白表达的变化，一些特殊细胞在分化和成熟过程中的核形状发生了巨大变化。例如，精子细胞的细胞核极为细长¹⁴⁰此外，中性粒细胞会形成极为小叶化的细胞核，这与层粘连蛋白A/C的丧失有关¹⁴¹和层粘连蛋白B受体（LBR）的表达¹⁴²人类胚胎干细胞有大而圆的细胞核，染色质极易移动，不表达A型核纤层蛋白。随着细胞分化，细胞表型的改变与组蛋白迁移率测定的染色质运动减少相关¹⁰⁴，上调A型层粘连成分²⁵核形状和刚度的变化⁵⁹因此，随着许多细胞的分化，人们可以观察到核形状和结构以及细胞功能和表型的伴随变化。功能改变可能是由于染色质结构的改变增加了分化所必需的特殊基因的可及性，或者相反，减少了“不必要的”基因对转录因子的可获性。在许多情况下，人们还可以推测细胞核形状和结构的适应与细胞的功能直接相关：例如，中性粒细胞中更易变形的分叶细胞核可以增加细胞间易位。

对细胞核形状和结构的研究揭示了形状变化和细胞表型变化之间的密切关系。托马斯和同事通过微加工图案控制细胞环境，表明胶原蛋白合成与细胞核形状的相关性比与细胞形状的相关性更强¹⁴³对乳腺上皮细胞组织形态发生的研究表明，改变核组织可以调节细胞和组织表型¹⁴⁴软骨细胞核中压缩诱导的形状变化也与软骨成分和密度的变化相关¹³⁶当观察到病理状态时，这种相关行为变得更加引人注目。核大体形态的畸变，如核大小的增加、核形状的改变和核结构域的丢失，通常用于鉴别癌组织¹⁴⁵一项关于乳腺癌细胞的研究，这些细胞受其机械和结构环境的影响¹⁴⁶，发现癌症表型和核形态之间的相关性比细胞形态和癌症之间的相关性更强¹⁴⁷许多癌症与核结构蛋白的变化有关。例如，与对照细胞相比，层粘连蛋白A和C在卵巢癌中过度表达¹⁴⁸前列腺癌中层粘连蛋白B水平的升高与肿瘤分化密切相关⁸⁷重要的是，核硬度的变化可以作为肿瘤细胞流动性和转移潜能增加的指标^149,150如前所述，由于层粘连蛋白A/C的丢失和肺叶化导致的核硬度降低可能有助于中性粒细胞和其他细胞在内皮细胞外渗过程中挤压内皮细胞。这些观察到的核形状变化可能反映了染色质结构的变化，以调节基因的可及性，核膜组成的差异导致易位所需的核硬度改变，或两者兼而有之。

结论与展望

上述实例清楚地表明，在许多生理和病理情况下，特别是当涉及力时，核的形状、结构和/或硬度与细胞功能和表型密切相关。然而，即使有关于细胞中受力元件连接的丰富信息，以及椎板病、转基因和RNAi研究提供的见解，对力在核机械传递中的直接作用的机制性理解仍然很少或根本没有。生物系统的复杂性，我们对许多核结构蛋白的功能和组织的有限知识，以及这些蛋白与DNA本身的紧密联系，使得很难解耦机械事件。例如，在HGPS中，突变型和野生型层粘连蛋白都聚集在核膜上，导致核膜变硬³²然而，核内部层粘连蛋白A的同时减少导致异染色质的丢失和染色质组织的其他变化⁷⁴因此，将由硬化的核膜引起的表型细胞变化与表观遗传变化解耦将是一项挑战。

鸣谢

脚注

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