近日，西安交通大学生命学院仿生工程与生物力学研究所（BEBC）在《Science Advances》上，以封面论文形式发表题为“Nanoscale Integrin Cluster Dynamics Controls Cellular Mechanosensing via FAKY397 Phosphorylation”的研究成果。该研究建立了整合素团簇（integrin cluster）依赖的细胞力学信号转导模型，探讨了细胞通过整合素团簇将力学信号转导为生化信号的过程及其分子机制，从细胞骨架牵张力作用下整合素团簇生存时间的角度揭示了基质刚度依赖的细胞黏着斑激酶磷酸化水平差异的分子机制。研究成果为进一步理解“应力-生长”理论提供了重要依据。同时，研究成果也被《Science Advances》特别推荐在其主页上。
研究成果被《Science Advances》特别推荐在其主页上
细胞力学信号转导的研究现况与挑战：
生物体内，细胞始终受到多种形式的力学刺激。例如：在心脏舒张、收缩过程中，心肌细胞受到周期性的拉应变刺激。此外，不同的组织内，细胞周围基质的刚度也有所不同（从脑组织的102 Pa到骨组织的109 Pa）。细胞膜上的整合素是一种力学感受蛋白，其一端黏附在细胞周围基质上，另一端黏附在细胞骨架（细胞内部蛋白质纤维构成的网络结构系统）上，形成了力学传导网络。细胞骨架的收缩可以通过整合素，以张力形式作用于细胞周围基质，并将力学刺激信号转导为生化信号，进而激活细胞内一系列应答反应，影响细胞的迁移、增殖和分化等正常生理行为，以及癌症及组织纤维化等病理过程。例如，细胞周围基质刚度的不同可显著影响干细胞的分化行为：当干细胞培养的基质刚度与在体神经组织刚度接近时（<1 kPa），可以促进干细胞向神经细胞分化；当基质刚度接近在体肌肉组织的刚度时（8-17 kPa），干细胞分化为成肌细胞；而较硬基质（25-100 kPa）则可以促进干细胞向成骨细胞分化。细胞周围基质刚度的异常变化常常引起疾病的产生（诸如癌症及纤维化）。例如，在针对癌的发生、发展的研究当中发现，细胞周围基质刚度的提高可以进一步诱导细胞膜上整合素的高表达，进而促进细胞的癌变和转移。然而细胞是如何通过整合素依赖的力敏感过程将细胞外力学刺激信号转导为细胞内生化信号及其分子机制是当前力学生物学领域迫切需要解决的科学问题之一。因此，深入研究不同基质刚度作用下细胞膜上整合素介导的力-化转导机制，有助于帮助人们理解细胞如何通过细胞黏附响应外界力学信号，并为治疗相关疾病提供相应的药物靶点。
成果简介：
BEBC研究人员通过耦合整合素分子的激活/聚集动力学过程、整合素团簇分子键的断裂解离及其内部黏着斑激酶磷酸化这三个过程，建立了整合素团簇（integrin cluster）依赖的细胞力学信号转导模型，刻画了不同的细胞周围基质刚度（力学信号）与不同种类细胞黏着斑激酶（FAKY397）磷酸化水平（生化信号）的量化关系，并得到了细胞生物学实验结果的验证。另外，研究人员还发现：使细胞产生不同的FAKY397磷酸化水平的主要影响因素是细胞骨架牵张力作用下整合素团簇的生存时间（lifetime of cluster），而不是FAK分子微观动力学速率的改变，从而揭示了基质刚度依赖的FAKY397磷酸化水平差异的分子机制。
图1. 基质刚度依赖的整合素团簇形成
研究人员首先构建了二维空间蒙特卡洛模型，并对细胞膜上整合素团簇形成的动力学过程进行模拟分析。失活态的整合素需要与踝蛋白或者纤连蛋白发生相互作用，导致其跨膜结构域构型发生变化，进而变成激活态的整合素。随后，激活态整合素之间可以通过其跨膜区域或者细胞膜上PI(4,5)P2发生侧向相互作用，形成整合素团簇结构。在模拟的初始时刻，整合素分子均匀分散在模拟区域内。随着模拟时间的逐渐增加，模拟区域内整合素之间逐渐发生聚集，同时整合素团簇数目逐渐增多，整合素数目分布逐渐达到稳态，与实验中观察到的实验现象相吻合。
图2. 整合素团簇分子键寿期、基质刚度及整合素数目的关系
随后，研究人员建立了细胞骨架牵张力作用下整合素团簇粘附分子键断裂模型，对整合素团簇在不同基质刚度下解离及成熟过程进行分析。整合素团簇断裂模型包含了张力单元依赖的分子键断裂动力学过程，并将每一个整合素分子抽象为一个线性弹簧。此外，细胞黏附相关蛋白（Kank）随时间的增加，逐渐募集到整合素团簇的周围，使得团簇中分子键动力学由逆锁键转变成滑移键。计算模型显示，整合素团簇的生存时间在硬基质上最大，而在软基质上最小。综上所述，细胞可以通过张力单元与整合素团簇形成的力敏感复合体感知基质刚度，使细胞在较硬的基质上能产生更大、寿命更长的整合素团簇，有利于细胞形成成熟黏附斑。因此，整合素的密度与基质刚度是控制整合素团簇动力学行为的两个主要因素。
图3. 整合素团簇依赖的FAKY397磷酸化数学模型及其
预测的FAKpY397、整合素数目及基质刚度的关系
为了进一步解析整合素团簇内发生的FAKY397磷酸化过程，研究人员在整合素团簇粘附分子键断裂模型基础上，建立了基于粒子运动的三维空间蒙特卡洛模型，模拟了整合素团簇内的FAKY397磷酸化动力学过程。模拟结果表明FAKpY397分子与成簇的整合素分子数目呈单调线性上升关系，与现有实验现象相吻合。该模型揭示了在不同刚度基质上，使细胞产生不同水平的FAKY397的主要影响因素是整合素团簇的生存时间（lifetime of cluster）而不是FAK分子微观动力学速率的改变。
该研究详细分析了在不同类型细胞中，整合素依赖的力-生化信号转导过程（即基质硬度转化为FAKY397磷酸化水平）。由于在高刚度基质上，整合素激活速率上升，活性增强，进而激活下游信号分子（黏着斑激酶），完成力-生化信号转导过程，最终影响细胞的生理行为。然而，整合素的异常表达与疾病的发生与发展密切相关，诸如β3整合素的高表达促进乳腺癌的转移；β1整合素在心肌纤维化的过程中含量逐步升高。因此该研究为进一步开发针对以整合素为靶向分子的药物提供了坚实的理论基础。
该论文第一作者是生命学院博士生程波、口腔医院博士生万婉婷，通讯作者是林敏教授。同时，该研究得到了卢天健教授、徐峰教授、华盛顿大学圣路易斯分校Guy Genin教授、加利福尼亚大学伯克利分校Mohammad R. K. Mofrad教授等的大力协助。该研究获得了国家自然科学基金、陕西省青年拔尖人才支持计划，陕西省基金的资助。
BEBC通过理解和探索人体组织/细胞的力学行为和力学环境，将力学与工程学、生物医学等领域进行交叉融合，通过“临床问题（BED）- 实验室研究（BENCH）- 临床应用（BED）”的研究策略，分别从组织、细胞和分子层次，系统开展了多尺度生物热-力-电耦合学的基础和应用研究，并将成果应用于药物筛选、疾病诊治和航天医学等生物医学领域，为公共卫生领域制定干预措施供了多元化新思路。
论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/10/eaax1909
