Nature：内皮细胞的直接机械传感器——导向受体神经丛蛋白plexin D1

来源：BioArt

撰文 | 雪月

内皮细胞不断地受到血流的冲击，包括流体剪切应力的摩擦力（取决于血管的几何形状），这些作用力对内皮细胞可能具有保护性或致病性。当这些力发生紊乱时，会导致促炎基因的上调并甚至与动脉粥样硬化病变有关，但在正常生理条件下，这也力也会起在流动方向上细胞骨架的重构和内皮细胞的整齐排列【1】。内皮细胞机械传感器是最早对机械环境变化做出反应的传感器。剪切应力在心血管系统的发育和功能中的重要性更激发了人们对内皮细胞机械传感器的探究。

导向受体神经丛蛋白plexins是在轴突引导、肿瘤进展和免疫细胞调节中具有一系列重要功能的一类细胞受体。已知plexins主要通过与配体（semaphorin ligands）结合，以结合细胞或游离状态与其他共受体一起发挥作用，从而激发细胞内信号传递，导致细胞骨架和细胞粘附一系列变化【2】。

2020年2月6日，来自英国牛津大学的Ellie Tzima的课题组在Nature上发表题为The guidance receptor plexin D1 is a mechanosensor in endothelial cells的文章。该文章发现plexin D（PLXND1）在机械感应和机械诱导相关疾病发病机理中具有重要作用。作者发现 PLXND1是内皮细胞在体内外对切应力作出反应不可或缺的，并调节动脉粥样硬化病变斑块特异性分布。

作者首先在牛主动脉内皮细胞中沉默PLXND1的表达。检测发现沉默PLXND1的表达会导致切应力关键信号介导蛋白Akt, ERK1/2和eNOS激活受到抑制以及下游重要蛋白klf2、klf4、促炎因子CCL2、VCAM1的表达受阻。利用SEMA3E阻断抗体证实PLXND1的机械转导独立于其配体SEMA3E。沉默了PLXND1的牛主动脉内皮细胞不能对切应力作出反应导致细胞不能整齐排列，具有更杂乱的肌动蛋白排列。这些都表明PLXND1是内皮细胞中响应切应力的关键介导蛋白。

接下来作者用内皮细胞特异性敲除PLXND1的小鼠进一步验证。基因敲除小鼠内皮细胞中肌动蛋白应力纤维强度降低，内皮细胞伸长减少。作者用Apoe−/−小鼠探究PLXND1对动脉粥样硬化的影响。PLXND1敲除的小鼠的降主动脉的斑块负担加重，小鼠的内皮细胞不能较好的对切应力作出反应以及调控动脉粥样硬化的特定部位分布。

接下来作者利用磁性系统向含有识别PLXND1胞外域抗体的顺磁珠施加张力证明 PLXND1并不仅仅是感应切应力的一个参与者，而是切应力的直接传感器。作者在COS-7 细胞系中过表达机械感应复合物中的各个分子，并用免疫沉淀等方法分析了PLXND1在机械感应复合物中的角色，再次验证PLXND1是特异性的、直接的切应力感受器。

作者对PLXND1胞外域进行负染色电子显微镜分析发现PLXND1的主要构象是环状，也可以弯曲成一个更开放的构象【3】。作者进一步探索了PLXND1存在的两种不同的构象与功能的关系。作者构建了突变体PLXND1 (Y517C/A1135C) ，在PLXND1的胞外域的结构域1和9之间形成二硫键，稳定PLXND1在环状构象。分析发现PLXND1的环状结构可维持其配体依赖的信号转导功能，但会损害其感应切应力的能力。

总结来说，内皮细胞中PLXND1是直接切应力传感器，在机械感受复合物中具有不可或缺的作用。PLXND1通过采用两个不同的分子构象来实现其作为配体或切应力感受器的两种角色。尽管机械传感在生物学中很重要，但是我们对相关的认识还很有限。本文确定了内皮细胞中的机械传感器，并为理解配体依赖性和机械信号如何通过单个蛋白传递提供了模型。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-1979-4

参考文献

1. Givens, C. & Tzima, E. Endothelial mechanosignaling: does one sensor fit all? Antioxid. Redox Signal. 25, 373–388 (2016).

2. Sakurai, A. et al. Semaphorin 3E initiates antiangiogenic signaling through plexin D1 by regulating Arf6 and R-Ras. Mol. Cell. Biol. 30, 3086–3098 (2010).

3. Kong, Y. et al. Structural basis for plexin activation and regulation. Neuron 91, 548–560(2016).