Nature ：机械力通过细胞骨架结构调控糖酵解

来源：BioArt

撰文 | 章台柳

细胞微环境的机械力通过重塑细胞骨架、调控肌动蛋白收缩而不断调节细胞的生长、存活、凋亡、分化和形态发生等一系列功能。微环境提供主动和被动的机械信号，通过机械传导引发生化信号，其中包围细胞材料的硬度就是线索之一。细胞主要通过整合素和钙粘素介导的粘附作用来感知环境的硬度，这种粘附作用将细胞外基质、环境与细胞内肌动蛋白细胞骨架相联系【1】。机械信号的反馈诱导细胞调整粘附作用的大小、组成和结构，并组织细胞骨架，且这些过程与细胞内信号级联反应相耦连。例如，在整合素介导的粘附中，粘着斑激酶（focal adhesion kinase，FAK）调控多种下游信号通路，包括促进细胞生长和存活的通路【2】。增加基质硬度导致这些通路在癌症、纤维化和其他疾病中活性增加。

新陈代谢为细胞功能和增殖提供能量和养料。正常细胞同时使用糖酵解和氧化磷酸化来满足代谢需求，而癌细胞为了满足恶性肿瘤增加的代谢需求，通常展现出有氧糖酵解增强【3】。目前已有研究揭示出细胞代谢活动和粘附、细胞骨架组织之间可能存在相互作用。然而，来自细胞环境的机械力和细胞代谢反应之间是否存在直接联系，仍需要进一步研究。 

2020年2月13日，来自德州大学西南医学中心的Christoph J. Burckhardt和Gaudenz Danuser合作在Nature杂志发表文章Mechanical regulation of glycolysis via cytoskeleton architecture，发现将人支气管上皮细胞（HBEC）从硬基质转移到软基质将导致限速代谢酶磷酸果糖激酶（PFK）的蛋白酶体降解，下调糖酵解速率。软基质导致应力纤维分解，释放了与F-actin蛋白束共定位的TRIM21，E3连接酶TRIM21靶向PFK介导其降解。而转化后的非小细胞肺癌细胞（NSCLC）其应力纤维束对基质的硬度不敏感，且应力纤维束将TRIM21固定并减少其酶活范围和作用半径，同时下调TRIM21的表达维持PFK的表达，从而在不同环境力学中都保持较高的糖酵解速率。

在肺的每一个呼吸周期中，人支气管上皮细胞（human bronchialepithelial cells，HBECs）都经历机械刺激；肺纤维化和肺癌增加细胞外基质的硬度，同时改变未转化细胞和恶性细胞的生物学特征和功能。研究人员选定HBECs作为研究对象，将其放置在刚性（胶原涂层玻璃）和软弹性胶原基底上。HBECs在硬、软基底上均可以延伸突出，表明两种情况下都有机械力参与；然而，细胞在肌动蛋白束的扩散和形成上形态不同。对细胞代谢谱进行分析，发现软基质培养的细胞糖酵解和三羧酸循环的代谢产物全面下调。葡萄糖-6-磷酸酯的积累、下游中间产物的消耗、糖酵解速率的降低都提示软基质导致细胞糖酵解的上游阶段出现阻滞。基因表达分析显示，软基质对大多数糖酵解酶的表达不影响，但磷酸果糖激酶（phosphofructokinase，PFK）三种亚型（血小板、肝脏和肌肉亚型）的表达都被下调，同时降低PFK的整体活性。PFK磷酸化果糖-6-磷酸酯，是糖酵解的限速步骤，能决定总糖酵解的速率。血小板亚型PFK（PFKP）是人类组织中表达最为普遍的PFK亚型，包括支气管上皮，所以研究人员选定PFKP作为下一步研究的对象。在HBEC76细胞系中过表达PFKP，并将之放置到软基质中，软基质显著降低PFKP蛋白含量，PFKP的差异表达是转录后调控。软基质能下调未转化HBEC3的糖酵解速率，而转化为癌细胞的转化型HBEC3在软基质上维持糖酵解速率；一系列病人来源的非小细胞肺癌（NSCLC）细胞系在软基质上维持其糖酵解速率，其PFKP表达不受影响。即细胞环境中机械力、PFKP的表达和未转化细胞的糖酵解之间具有联系，而这种联系在转化癌细胞中被多种致癌因子灭活。

细胞感知硬度的能力取决于肌动球蛋白的收缩力，在未转化的HBEC中抑制肌球蛋白II降低硬基质培养的HBEC76细胞的PFKP表达和糖酵解速率；低粘附降低细胞的PFKP表达和FAK磷酸化，肌动蛋白丝和整合素锚定结合的组织结构出现显著差异。在硬基质条件下，大量细胞的肌动蛋白丝（F-actin）组织从无序转变为成束，即较高的糖酵解速率与较厚的F-肌动蛋白结构有关。使用肌动蛋白单体隔离化合物latrunculin A直接靶向F-actin，导致F-actin蛋白束长度减少，PFKP表达降低。但latrunculin A对转化型癌细胞的糖酵解没有影响，且latrunculin A或基质的软硬对转化型癌细胞中F-actin成束的结构没有影响。

软基质如何降低PFKP蛋白含量？研究人员利用蛋白酶体抑制剂降低蛋白降解过程，显著增加泛素化标记蛋白含量和软基质培养细胞中PFKP的表达。PFKP中K281位对机械力诱导蛋白酶体降解和糖酵解降低非常重要。并且E3连接酶TRIM21能够靶向PFKP，使之进行蛋白酶体介导的降解过程。但基质的软硬对TRIM21的表达没有影响，TRIM21的功能或受到F-actin组织方式的调控。研究显示NSCLC细胞中，TRIM21和F-actin有非常强的共定位。增强细胞内应力纤维的形成，不仅增加与F-actin蛋白束共定位的TRIM21浓度，而且减少细胞质内弥散的TRIM21浓度，表明与F-actin的结合或限制TRIM21作为连接酶的活动范围和作用半径。过表达强F-actin结合因子——ACTN1（Y246E）突变体导致细胞在软基质中维持增强的肌动蛋白束结构，维持PFKP表达和糖酵解速率。

总的来说，研究证明了机械力-F-actin-TRIM21-PFKP-糖酵解的调控通路，揭示出肌动球蛋白细胞骨架结构调控糖酵解反应的机制，将细胞代谢和周围组织的力学特征耦连起来，为研究细胞微环境调控提供新的视角。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-1998-1

参考文献

1. Leckband, D. E., le Duc, Q., Wang, N. &de Rooij, J. Mechanotransduction at cadherin- mediatedadhesions.Curr.Opin.CellBiol.23,523–530(2011).

2. Schlaepfer, D. D., Hanks, S. K., Hunter, T.& van der Geer, P. Integrin-mediated signal transduction linked to Raspathway by GRB2 binding to focal adhesion kinase. Nature 372,786–791 (1994).

3. Warburg, O. On the origin of cancer cells.Science 123, 309–314 (1956).