Piezo1 机械敏感离子通道介导成年大鼠心脏成纤维细胞中拉伸诱导的 Nppb 表达

Piezo1 机械敏感离子通道介导成年大鼠心脏成纤维细胞中拉伸诱导的 Nppb 表达

机械因素影响细胞的形态和功能。特别是在心脏中,机械信号包括心肌壁的循环收缩和舒张力,在充盈期导致心腔伸展的血流动力学负荷,以及在收缩期增加的壁应力。已知这些因素可调节心肌功能、基因表达和结构外观。


心血管组织由心肌细胞、成纤维细胞、血管和免疫细胞组成,它们位于心肌细胞外基质(ECM)内。作为对损伤的反应,心肌成纤维细胞被激活并分化为肌成纤维细胞。这些肌成纤维细胞具有特殊的形态和功能特征,例如表达 α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA,由 ACTA2 基因编码)。转化生长因子β1TGFβ1)被称为肌成纤维细胞分化的既定刺激因子。除了生化因素外,机械应变和 ECM 刚度等机械信号在调节肌成纤维细胞分化方面也发挥着重要作用。心肌成纤维细胞表达许多不同的机械敏感离子通道,这些离子通道与细胞表型和功能的改变有关。

心血管组织可产生利钠肽以响应壁拉伸。利钠肽分为心房利钠肽(ANPNPPA 基因编码)、脑利钠肽(BNPNPPB 基因编码)和 C型利钠肽(CNPNPPC 基因编码)三种。ANP BNP 存在于多种组织中,但它们主要分别在心房或心室中产生。CNP 主要在内皮细胞中产生。循环拉伸诱导成年兔心肌细胞和人胚胎干细胞衍生的心肌细胞(hESC-CMs)中 Nppa Nppb 表达增加。

BNP 抑制胶原蛋白的产生和成纤维细胞的增殖,以及培养的人心肌成纤维细胞中促纤维化和炎症基因 TGFβ 激活。Nppb 敲除小鼠因主动脉收缩而承受超负荷压力显示纤维化增加以及 Tgfb3 Col1a1 mRNA 水平增加。BNP 在心脏中的有益作用导致了旨在增加心力衰竭患者 BNP 信号传导的药物治疗。

虽然普遍认为心肌细胞产生 BNP ,但一些研究表明它也是由心肌成纤维细胞合成的。研究发现,人类心肌成纤维细胞的拉伸增加了 NPPB 的表达。然而,拉伸诱导的心成纤维细胞中 NPPB 表达的机制尚不清楚。Blythe 及其同事发现,Piezo1 的存在是小鼠和人类心成纤维细胞中的功能性 Ca2+ 可渗透机械敏感离子通道。因此,荷兰马斯特里赫特大学心血管疾病研究所、英国利兹大学心血管和代谢医学研究所的一项研究假设心成纤维细胞拉伸诱导的 NPPB 表达是由机械敏感离子通道 Piezo1 介导的。


Piezo1 机械敏感离子通道介导成年大鼠心脏成纤维细胞中拉伸诱导的 Nppb 表达



机械拉伸诱导心肌成纤维细胞中 BNP 的表达

与未拉伸的对照组相比,暴露于循环拉伸(10%1 Hz4h 的心肌成纤维细胞显示 Tgfb1(转化生长因子b1)、Tnc(肌钙蛋白C)、Ctgf(结缔组织生长因子)和 Acta2(肌动蛋白)的 mRNA 表达显著增加(图1 a)。在 24h 的循环拉伸后,Tgfb1Ctgf Acta2 的效果仍然存在(图1 b)。有趣的是,与未拉伸的对照相比,拉伸 4h Nppb mRNA 表达显著上调 6.6 倍(图1 a),24h 拉伸后显著上调 3.2 倍(图1 b)。与未拉伸的细胞相比,拉伸 24h 后从条件培养基中测量,拉伸细胞中的 BNP 蛋白分泌上调 5.3 倍(图1 c)。Nppa Nppc mRNA 表达低于检测限。循环拉伸 4h(图1 a)或 24h(图1 b)后不影响机械敏感离子通道 Piezo1 mRNA 表达。


Piezo1 机械敏感离子通道介导成年大鼠心脏成纤维细胞中拉伸诱导的 Nppb 表达

图1 心肌成纤维细胞暴露于 10%,1 Hz 循环拉伸(S)或非拉伸(NS)条件下4 小时(a)或 24 小时(b)时 Nppb、Tgfb1、Tnc、Ctgf、Acta2 和 Piezo1 的相对 mRNA 表达水平。来自拉伸和非拉伸心肌成纤维细胞的条件培养基中的 BNP 蛋白浓度(c)。



重组 BNP 抑制心肌成纤维细胞中促纤维化基因的表达

为了证实 BNP 的抗纤维化作用,用重组 BNP 与或不与 TGFβ1 刺激心肌成纤维细胞 4h 24h。通过 RT-qPCR 研究 Acta2 Ctgf 在心肌成纤维细胞中的表达。在加入 BNP 后,无论有和没有 TGFβ14h Acta2 的表达显著降低(图2 a)。这种效果在 24h 后不再保持(图2 b)。Ctgf 也观察到了类似的趋势,但未能达到统计学意义。


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图2 暴露于重组 BNP 和/或 TGFβ1 的心肌成纤维细胞 4 h(a)和 24 h(b)后 Ctgf 和 Acta2 的相对 mRNA 表达水平。



心肌细胞和心肌成纤维细胞均表达 Nppb

为了研究心肌成纤维细胞与心肌细胞相比 Nppb 的相对 mRNA 表达,对成年大鼠心肌细胞和心肌成纤维细胞进行了 RT-qPCR。与心肌细胞相比,心肌成纤维细胞的 Myh7(肌细胞标志物)的表达降低了 300 倍(图3 b),Col1a1 的表达高 500 倍(图3 c)。与心肌成纤维细胞相比,心肌细胞中 Nppb 的表达高出 20 倍,这表明成纤维细胞不是心肌 Nppb 表达的主要来源,至少在基础条件下是这样(图3 a)。


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图3 Nppb(a)Myh7(b)和 Col1a1(c)在心肌细胞(CM)和心肌成纤维细胞(CF)中的相对 mRNA 表达水平。



拉伸诱导的 Nppb 和 Tgfb1 表达由 Piezo1 介导

为了深入了解 Piezo1 激活在心肌成纤维细胞中的功能作用,首先研究了 Piezo1 激动剂 Yoda1 的作用。用 10 µM Yoda1 处理未拉伸的成纤维细胞 4h 显著增加了 Tgfb1Tnc Nppb mRNA 表达(图4 a)。Yoda1 刺激也显著增加了 Piezo1 mRNA 的表达。

接下来,探讨了 siRNA 介导的 Piezo1 沉默的影响。Piezo1 沉默成功地将 Piezo1 的表达降低了大约 80% (4 b)。Piezo1 沉默在非拉伸条件下增加了 Ctgf 的表达,以及拉伸下的 Tnc Acta2 的表达水平。Piezo1 沉默后,拉伸诱导的 Tgfb1 表达增加不存在(图4 b)。同时,Piezo1 沉默也阻止了拉伸诱导的 Nppb 表达,这支持了拉伸诱导的 Nppb 表达是 Piezo1 介导的假设。


Piezo1 机械敏感离子通道介导成年大鼠心脏成纤维细胞中拉伸诱导的 Nppb 表达

图4
(a)Piezo1激动剂Yoda1刺激 4h 后心肌成纤维细胞 Nppb、Tgfb1、Tnc、Ctgf、Acta2 和 Piezo1 的相对 mRNA 表达水平。
(b)用对照 siRNA(Scrambled SI)或 Piezo1 特异性 siRNA(Piezo1 SI)转染后,暴露于 10%,1 Hz 循环拉伸 6 小时(S)或非拉伸(NS)条件下的心肌成纤维细胞中 Nppb、Tgfb1、Tnc、Ctgf、Acta2 以及 Piezo1 的相对 mRNA 表达水平。



总之,该研究表明,成年大鼠心肌成纤维细胞中拉伸诱导的 Nppb 和 Tgfb1 表达均由机械敏感离子通道 Piezo1 介导。此外,拉伸的心肌成纤维细胞中 BNP 蛋白水平上调,重组 BNP 抑制心肌成纤维细胞中 TGFβ1 诱导的 Acta2 表达。这些结果表明,Piezo1 是一种重要的机械敏感离子通道,可介导拉伸诱导的心肌成纤维细胞活化。


参考文献:Ploeg MC, Munts C, Prinzen FW, Turner NA, van Bilsen M, van Nieuwenhoven FA. Piezo1 Mechanosensitive Ion Channel Mediates Stretch-Induced Nppb Expression in Adult Rat Cardiac Fibroblasts. Cells. 2021 Jul 9;10(7):1745. doi: 10.3390/cells10071745. PMID: 34359915; PMCID: PMC8303625.
原文链接:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34359915/
图片来源:所有图片均来源于参考文献

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