剪切应力诱导基质细胞CCN蛋白的调控及功能

剪切应力是由粘性流体流动施加的摩擦阻力。我们体内最常见的剪切应力形式是由血液循环产生的，血液循环对血管系统至关重要。此外，细胞周围的间质液流动也可以由机械力产生，并对细胞施加剪切应力。基质细胞通讯网络（CCN）蛋白家族被认为参与介导剪切应力相关信号传导。

CCN蛋白家族是一组细胞间基质蛋白，由六个成员CCN1-6组成，具有独特的四结构域富含半胱氨酸，除CCN5缺乏第四结构域。分泌的CCN蛋白主要与细胞表面整合素受体结合，包括αVβ3、αVβ5、α5β1、α6β1、αIIBβ3、αMβ2和αDβ2，介导其在调节细胞生长、凋亡、衰老、自噬、迁移、分化和炎症方面的多种功能。CCN蛋白的特定功能取决于环境和细胞类型。基因敲除（KO）研究表明CCN蛋白在心血管和骨骼系统中的主要功能，这两个主要系统中CCN的表达受剪切应力调节。

最近，在国立成功大学医学院细胞生物学与解剖学系、基础医学研究所、附设医院骨科课题组的一项综述中，阐述了剪切应力调控CCN蛋白在生理条件、疾病和细胞培养模型中的表达和功能，相关内容发表在 Journal of Cell Communication and Signaling 期刊题为 “The regulation and functions of the matricellular CCN proteins induced by shear stress”。

血流动力学剪切应力和CCN蛋白

作为基质细胞蛋白家族，CCN1/CYR61和CCN2/CTGF（结缔组织生长因子）的表达通过激活机械传感器YAP/TAZ信号，在振荡剪切应力（OSS）作用下的内皮细胞、体外流动室或小鼠颈动脉结扎引起的内皮细胞中被诱导。OSS增加EC中CCN1和CCN2的mRNA水平，而层流剪切应力（LSS）则抑制CCN1和CCN2的表达。OSS对YAP的激活至少可以通过涉及整合素α5β1的两种途径来实现。扰动流诱导内皮下基底膜从富含胶原蛋白和层粘连蛋白的基质重塑为富含纤连蛋白的临时基质，这使EC对氧化的低密度脂蛋白和高血糖引起的不良反应敏感。OSS下内皮α5β1和纤连蛋白结合磷酸化并激活胞质蛋白激酶c-Abl，随后诱导YAPY357磷酸化和核易位（激活）。此外，内皮α5β1/纤连蛋白结合也可以募集和诱导磷酸酶PP2A全酶组装，以促进YAPS127的去磷酸化和 YAP 活化。此外，临时基质上的EC表达RGD结合整合素，包括α5β1和αVβ3。ECs上存在的整合素αVβ3在介导OSS诱导的炎症中起关键作用。αVβ3与纤连蛋白结合并激活多效性转录因子核因子（NF）-κB，其诱导下游炎症基因的表达，包括CCN1（图1）。

相比之下，LSS直接通过转录因子Kruppel样因子2（KLF2）诱导培养ECs中的CCN3/Nov表达。KLF2 由 LSS 通过机械感觉 PI3K 通路在 ECs 中诱导，并被促炎刺激和 NF-κB 抑制。KLF2通过阻断NF-κB来抑制促炎细胞因子，并维持EC中的稳态（图1）。迄今为止，剪切应力与CCN4-6表达之间的相关性尚未确定。

图1 血管剪切应力调控的CCN蛋白在内皮细胞中的表达。
示意图说明了受层流或紊动流产生的剪切应力影响的机械感觉因子和CCN家族基因。层流促进成熟的内皮表型并增加抗炎CCN3的表达。相反，紊动流通过诱导促炎性 CCN1 和 CCN2 诱发内皮功能障碍。CCN2还促进血管平滑肌细胞从收缩状态到合成状态的表型转换，从而导致细胞增殖。虚线箭头：蛋白质易位。黑色实心箭头：激活下游效应因子。红色实线：抑制下游效应因子。P：磷酸化。S：丝氨酸。Y：酪氨酸。

动脉疾病中剪切应力调控的CCN蛋白

CCN1在介导OSS诱导的动脉粥样硬化的易感性中起着至关重要的作用。如前所述，颈动脉结扎术产生血流紊乱和CCN1表达，导致新生内膜增生和动脉粥样硬化。携带α6β1-结合-缺失CCN1突变敲入蛋白的小鼠表现出对结扎诱导的动脉粥样硬化的抵抗力。CCN1与α6β1结合，启动动脉粥样硬化信号的级联反应，包括超氧化物生成、NF-κB活化和内皮细胞炎症基因表达的增加。CCN1的KO揭示的CCN1在胚胎发生中的促存活和血管生成作用与其在成人中的促炎特性相反。

CCN2 在动脉粥样硬化中也被诱导，特别是在复杂的易破裂斑块中。CCN2在体外诱导单核细胞迁移，提示其在增强单核细胞浸润到动脉粥样硬化病变中的潜在作用。然而，CCN2在大鼠颈动脉血管成形术模型中促进动脉损伤后的新内膜增生，并在小鼠主动脉瘤模型中介导氧化应激诱导的血管平滑肌细胞（VSMC）表型转换（图1）。目前的证据表明，OSS诱导的CCN2具有促炎和促动脉粥样硬化作用，值得进一步研究。

此外，CCN4是另一种促炎CCN蛋白。虽然尚不清楚CCN4如何受到剪切应力的调节，但重组CCN4增加了培养物中单核细胞对EC的粘附，并诱导EC中白细胞介素-6的产生。

与CCN1和CCN2相反，CCN3在体外的表达由EC中的LSS诱导，并被炎症细胞因子（如肿瘤坏死因子α）抑制（图1）。CCN3还抑制VSMC增殖和迁移，表明其动脉粥样硬化保护特性。

同样，在正常颈动脉中检测到CCN5表达，但在球囊损伤去内皮化后被抑制，CCN5是一种生长停滞特异性基因，可抑制VSMC增殖和迁移。尚未报道剪切应力对CCN5的调控。

总之，许多（如果不是全部）CCN家族蛋白可以通过血流剪切应力调控，并对血管完整性或疾病发展产生影响。

骨重塑中的CCN家族成员

有趣的是，一项早期研究表明，流体剪切应力诱导骨细胞中内皮相关基因表达。一系列与血管生成和内皮功能相关的基因受到调控，包括血管内皮生长因子、CCN1、CCN2、成纤维细胞生长因子1，神经菌毛素等，这表明CCN家族蛋白在骨重塑中受到流体剪切应力的诱导。

随后，Kawaki等人证明CCN1、CCN2、CCN4和CCN5在新生小鼠颅骨细胞中表达。骨特异性CCN1条件敲除小鼠实验表明了CCN1在促进骨形成中的作用。CCN2对于骨骼发育是必需的，但对于出生后骨骼重塑影响的程度较小。在骨折愈合中，CCN1和CCN2在第一阶段上调，与它们在促进骨形成中的作用一致。同样，CCN4 KO导致皮质骨厚度，横截面积和软骨内矿物沉积的减少。与其他CCN家族蛋白不同，CCN3在成骨细胞分化中起抑制作用，是骨再生的负调节因子。总之，CCN家族蛋白参与骨形成和重塑的调节，其个体作用可以是补偿性的，也可以是相反的。

CCN 家族成员介导流体剪切应力诱导的骨重塑

CCN1基因可以通过RhoA依赖性途径被机械超负荷诱导，该途径涉及心肌素相关转录因子（MRTF）-A与血清反应因子（SRF）的形成复合物，并与CCN1启动子中的SRF结合位点结合。此外，转录因子，例如cAMP反应元件结合蛋白，可以被机械刺激激活以诱导机械反应性CCN1基因表达。为了阐明骨重塑过程中机械和生化信号通路在CCN表达调控中的串扰，Reichenbach等人证明了流体剪切应力与YAP/TAZ协同作用于诱导BMP / TGF-β靶基因，包括CCN1和CCN2。此外，某些疾病，如类风湿性关节炎，通常与高血清白细胞介素-1β（IL-1β）和骨吸收水平有关。脉动流可以激活骨细胞以减轻IL-1β诱导的破骨细胞发生。然而，CCN1在脉冲血流抑制破骨形成的确切作用尚不清楚。

CCN2在骨骼发育和重塑过程中表达。在牙槽骨成骨细胞和骨细胞的牙齿移动期间，CCN2 mRNA增加，表明CCN2参与机械刺激诱导的成骨分化。生理性骨负荷在腔隙-小管系统中产生流体剪切应力，这是触发骨重塑的主要机械线索。这种流体剪切应力激活小GTP酶RhoA信号传导，以促进成骨细胞中的肌动蛋白聚合以及随后的CCN2表达和成骨分化。总的来说，骨细胞机械负荷诱导的CCN2沉积调节下游骨重塑过程（图2）。

骨细胞作为机械传感器，用于感知腔隙-小管系统中的流体剪切应力，并通过调节成骨和破骨细胞因来子控制骨形成和吸收。已知CCN家族成员，特别是CCN1和CCN2，在介导流体剪切应力诱导的骨重塑中起重要作用。然而，CCN3-6在流体应力调节骨重塑中的作用尚未报道，值得进一步研究，以更好地了解骨骼重塑的整个过程。

图2 力负荷调控流体剪切应力和骨稳态。
（A）示意图描绘了静态条件下的骨微环境。（B）在左图中，施加力负荷会在腔隙-小管系统中诱导流体流动，从而激活骨细胞。因此，活化的骨细胞分泌各种可溶性因子，如CCN1，CCN2，PGE2，硬化素，NO等，以调节骨的形成和吸收。在右图中，增大的骨细胞显示出流体剪切应力诱导的骨细胞激活和信号传导。位于骨细胞不同膜部位的机械传感器（如整合素和piezo1）响应力负荷引起的流体剪切应力刺激，将生物物理线索转化为生化信号。

剪切应力是决定细胞功能表型或祖细胞命运的关键环境因素。CCN蛋白受到心血管和骨骼系统中剪切应力的严格调节。剪切应力下CCN蛋白的生物学效应与其在其他环境中的作用一致。CCN1和CCN2促进细胞生长，修复，有时促进疾病发展，而CCN3有利于生长停滞以维持体内平衡和细胞成熟。尽管CCN蛋白具有相似的蛋白质结构，但它们可能具有相互冲突的功能，具体取决于环境和可用的整合素受体。虽然CCN蛋白受剪切应力的差异调控，但细胞表面的整合素库（机械感觉机器的一部分）也受到机械力的高度调节。然而，目前对不同流动模式下每种CCN蛋白可用的整合素的理解仍然有限。此外，剪切应力对CCN4-6的调控在很大程度上仍然未知。该领域的进一步研究可能对开发新的治疗靶点和策略具有重要的临床意义。

参考文献：Wang YK, Weng HK, Mo FE. The regulation and functions of the matricellular CCN proteins induced by shear stress. J Cell Commun Signal. 2023 May 16. doi: 10.1007/s12079-023-00760-z. Epub ahead of print. PMID: 37191841.
原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37191841/
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