細胞力學的背景與發展

• 定義：細胞力學是研究細胞與微環境相互作用及其分子水平行為的新興學科，細胞在三維動態微環境中，其行為受化學信號和機械力信號的調控。

• 重要性：力學相關信號轉導在個體發育和體內平衡中至關重要，影響肌肉癥、心肌病、纖維化和癌癥等疾病的發生與發展。

• 研究方法：結合經典生物學、醫學、物理學、工程學等學科，以體外細胞和個體組織器官為研究對象，探索細胞力學對個體生物學進程的影響。

細胞微環境與細胞外基質

• 細胞微環境：指細胞周圍的一系列物質和信號分子，包括臨近細胞、細胞外基質、可溶性因子以及物理相關的力等，對細胞的信號轉導、基因表達、代謝等生命過程有重要調控作用。

• 細胞外基質（ECM）：由細胞合成、分泌的生物大分子構成的非細胞三維高分子網絡，富含膠原蛋白、層黏連蛋白、彈性蛋白、蛋白聚糖、糖胺聚糖及各種細胞因子等，為細胞提供物理支持，并通過與細胞黏附分子等作用為形態發生、分化和穩態提供關鍵的生化和生物力學線索。

細胞力學信號轉導

• 整合素：細胞主要通過細胞膜上的整合素感知環境中的機械信號。整合素由跨膜αβ異二聚體組成，是連接細胞外基質和細胞骨架的橋梁，可以在質膜上雙向傳遞信號。

• 整合素介導的機械信號傳遞：整合素與胞外配體結合后，會誘導構象改變，激活胞內結構域，并通過結構蛋白橋聯至肌動蛋白絲，傳遞力學信號，進而影響細胞骨架的重排和細胞的生理功能。

  
  圖1 細胞力學信號轉導

• FAK-Src復合物生化信號轉導：整合素介導的信號轉導過程中，FAK-Src復合物是十分重要的一類信號蛋白，其激活可調節GEF的定位和活性，進而影響細胞骨架的動態變化。

• Rho家族信號級聯：Rho GTPases蛋白家族在細胞力學信號轉導和肌動蛋白骨架的調節、細胞周期進程以及基因轉錄表達中具有重要作用，通過在活躍的GTP狀態和不活躍的GDP狀態的循環來調節肌動蛋白的細胞骨架動力學，并引起廣泛的細胞力學變化。

  
  圖2 受整合素調節的Rho-GTPase信號級聯

• 力敏感的轉錄因子易位：細胞的行為受微環境中的力學信號調節，YAP/TAZ和SRF等力敏感的轉錄因子可作為細胞內的機械感受器，力學信號刺激下，這些轉錄因子易位到細胞核，調節基因表達。

  
  圖3 力敏感的轉錄因子易位

細胞核力學信號轉導

• 力學信號傳遞到細胞核：加載到LINC復合物上的收縮力通過Sun蛋白偶聯到核纖層蛋白及其他核骨架上，將物理信號從細胞膜傳遞到細胞核。

• 核內力學信號影響基因表達：細胞核受力后，張力會改變核纖層的磷酸化動力學，拉開核孔，改變核形狀，有利于力敏感的轉錄因子從胞質轉運到核中，輔助后續靶基因的表達。同時，核內的染色質結構也會因力學信號而發生變化，影響基因的轉錄和表達。