血管內膜的內皮細胞（ECs）持續暴露于局部流體剪切應力的反復變化，毛細血管靜水壓力的變化，以及血管脈動增加期間血管壁拉伸應變的變化。Piezo1 是一種成熟的機械敏感通道，它在機械力的作用下，非選擇性地將Ca²? 從細胞外環境轉運到內皮細胞的細胞質中。敲除小鼠中的Piezo1基因可降低剪切力引起的細胞內Ca²? 的增加水平，并阻止了ECs對剪切力的形態學和細胞保護反應。然而， 控制EC適應Piezo1下游剪切應力的信號機制仍然知之甚少。

剪切應力誘導Ca²? 通過機械敏感通道從細胞外環境進入，以及誘導位于內質網（ER）膜上的肌醇1,4,5-三磷酸受體（IP3Rs）釋放Ca²?。一個基本問題是，這兩種機械轉導途徑是否與調節EC對剪切應力的適應具有內在聯系。Piezo1通道，與肌漿/內質網Ca²? ATP酶（sarco/endoplasmic reticulum Ca²?-ATPase，SERCA）相互作用并調節其活性，可能激活細胞外環境中的Ca²? 進入和內質網儲存中的Ca²? 釋放。

在美國伊利諾伊大學醫學院藥理學與再生醫學系的一項研究中，數據顯示，剪切應力激活Piezo1導致細胞內Ca²? 快速動員進入內質網腔，隨后通過sAC-cAMP敏感機制釋放ER Ca²?。這里描述的數據將Piezo1機械傳感與通過IP3R2通路 cAMP -依賴性ER Ca²? 釋放聯系起來。這種Piezo1-sAC-IP3R2機械轉導回路在Akt信號的激活中起著關鍵作用，作為ECs對層流剪切應力引起血管舒張的適應性形態學反應的一部分。相關研究成果發表在 iScience 期刊題為“Piezo1 induces endothelial responses to shear stress via soluble adenylyl Cyclase-IP3R2 circuit”。

首先，為了確定Piezo1在剪切應力誘導的ER Ca²? 信號傳導中的作用，實驗將內皮細胞暴露于2 dyn/cm²、5 dyn/cm²和10 dyn/cm²的層流剪切力下。數據顯示，人肺動脈內皮 （HPAE）單層暴露于 5 和 10 dyn/cm² 的剪切力持續60 秒，內質網熒光增加，表明[Ca²?]ER 增加。這些變化取決于施加的剪切力，且在暴露于2 dyn/cm²剪切的細胞中則不那么明顯。與以往的研究一致，Piezo1的耗竭顯著降低了胞質Ca²? 響應剪切應力而上升的趨勢。這些結果揭示了Piezo1在響應剪切應力時通過快速動員Ca²?進入內質網調節Ca²? 穩態中的核心作用。

接下來，研究討論了利用Yoda1 激活Piezo1，是否可以誘導[Ca²?]ER的變化而不依賴于機械應力。研究表明，Piezo1誘導Ca²? 動員進入內質網的機制不同。因此，探討了基質相互作用分子1（STIM1）的作用，結論是，在Piezo1激活后，STIM1并沒有促進ER Ca²? 的快速上升，但對于在ER Ca²? 耗盡時補充ER Ca²?是必要的。然后討論了SERCA泵在調節Piezo1介導的ER Ca²? 進入中的作用。由于Piezo1和SERCA在體外和細胞中相互作用，Piezo1功能可能與SERCA泵的激活耦合。結果證明了毒胡蘿卜素（SERCA非競爭性抑制劑）消除了Yoda1誘導的ER Ca²? 升高，但對對ER Ca²?衰減沒有顯著影響。因此，SERCA活性是Piezo1介導的ER Ca²? 升高而不是ER Ca²? 衰減所必需的。

為了研究Piezo1下游ER Ca²? 衰減的機制，缺失了內皮細胞內質膜上高度表達的兩種肌醇三磷酸受體IP3R2和IP3R3。結果表明，IP3R3的缺失對Piezo1誘導的ER Ca²? 衰減沒有影響，相比之下，IP3R2的耗盡顯著降低了ER Ca²? 衰減的速率常數，而不影響ER Ca²?上升的速率常數（圖1 A-C）。同樣，在層流剪切應力作用下，IP3R2的損耗顯著降低了ER Ca²? 衰減的速率常數（圖1 D-F）。此外，與IP3R3耗盡相反，IP3R3耗盡對Piezo1介導的細胞內[Ca²?]i的變化沒有影響，而在Yoda1激活Piezo1或施加層流剪切應力后，IP3R2的耗盡顯著降低了[Ca²?]i的增加。這些數據表明，IP3R2通路對于Piezo1機械或藥理激活后ER Ca²? 釋放到細胞質中至關重要。

圖1 Piezo1的激活通過IP3R2通道誘導ER Ca²?儲存釋放。
（A）用對照、IP3R2或IP3R3 siRNA預處理的內皮單層，用Yoda1激活Piezo1后G-CEPIA1er的活細胞圖像。（B）[Ca²?]ER在（A）中的時間過程。（C）由（B）數據計算的ER Ca²? 衰變速率常數。（D）10 dyn/cm²層流剪切作用60 s后，對照組和IP3R2缺陷內皮細胞G-CEPIAer的活細胞圖像。（E）[Ca²?]ER在（D）中的時間過程。（F）由（E）中數據計算的ER Ca²? 衰變速率常數。

此外，為了研究Piezo1下游內質網Ca²?釋放的信號傳導機制，探討了環磷酸腺苷（cAMP）通過IP3R2儲存增敏內質網鈣釋放的作用。由于Ca²? 直接刺激可溶性腺苷酸環化酶（sAC），因此確定了通過Piezo1的Ca²? 內流是否激活sAC并誘導cAMP的產生。結果表明，Yoda1增加了內皮單層中cAMP傳感器的GFP強度，表明cAMP的生成增加（圖2 A）。此外，sAC的耗盡顯著減少了Yoda1誘導的cAMP的產生（圖2 A、B），表明 sAC 在Piezo1激活下游介導cAMP的產生中起著至關重要的作用。此外，對sAC的抑制顯著降低了ER Ca²? 衰減的速率常數（圖2 C、E），并延遲了藥理或剪切介導的Piezo1激活后細胞質 [Ca²?]i 的增加。因此，sAC活化對于Piezo1誘導的cAMP 生成和通過cAMP敏化的IP3R2存儲釋放Ca²? 至關重要。

圖2 Piezo1的激活誘導sAC依賴性產生cAMP和cAMP誘發的ER Ca²? 釋放。
（A）在對照組和sAC 缺失的內皮單層中，Yoda1激活Piezo1后cAMP濃度隨時間的變化。（B）（A）中cAMP濃度的相對變化。（C）在對照組和sAC 缺失內皮單層中，Yoda1（箭頭）激活Piezo1后G-CEPIA1er的活細胞圖像。（D）[Ca²?]ER在（C）中的隨時間變化。（E）由(C)中數據計算的ER Ca²? 衰減速率常數。

缺失Piezo1的ECs不能誘導Akt1磷酸化，并向層流方向排列。因此，最后實驗想要確定ER Ca²? 釋放和Akt1活性是否需要由血流誘導的ECs的適應性重定向。與靜態條件下生長的內皮單層相比，HPAE和HAE單層在10 dyn/cm²剪切應力作用24小時后，細胞排列發生了變化。然而，在Piezo1或IP3R2缺失的細胞中，細胞排列丟失。

由于Piezo1或IP3R2的缺失阻止了剪切誘導的Akt激活和ECs在流動方向上的排列，接下來討論了Akt激酶在介導剪切應力適應性形態反應中的作用。結果表明，Piezo1或IP3R2的缺失都通過限制Akt信號傳導來阻止ECs對剪切應力的適應性反應。

此外，為了解決Piezo1在調節Akt介導的ECs對層流剪切應力的反應中的生理意義，將空對照載體或myr-Akt1轉導到從內皮限制性敲除的Piezo1小鼠（Piezo1ΔEC）分離的腸系膜血管的ECs中，與對照野生型（WT）小鼠相比，前者對增加的流體剪切的血管舒張反應顯著降低。實驗觀察到myr-Akt1的表達，而不是對照載體的表達，使體外腸系膜血管的血流誘導的血管舒張反應恢復到對照血管的水平。這些數據表明，Piezo1-sAC-IP3R2回路負責ECs中Akt1信號的激活，從而負責血管對血流變化的空間和時間響應。

圖3 圖形概要

在這里，該研究表明，機械敏感通道Piezo1被確定的剪切力激活誘導Ca²? 通過內質網Ca²? ATPase 泵進入內質網（ER）。該入口之后是肌醇三磷酸受體2 （IP3R2）誘導的ER Ca²? 釋放到細胞質中。ER Ca²? 釋放的機制涉及可溶性腺苷酸環化酶（sAC）產生cAMP，導致IP3R2 誘發的Ca²? 門控。耗盡 sAC 或 IP3R2 可阻止ER Ca²? 釋放并阻斷EC在流動方向上的對齊。在內皮受限的Piezo1敲除小鼠中，過表達組成型活性Akt1可恢復缺乏Piezo1或IP3R2的ECs的剪切誘導排列，以及血流誘導的血管舒張（圖3）。這些研究描述了一種未知的Piezo1-cAMP-IP3R2回路作為激活Akt信號傳導并誘導ECs對層流的適應性變化的基本機制。

參考文獻：Santana Nunez D, Malik AB, Lee Q, Ahn SJ, Coctecon-Murillo A, Lazarko D, Levitan I, Mehta D, Komarova YA. Piezo1 induces endothelial responses to shear stress via soluble adenylyl Cyclase-IP3R2 circuit. iScience. 2023 Apr 11;26(5):106661. doi: 10.1016/j.isci.2023.106661. PMID: 37168565; PMCID: PMC10164902.
原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37168565/

小編旨在分享、學習、交流生物科學等領域的研究進展。如有侵權或引文不當請聯系小編修正。如有任何的想法以及建議，歡迎聯系小編。感謝各位的瀏覽以及關注！
微信搜索公眾號“Naturethink”，了解更多細胞體外仿生培養技術及應用。