Piezo1机械敏感性离子通道在心血管系统中的作用
发布时间：2021-07-02
摘要目前心血管系统疾病已成为人类发病率、致残率和病死率最高的疾病之一，严重影响着人们的生活质量。Piezo1是一种机械敏感性阳离子通道，可将机械刺激转化为电化学信号，介导信息的传递。越来越多的证据表明，Piezo1在心血管系统的代谢过程中可发挥广泛的生物学作用。本文对近年来Piezo1参与血流剪切应力感受转导、血管发育、血管紧张度调节的生理机制和在原发性高血压、动脉粥样硬化、心力衰竭、静脉曲张等疾病发生发展中所起到作用的研究进展进行综述，以期为Piezo1相关心血管疾病的治疗提供新的思路。
关键词Piezo1;机械敏感性离子通道;综述
一系列研究表明，Piezo通道蛋白家族包含Piezo1和Piezo2两类蛋白。此两种蛋白编码基因和结构极为相似，且与其他已知的机械敏感通道蛋白无序列同源性，但实际上Piezo1和Piezo2在生物体内的分布和功能却有所不同。在人体中，Piezo1广泛分布于肾脏、肺脏、膀胱、结肠、血管中，Piezo2则主要存在于三叉神经感觉细胞、背根神经节细胞、小肠粘膜等[1]。功能上，Piezo2与人体的触觉、痛觉等多种感觉有着密切联系[2]，Piezo1则主要参与血管发育、上皮细胞稳态、红细胞体积调节、神经干细胞分化等生理过程。在心血管系统方面，Piezo1可通过感受血流剪切应力，非选择性地介导Na+、Ca2+等阳离子通过，参与血管紧张度的调节(Wang等.2016，Rode等.2017)、血管的发育(Li等.2014，Rande等.2014)和淋巴管瓣膜的形成，还与原发性高血压、动脉粥样硬化、心力衰竭及下肢静脉曲张等多种疾病相关[3]。因此，本文主要对Piezo1在心血管系统方面的研究进展予以综述，以期为Piezo1相关心血管疾病治疗提供新的思路。
一、Piezo1通道概述
(一)Piezo1的结构及其激活Coste等利用可产生稳定机械激活内向电流的小鼠神经母细胞瘤细胞系Neuro2A发现，Fam38A基因受到干扰沉默时电流受到显著抑制。由此可推测Fam38A基因编码一种机械力激活的阳离子通道蛋白，并将其命名为Piezo1(Coste等.2010)。Ge等进一步以4.8?的分辨率测定小鼠Piezo1全长结构(Ge等.2015)。其结果显示，Piezo1通道呈一独特的三聚体螺旋桨状结构(图1)，包括中心离子通道孔(ionpore)和外围结构两部分。离子通道孔部分由细胞内C末端结构域(C-terminaldomain，CTD)、内螺旋(innerhelice，IH)、外螺旋(outerhelice，OH)和细胞外C末端结构域(C-terminalextracellulardomain，CED)构成，其中CED位于最后两个跨膜区(transmembranesegments，TMs)之间形成的细胞外中央“帽”结构(Cap)，可能对选择阳离子或阴离子进入通道孔和确保离子传导过程能否有效进行起着重要作用[4]。外围结构部分则包含桨叶(Blade)、“梁”(Beam)和锚定区(Anchor)，其中敏感度高的细胞外围桨叶通过三个长度为90?的“梁”与CTD和锚定区相连，“梁”所发挥的类似杠杆的作用可以使机械刺激传递到中心离子通道孔区域[5，6]。另有最新研究表明，在哺乳动物体内，Piezo1蛋白由约2500-2800个氨基酸组成，包含26-40个跨膜区，是目前人类已知的包含跨膜区最多的蛋白[4]。
当细胞受到挤压、拉伸及流体剪切应力等不同形式的机械力刺激时，分布在细胞膜上的Piezo1通道以及通道周边脂质膜相互作用形成圆顶样结构[7]，使其接受机械力刺激更加敏感，并利用上述三聚体结构，以杠杆原理机制介导机械力传递，致使通道开放，Na+、Ca2+等多种离子流动，膜电位去极化(去极化程度随着机械力刺激增加而增强)，从而有效完成机械力转化为电化学信号的过程[4，6，8]。但血流剪切应力激活Piezo1的具体机制未被完全阐明，尚存以下几种观点:(1)剪切应力和离子通道之间可能存在直接相互作用;(2)离子通道可被间接激活，因为其与细胞骨架相连，当剪切应力影响内皮细胞形状时，细胞骨架受到牵拉，从而使离子通道开放;(3)离子通道可因细胞膜的流动性或在剪切应力作用下细胞膜结构或成分的改变而被激活[9]。另外有研究指出，人工合成的Yoda1可作为Piezo1的激动剂，直接激活Piezo1通道。并且将纯化和重组的Piezo1通道镶嵌于人工脂质双层膜中时，发现其也能被Yoda1或其他机械刺激激活(Syeda等.2015)。
(二)Piezo1的信号转导途径Piezo1是一种机械传感器[3]。当心血管内皮细胞受到机械力(例如剪切应力)的刺激时，Piezo1通道开放，导致内皮细胞膜电位去极化，以及Ca2+内流，介导多种下游信号通路的活化。
1.钙蛋白酶(calpain)-β1整合素途径:整合素是由α和β两个亚单位形成的异二聚体跨膜蛋白，可与细胞外基质蛋白结合，调控细胞的黏附和迁移。在细胞迁移过程中，整合素介导的黏着斑的解聚与再组装至关重要。当整合素与细胞外基质结合时，可募集胞内多种相关蛋白(例如talin、黏着斑激酶等)，在细胞前端突出形成黏着斑，将细胞外基质与肌动蛋白细胞骨架耦联，促进胞体收缩，同时，细胞尾端的黏着斑解聚，使细胞沿胞体收缩方向移动。因此，整合素介导的相关蛋白的募集和黏着斑的解聚障碍，可以影响细胞的黏附和迁移[10]。
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研究证实，定位于内质网的Piezo1可通过募集小分子G蛋白R-Ras至内质网，诱导Ca2+从内质网钙库中释放，活化整合素激动剂-钙依赖性钙蛋白酶-2(calpain-2)，促使talin结合到β1整合素的胞内区域，激活β1整合素，促进黏着斑的形成。此外，calpain-2还可参与黏着斑的解聚过程[3，11，12]。因此，Piezo1的缺失导致talin的募集障碍及calpain2活性的降低，使得整合素依赖性细胞迁移途径减少，细胞以类似阿米巴模式迁移，即一种通过非整合素受体，以较低结合力与胞外配体结合，具有高速变形性的迁移模式。肺癌细胞正是利用这种方式转移的，因此Piezo1水平的下降可成为小细胞肺癌转移的重要生物标志[12]。
2.ATP途径:ATP不仅是重要的胞内直接供能物质，还是重要的信号分子。在剪切应力刺激下，ATP由内皮细胞释放，与细胞表面的嘌呤受体P2Y2结合，发挥信号转导功能。Wang等发现，Piezo1是剪切应力介导ATP释放及活化下游信号转导途径所必需的。Piezo1感知剪切应力后，介导Ca2+内流，激活pannexin1通道参与内皮细胞ATP的释放，随后ATP与P2Y2受体结合，活化Gq/11蛋白，促进蛋白激酶B(proteinkinaseB，PKB，又称Akt)和内皮型一氧化氮合酶(endothelialnitricoxidesynthase，eNOS)Ser1177位点磷酸化，参与一氧化氮(nitiricoxide，NO)的合成、血管紧张度及血压的调节(Wang等.2016)。Akt的激活可能与血小板内皮细胞粘附分子-1(plateletendothelialcelladhesionmolecule-1，PECAM-1)、VE-钙粘蛋白(VE-cadherin)和血管内皮细胞生长因子受体2(vascularendothelialgrowthfactorreceptor2，VEGFR2)组成的机械敏感复合物有关[13]。最近研究证实，Piezo1可通过诱导ATP释放，与P2嘌呤受体结合后，激活下游PYK2和MEK/ERK信号通路，调控牙髓间充质干细胞的迁移，但此途径是否参与心血管系统内皮细胞迁移，有待进一步实验证实[14]。
3.ADM途径:肾上腺髓质素(adrenomedullin，ADM)是一种舒血管活性多肽物质，具有调节血管舒张度，保护内皮细胞的作用。最近研究证实，Piezo1感知剪切应力，介导内皮细胞释放ADM，参与NO的合成，并且与上述ATP途径协同调控血管内NO浓度。具体机制为:Piezo1感知剪切应力后，介导Ca2+内流，诱导内皮细胞释放ADM，ADM与其受体-降钙素受体样受体(CRLR)结合后，活化Gs蛋白，通过cAMP-PKA信号通路，促进eNOSSer633位点磷酸化，参与NO的合成[15]。此外，与上述ATP途径不同的是，在剪切应力作用下，Gs耦联受体介导信号通路的反应速度慢于Gq/11耦联受体。因此，对血流量变化的快速反应取决于后者。
4.VE-cadherin途径:钙粘蛋白(cadherin)是一种Ca2+依赖的细胞粘着糖蛋白，对细胞识别、黏附、迁移和融合具有重要作用。其主要包括VE-cadherin(存在于血管内皮细胞中)、E-cadherin(主要在上皮组织中)、N-cadherin(存在神经组织中)、P-cadherin(主要存在于胎盘中)。Piezo1可活化VE-cadherin，介导内皮细胞间的黏附连接[16]，促进生长发育过程中内皮细胞的聚集、迁移及血管融合。当剪切应力增加时，血管内皮蛋白酪氨酸磷酸酶(vascularendothelial-proteintyrosinephosphatase，VE-PTP)使VE-cadherin去磷酸化，防止血管过度融合，对维持血管系统的稳定具有至关重要的作用[17]。
(三)Piezo1与其他机械传感器的关系敲除Piezo1不能抑制剪切应力引起的G蛋白耦联受体与PECAM-1的耦合[18]，提示内皮细胞的表面除了Piezo1之外，仍存在着许多可能感知剪切应力的机械传感器，例如G蛋白耦联受体及G蛋白、PECAM-1、VEGFR2、受体酪氨酸激酶等。目前Piezo1与其他机械传感器的关系尚不清楚。是呈平行关系，还是组成复合物形式，以及Piezo1在复合物中起的作用，均有待进一步研究[3]。
二、Piezo1在心血管系统中的生理作用
(一)Piezo1影响胚胎期血管发育胚胎期血管的发育主要经历发生和生成两个阶段。当起源于中胚层的成血管细胞在原位分化为内皮细胞后，内皮细胞在无血管的区域增殖、聚集，形成心脏原基和一些主要血管丛，但发生阶段形成的血管是幼稚且不稳定的，需要经历生成阶段才能形成健全的血管系统[20]。心脏在血管生成阶段已具备泵血的功能，新生血管内有血流存在。内皮细胞在血流剪切应力及其它信号因子的作用下，可通过芽生等方式向外迁移扩展，生成新的血管。部分新生小血管相互融合，形成大小不一的血管系统，以适应不同组织、器官的需要，从而实现血管网络的成熟与重塑[19]。Piezo1敲除的小鼠胚胎和正常小鼠胚胎第9天均出现正常心跳及血流，但第9.5～10.5天时，Piezo1敲除的小鼠胚胎血管生成较正常小鼠胚胎缓慢，大血管较少，组织发育不健全(Li等.2014)，提示Piezo1不参与血管发生阶段，但当新生血管内有血流后，Piezo1通过感知血流剪切应力的变化参与血管生成阶段，促进内皮细胞的迁移及血管的成熟与重塑[9]。这一过程可能与Piezo1介导的β1整合素途径、VE-cadherin途径等相关。Piezo1的敲除导致β1整合素、VE-cadherin活性下降，内皮细胞排列紊乱，其迁移及血管重塑受阻，新生的血管丛不能进一步发育形成健全的血管系统，从而引起氧气、营养物质、代谢产物的运输及排泄障碍，导致胚胎发育缓慢，甚至死亡[3]。
(二)Piezo1参与运动时血压的调节内皮细胞中的Piezo1是运动传感器，通过感受运动时血流量的变化，调节运动时的血压水平[20]。Rode等通过小鼠车轮实验发现，敲除Piezo1的小鼠在运动期间血压升高受抑制，表明Piezo1参与运动时血压升高机制。进一步研究发现其可能机制是，剪切应力诱导Piezo1通道开放，导致内皮细胞膜电位去极化，然后通过肌-内皮缝隙连接，使耦联的邻近血管平滑肌细胞(vascularsmoothmusclecell，VSMC)去极化，激活L型电压门控钙通道，导致胞内Ca2+浓度增加，引起血管收缩，血压升高(Rode等.2017)。运动时血压的调节与血管收缩有关，也与血管舒张有关。Piezo1不仅可促进内皮细胞膜电位去极化，对抗内皮依赖性超极化因子(endotheliumderivedhyperpolarizingfactor，EDHF)，促使Ca2+内流，介导血管收缩;还可通过Ca2+激活下游ATP途径及eNOS途径等，诱发NO释放，介导血管舒张[20，21]。Joyner等(2015)发现，运动时血管的收缩仅限于身体运动期间功能相对不重要的器官(例如肠道)，在骨骼肌血管中呈现舒张状态。Piezo1在不同的血管床中呈现不同的反应，可能与肌-内皮缝隙连接的传输效率有关[3]。在内脏动脉(例如肠系膜动脉)中，Piezo1的缩血管途径占主导，舒血管途径受抑制，产生的收缩作用大于舒张作用，但在骨骼肌动脉中则相反，从而导致血流阻力的重新分配，血液大部分流向骨骼肌，为运动时肌肉代谢提供充足的氧气和营养物质，以提高身体机能[20]。此外，有最近研究发现，piezo1和piezo2与动脉压力感受器的活性和功能有关，piezo1和piezo2的缺失使动脉压力感受器反射活动减少，动脉血压常出现很大波动，但具体机制还有待研究(Zeng等.2018)。
(三)Piezo1参与淋巴管瓣膜形成淋巴管具有调节组织液平衡、输送免疫细胞参与免疫应答、吸收膳食脂肪等功能。虽然淋巴管瓣膜保证了淋巴液的单向流动，但淋巴液的流动也调控淋巴管瓣膜的形成，但是其具体机制目前尚不清楚。动物实验研究发现，敲除小鼠Piezo1基因，可以抑制新生小鼠淋巴管瓣膜的形成。此外，成人Piezo1基因的缺失会导致淋巴管及淋巴管瓣膜的变性。在体外培养的淋巴管内皮细胞中，Piezo1基因的敲除，很大程度上消除了剪切应力诱导的，淋巴管瓣膜相关基因(例如FOXC2、GATA2、CX37、LAMA5和ITGA9等)的上调。相反，在没有剪切应力的情况下，Piezo1的过表达，或是使用化学激动剂Yoda1，不仅加速了淋巴管瓣膜的形成，而且使某些相关基因上调[22]。因此，Piezo1是淋巴管瓣膜形成过程中重要的剪切应力感受器，而Piezo1可能是治疗先天性和外科相关淋巴水肿的一种潜在的新的治疗靶点[4]。
三、Piezo1与心血管系统疾病的相关性
(一)Piezo1与原发性高血压高血压是最常见的心血管疾病，以动脉血压持续升高为特点，与环境和遗传因素有关。研究报道，目前有超过500个基因位点与高血压相关[23]。其中Piezo1基因实验表明，小鼠Piezo1基因的破坏会导致剪切应力诱导NO释放及血管舒张能力受抑制，引起血压升高[15]。推测可能的机制是，Piezo1的缺失导致Gq/11、Gs耦联受体介导的信号通路活性下降，因此，Akt及eNOS磷酸化水平降低，从而NO的释放减少。此外，小动脉平滑肌细胞上的Piezo1在拉伸力作用下激活，引起Ca2+内流，并激活转谷氨酰胺酶(trans-glutaminase，TG)，诱导小动脉重塑，影响高血压期间小动脉的直径和管壁的厚度(Retailleau等.2015)。小鼠遗传学研究证实，Piezo1基因在原发性高血压的病因中具有重要且复杂的作用。但是，目前还没有直接证据表明人类Piezo1基因的突变与原发性高血压有关，因此，利用Piezo1治疗原发性高血压的效果目前尚不清楚[4]。
(二)Piezo1与动脉粥样硬化动脉粥样硬化好发于血流缓慢或流动受干扰的部位，即低剪切应力(lowshearstress，LSS)或振荡剪切应力区域[24]。研究表明，不同的剪切应力对动脉粥样硬化的发生有很大的影响。在正常或稍高剪切应力条件下，内皮细胞沿血流方向排列，使内皮细胞受力方向沿细胞长轴，最大程度活化eNOS，抑制核因子-κB(nuclearfactor-kappaB，NF-κB)，从而增强内皮细胞的抗炎能力，维持血管系统的稳定，减少动脉粥样硬化的发生率[13，25]。相反，在LSS条件下，内皮细胞排列紊乱，其受力方向复杂多变，促使NF-κB活化，而eNOS受抑制，降低内皮细胞抗炎能力，使血管屏障功能减弱，导致脂质沉积、VSMC增殖和细胞外基质重塑，促进动脉粥样硬化的发生[13，24]。进一步研究发现，其机制与Piezo1介导的信号传导通路密切相关[13]。在LSS的条件下Piezo1激活P2Y2受体、Gq/11蛋白，促使整合素的活化，进而激活FAK介导的致动脉粥样硬化的关键因子-NF-κB，诱导动脉粥样硬化的发生。在高剪切应力背景下，Piezo1通过P2Y2受体、Gq/11蛋白激活整合素途径受抑制，但可促使下游eNOS的激活，阻止动脉粥样硬化发生[13]。因此，在动脉粥样硬化防治中整合素或整合素下游信号可能成为重要的靶点。
(三)Piezo1与心力衰竭心力衰竭是指心排血量不足所引起的一系列心脏循环障碍症候群，是多种心血管疾病发展的终末阶段。在感受机械力刺激时，心肌的结构和功能会发生代偿变化，但长期超负荷将导致心力衰竭。Liang等[26]利用心肌梗死致心衰大鼠模型研究发现，衰竭心脏中Piezo1蛋白水平明显升高，推测在病理条件下，肾素-血管紧张素醛固酮系统的过度激活导致血管紧张素II(AngII)浓度升高，激活AngII-1型受体[27]，增强心肌细胞中Piezo1蛋白表达，导致细胞内Ca2+水平增加，激活下游的MAPK/ERK5和MAPK/ERK1/2信号通路，从而调节心肌细胞凋亡基因的表达。另有研究表明，MAPK信号通路也可直接被周期性机械力所激活，其机制可能也与Piezo1蛋白作为上游通路有关(Rose等.2010)。
(四)Piezo1与下肢静脉曲张Fukaya等[28]对约50万名志愿者进行下肢静脉曲张的全基因组关联研究发现，有30个与下肢静脉曲张相关的独立基因发生突变，其中16q24区域的突变位点位于编码Piezo1的基因内或邻近区域。此外，全身性淋巴发育不良(generalizedlymphaticdysplasia，GLD)是一种由于Piezo1基因缺陷，导致淋巴管及淋巴管瓣膜发育异常的淋巴水肿性疾病。全身性淋巴发育不良的患者除伴有淋巴性水肿外，部分患者同时伴有下肢静脉曲张，猜测其机制可能与Piezo1基因缺陷影响静脉瓣发育有关，但目前缺少Piezo1基因缺陷导致静脉瓣发育异常的直接证据[29]。因此，探究Piezo1基因是否影响静脉瓣发育，可作为下肢静脉曲张后续研究的重点，而其基因产物可能成为治疗下肢静脉曲张的潜在药物靶点。——论文作者：臧雅睿1李佳明1，△廖超凡1成洪聚2，△付迪1
