通過(guò)p130Cas介導(dǎo)的NF-κB活性的減弱來(lái)機(jī)械調(diào)節(jié)骨穩(wěn)態(tài)

機(jī)械力是正常細(xì)胞功能不可或缺的一部分，其破壞會(huì)導(dǎo)致體內(nèi)平衡的喪失。盡管已知骨骼對(duì)機(jī)械負(fù)荷有反應(yīng)，但人們對(duì)骨骼穩(wěn)態(tài)機(jī)械調(diào)節(jié)的分子機(jī)制知之甚少。

無(wú)處不在表達(dá)的銜接分子 p130Cas（Crk 相關(guān)底物，以下稱(chēng)為 Cas）在細(xì)胞外基質(zhì)參與后在粘著斑處磷酸化，參與各種細(xì)胞過(guò)程，包括遷移、存活、轉(zhuǎn)化和侵襲。之前已經(jīng)證明 Cas 通過(guò)力依賴(lài)的構(gòu)象變化而起到獨(dú)立于離子通道的細(xì)胞骨架機(jī)械傳感器的作用。然而，目前尚不清楚 Cas 是否參與了體內(nèi)機(jī)械力的反應(yīng)。

核因子 κB (NF-κB) 是一種轉(zhuǎn)錄因子，在調(diào)節(jié)炎癥和衰老中起著核心作用。因?yàn)?NF-κB 可以普遍表達(dá)并據(jù)報(bào)道稱(chēng)具有機(jī)械響應(yīng)性，所以可以推測(cè) Cas 可能與 NF-κB 在與炎癥和衰老相關(guān)的機(jī)體穩(wěn)態(tài)的機(jī)械調(diào)節(jié)中相互作用。

間質(zhì)液分布在所有動(dòng)物的整個(gè)身體中，由大部分細(xì)胞外液組成，其體積約為循環(huán)血漿的四倍。骨骼是一個(gè)新陳代謝活躍的器官，正在進(jìn)行不斷的重塑，它不是完全的固體，而是一個(gè)含有間質(zhì)液體的可變形的多孔體。

骨細(xì)胞是成熟骨骼中最常見(jiàn)的細(xì)胞。在板層骨中，骨細(xì)胞及其高度互連的樹(shù)突狀突起分別位于稱(chēng)為腔隙和小管的空間內(nèi)。由機(jī)械負(fù)荷引起的骨骼變形會(huì)在腔隙小管系統(tǒng)中產(chǎn)生間質(zhì)液流動(dòng)，從而對(duì)骨細(xì)胞產(chǎn)生剪切應(yīng)力。

基于此，由來(lái)自新加坡國(guó)立大學(xué)機(jī)械生物學(xué)研究所、日本東京都老年醫(yī)院等在內(nèi)的多所機(jī)構(gòu)進(jìn)行了合作研究，于Science Advances 發(fā)表了研究論文。研究人員假設(shè)骨細(xì)胞中的 Cas-NF-κB 相互作用可能參與骨穩(wěn)態(tài)的機(jī)械調(diào)節(jié)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

為了驗(yàn)證關(guān)于 Cas 和 NF-κB 在骨代謝中的機(jī)械作用的假設(shè)，實(shí)驗(yàn)使用了小鼠骨卸載模型，其中每只小鼠的一個(gè)后肢接受坐骨神經(jīng)和股神經(jīng)切除術(shù)，而另一個(gè)暴露進(jìn)行假手術(shù)作為對(duì)照。與對(duì)側(cè)對(duì)照相比，卸載的股骨表現(xiàn)出顯著的骨體積減少（圖1 A）。

出乎意料的是，相當(dāng)比例的 Cas 分布在對(duì)照骨的骨細(xì)胞核中，而大多數(shù) Cas 分布在卸載骨的胞質(zhì)中（圖1 B）。此外，與 NF-κB 活性相關(guān)的 RelA 乙酰化，與對(duì)側(cè)對(duì)照相比，在卸載脛骨的骨細(xì)胞中增加（圖1 C，左側(cè)和中間）。值得注意的是，RelA 在骨細(xì)胞中的核分布沒(méi)有因卸載而發(fā)生顯著改變（圖1 C，右）。

總之，機(jī)械負(fù)荷依賴(lài)性 Cas 核分布與骨細(xì)胞核中的 RelA 乙酰化呈負(fù)相關(guān)。這些體內(nèi)研究結(jié)果表明，Cas 和 NF-κB 可能參與先前報(bào)道的骨細(xì)胞的機(jī)械感覺(jué)功能，并有助于機(jī)械負(fù)荷相關(guān)的骨穩(wěn)態(tài)。

模擬研究表明，骨細(xì)胞暴露于峰值為 0.8-3 Pa 的流體剪切應(yīng)力 (FSS)，這是由于機(jī)械載荷作用于骨產(chǎn)生的小管間質(zhì)液流動(dòng)引起的。雖然在靜態(tài)條件下生長(zhǎng)的 MLO-Y4 骨細(xì)胞中 Cas 的核分布似乎很小，但在應(yīng)用脈沖 FSS（平均 1 Pa，1 Hz）10 分鐘后，Cas 顯著增加，甚至在 FSS 終止后 24 小時(shí)仍保持增加（圖1 D））。

相比之下，應(yīng)用 FSS 后 RelA 乙�；�降低，并持續(xù)降低至少24 小時(shí)（圖1 E）。此外，當(dāng) Cas 表達(dá)在 MLO-Y4 骨細(xì)胞中被逆轉(zhuǎn)錄病毒沉默時(shí)（圖1 F），F(xiàn)SS并沒(méi)有降低，而是增加了RelA乙�；�（圖1 G，比較2道和4道，圖1 H）。

這些結(jié)果表明，在體外骨細(xì)胞中，Cas通過(guò)核易位介導(dǎo)剪切應(yīng)力誘導(dǎo)的RelA乙�；�衰減。
 

圖 1

接下來(lái)，實(shí)驗(yàn)研究確定 Cas 和 NF-κB 是否在體內(nèi)調(diào)節(jié)骨細(xì)胞功能中發(fā)揮生理作用，結(jié)果表明 Cas 主要通過(guò)調(diào)節(jié)骨細(xì)胞NF-κB配體受體激活因子(RANKL)表達(dá)來(lái)控制破骨細(xì)胞骨吸收。

此外，為了檢查骨細(xì)胞特異性Cas條件敲除小鼠（Cas cKO）中表現(xiàn)出的骨質(zhì)流失是否與機(jī)械調(diào)節(jié)有關(guān)，進(jìn)行了機(jī)械卸載實(shí)驗(yàn)。與對(duì)側(cè)對(duì)照組相比，未卸載的對(duì)照組小鼠骨體積顯著減少(圖2 A)，骨吸收參數(shù)顯著增加（圖2 B）。盡管Cas cKO 小鼠的卸載后肢骨量顯著減少（圖2 A，中），但與對(duì)照小鼠相比，卸載對(duì)骨量的影響程度適中且不那么顯著(圖2 A， 右）。值得注意的是，沒(méi)有觀(guān)察到Cas cKO 小鼠的對(duì)照組和卸載骨組之間的骨吸收參數(shù)存在顯著差異（圖2 B）。

在對(duì)照組小鼠中，與來(lái)自對(duì)側(cè)對(duì)照組的小鼠相比，由卸載骨制備的骨細(xì)胞分?jǐn)?shù)中的 RANKL mRNA 表達(dá)增加（圖2 C，第1 和第2列）。然而，無(wú)論卸載與否，Cas cKO 小鼠的骨細(xì)胞分?jǐn)?shù)中的 RANKL 表達(dá)都得到了增強(qiáng)（圖2 C，第3 和第4 列）。

在對(duì)照組和Cas cKO 小鼠中，很可能是卸載后骨形成減少，導(dǎo)致骨體積減少（圖2 A）。盡管在對(duì)照組和Cas cKO 小鼠中觀(guān)察到骨形成參數(shù)降低的相似趨勢(shì)，但由于每個(gè)參數(shù)的變異性很大，無(wú)法在對(duì)照組和Cas cKO小鼠中檢測(cè)到顯著差異。

與體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致（圖2 C），應(yīng)用 FSS 后 24 小時(shí)，MLO-Y4 骨細(xì)胞中的 RANKL 表達(dá)降低（圖2 D，1道和2道），而在敲除Cas 的骨細(xì)胞中RANKL 顯著上調(diào)與 FSS 無(wú)關(guān)（圖1 F和2 D，第3 和第4 列）。

這些發(fā)現(xiàn)表明，骨細(xì)胞中的 Cas 在機(jī)械負(fù)荷誘導(dǎo)的 RANKL 介導(dǎo)的骨吸收減少中起重要作用。
 

圖 2

然后，實(shí)驗(yàn)檢查了 Cas 是否參與了卸載骨的骨細(xì)胞中 RelA 乙�；�的增加。與在第一組小鼠中的觀(guān)察結(jié)果一致（圖1 B、C），與對(duì)照組Casflox/flox小鼠的對(duì)側(cè)骨細(xì)胞相比，卸載脛骨的骨細(xì)胞中 Cas 核分布減少，RelA 乙酰化增加（圖2 E、F)。然而，無(wú)論卸載與否，Cas cKO 小鼠的RelA 乙�；�均增強(qiáng)，而非核分布增強(qiáng)（圖2 E-G）。這表明 Cas 參與了骨細(xì)胞中 RelA 乙�；�的機(jī)械負(fù)荷依賴(lài)性降低，支持了Cas-NF-κB 相互作用的生理相關(guān)性。

最后，實(shí)驗(yàn)還證明 Cas 負(fù)向調(diào)節(jié) RelA 乙�；�，而RelA乙�；�又通過(guò)增加骨細(xì)胞內(nèi)ROS水平來(lái)控制RANKL的表達(dá)；Cas通過(guò)干擾細(xì)胞核中的RelA-p300/CBP相互作用下調(diào)NF-κB活性；Cas-NF-κB 相互作用，通過(guò)骨細(xì)胞中的 RANKL 表達(dá)在骨吸收中發(fā)揮生理作用。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

在這里，實(shí)驗(yàn)證明 Cas 分布在細(xì)胞核中，并通過(guò)減輕 NF-κB 活性來(lái)支持機(jī)械負(fù)荷介導(dǎo)的骨穩(wěn)態(tài)，否則會(huì)引發(fā)炎癥過(guò)程。機(jī)械卸載調(diào)節(jié)骨細(xì)胞（骨骼中的機(jī)械感覺(jué)細(xì)胞）中的 Cas 分布和 NF-κB 活性。骨細(xì)胞中的 Cas 缺乏會(huì)增加與 NF-κB 介導(dǎo)的 RANKL 表達(dá)相關(guān)的破骨吸收，導(dǎo)致骨質(zhì)減少。在對(duì)培養(yǎng)的骨細(xì)胞施加剪切應(yīng)力后，Cas 易位到細(xì)胞核中并下調(diào) NF-κB 活性。

總的來(lái)說(shuō)，流體剪切應(yīng)力依賴(lài)于 Cas 介導(dǎo)的 NF-κB 活性的減輕來(lái)支持骨穩(wěn)態(tài)。鑒于 Cas 和 NF-κB 的普遍表達(dá)以及間質(zhì)液的全身分布，Cas-NF-κB 的相互作用也可能支持其他組織和器官的調(diào)控機(jī)制。

參考文獻(xiàn)：Miyazaki T, Zhao Z, Ichihara Y, Yoshino D, Imamura T, Sawada K, Hayano S, Kamioka H, Mori S, Hirata H, Araki K, Kawauchi K, Shigemoto K, Tanaka S, Bonewald LF, Honda H, Shinohara M, Nagao M, Ogata T, Harada I, Sawada Y. Mechanical regulation of bone homeostasis through p130Cas-mediated alleviation of NF-κB activity. Sci Adv. 2019 Sep 25;5(9):eaau7802. doi: 10.1126/sciadv.aau7802. PMID: 31579816; PMCID: PMC6760935.

文章來(lái)源：【Naturethink官網(wǎng)】

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