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流体剪切应力通过激活骨细胞中的多个 TGFβ 家族 I 型受体产生独特的信号反应

流体剪切应力通过激活骨细胞中的多个 TGFβ 家族 I 型受体产生独特的信号反应


实验摘要:

骨骼是一种动态组织,可以不断适应不断变化的机械需求。转化生长因子 β (TGFβ) 信号通路通过耦合成骨细胞和破骨细胞的骨形成和骨吸收活动,并在骨骼对施加负荷的合成反应中发挥因果作用,从而在维持骨骼稳态方面发挥着重要作用。然而,尽管研究表明流体沿小管流动是骨压缩后骨细胞感知的主要物理线索,但骨细胞中 TGFβ 信号通路受流体剪切应力 (FSS) 直接调节的程度尚不清楚。


部分实验内容:

为了确定流体剪切应力 (FSS) 调节 TGFβ 信号传导的机制,实验开发并验证了 PDMS 微流体培养系统。COMSOL 计算模型支持精确刺激细胞的能力,该模型预测整个细胞室的层流和均匀 FSS 条件。

首先,对骨细胞施加0.1Pa的FSS,设置无刺激对照组。结果显示,0.1 Pa FSS在转染的骨细胞样 OCY454 细胞中激活绿色荧光蛋白 (GFP) Ca 2+报告基因构建体 (G-CaMP3)。37 次荧光强度测量显示,在施加剪切应力后数秒内,细胞溶质 Ca 2+水平同步增加,而在相同条件下生长的未受刺激的对照细胞没有变化。同样,FSS 也会迅速激活AKT 磷酸化和Ptgs2 mRNA 表达。


此外,尽管 FSS 刺激会激活内皮细胞和肾脏上皮细胞中的 TGFβ 信号传导,但TGFβ信号对骨细胞中FSS的响应尚未被研究。实验表明,在施加0.1 Pa FSS 的 30 分钟内,Smad2/3 易位到细胞核,就像它对 5 ng/mL TGFβ 处理时的反应一样。有趣的是,虽然FSS刺激和TGFβ治疗都能在大多数量化的细胞中诱导核定位Smads的增加,但响应细胞的百分比和荧光的平均差异在 TGFβ 处理的细胞中更大。

其他评估 FSS 对骨细胞样细胞调节的研究使用了 从0.2-0.5 Pa 到 1.6-5 Pa 的稳定、脉冲和振荡剪切应力。为了确定TGFβ信号对这些FSS参数的敏感性,用0.01、0.1和1.0 Pa FSS刺激细胞30分钟或者用脉冲和稳定的FSS。结果显示,与最低水平的静态对照组相比,FSS暴露的所有细胞中pSmad2/3水平均增加,在0.01 Pa以上的通路激活仅略有增加。同样,在比较脉冲FSS (1 s on, 1 s off)和稳定FSS的影响时,也没有观察到差异。FSS 诱导的磷酸化和TGFβ 激活的 Smads 的核易位表明,即使在没有添加 TGFβ 的情况下,FSS 也足以激活 TGFβ 信号。


部分实验结果:

FSS 快速诱导 OCY454 细胞中 Smad2/3 的核易位

TGFβ 和 FSS 在 OCY454 细胞中表现出重叠但不同的反应


实验结论:

实验发现流体剪切应力激活 TGFβ 家族信号的方式在质量和数量上都不同于由 TGFβ 或 BMP 配体激活的信号通路;此外,FSS 通过同时激活多个 TGFβ 家族 I 型受体产生与 TGFβ 或 BMP 不同的反应,为细胞通过生理和物理线索整合信号产生独特反应的机制提供了新的见解。



参考文章:Monteiro DA, Dole NS, Campos JL, Kaya S, Schurman CA, Belair CD, Alliston T. Fluid shear stress generates a unique signaling response by activating multiple TGFβ family type I

receptors in osteocytes. FASEB J. 2021 Mar;35(3):e21263. doi: 10.1096/fj.202001998R. PMID: 33570811; PMCID: PMC7888383.

原文链接:https://doi-org.proxy.library.carleton.ca/10.1096/fj.202001998R


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