Advanced Science:BMP-2信号通路与力学信号转导的交叉协同机制

骨形态发生蛋白2(BMP-2)是骨组织形成过程中的重要生长因子,在骨修复与骨再生医学中扮演着重要角色。有研究发现,BMP-2诱导细胞成骨分化的功效与细胞微环境机械力学性能有关,然而机制尚不明确。本研究使用成骨分化仅受BMP-2影响而不受机械力影响的C2C12模型细胞,通过调控水凝胶模量给予细胞不同的机械力学刺激,验证机械力学对BMP-2功效的影响。再利用抑制剂控制肌动球蛋白骨架的收缩,表明细胞内作用力与力学信号转导是影响BMP-2功效的原因所在。细胞作用力的缺乏,抑制BMP-2诱导的成骨分化。

BMP-2与细胞膜表面的BMP-2受体结合,从而磷酸化信号通路蛋白Smad1/5/8,磷酸化的Smad1/5/8与Smad4形成多元络合物,并进入细胞核,起到转录子的作用。研究发现,该通路的活性受细胞作用力的影响甚微,即使在力缺乏的情况下,Smad转录子仍然可以与目标基因结合。而成骨相关基因的表达却受细胞作用力影响显著。因此,可能有细胞作用力相关转录调节子参与调控Smad转录子的转录活性。

YAP/TAZ是力学信号转导通路中的重要转录调节子,并已知与Smad在内的众多转录子发生分子间相互作用。细胞作用力可令YAP/TAZ向细胞核转移,激活其转录调节功能。敲低YAP/TAZ在细胞内的表达,BMP-2诱导成骨分化能力降低,而促进YAP/TAZ的额外表达,可让BMP-2刺激下的细胞在力缺乏的环境中成骨分化。而对YAP/TAZ表达量的调控,并不影响Smad转录子与目标基因的结合能力。因此,细胞微环境机械力学因素通过激活细胞力学信号转导通路,再通过YAP/TAZ影响BMP-2信号通路,以调控细胞成骨分化能力。

进一步研究发现,去除BMP-2之后,Smad转录子仍然能够保持与目标基因的相互作用,起到BMP-2刺激的“分子记忆”功效。对增殖被抑制的细胞,先后进行独立的BMP-2刺激与机械力学刺激,细胞成骨分化能力与BMP-2持续刺激时相当。因此,在实际应用中,利用BMP-2诱导细胞成骨分化,应给与细胞足够地机械力学刺激,而BMP-2可在初期维持较高浓度,激活所有亲代细胞的Smad信号通路,之后仅需维持较低浓度,以保持子代细胞的Smad活性。

相关结果发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.201902931)上。