《Journal of Biological Chemistry》：Forces That Shape the Transcriptome: Linking Cellular Mechanosensing to mRNA splicing
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本文系统梳理了细胞机械感知信号（Mechanosensing）调控mRNA可变剪接（Alternative Splicing, AS）的分子机制及其在发育、稳态和疾病（尤其是心、肌、血管、神经、肿瘤等相关疾病）中的关键作用。作者从分子、生理、病理三个层面，阐释了细胞如何感知胞外基质（ECM）刚度、流体剪切力、拉伸等力学信号，并通过整合素-细胞骨架-核骨架（LINC复合体）通路、Rho/ROCK信号轴、Hippo通路效应子YAP/TAZ等，将信号传递至细胞核，影响剪接因子（SR、hnRNP家族、PTBP1、RBM20等）的活性、亚细胞定位及核内三维空间分布（如核斑），从而实现对特定基因（如TTN、FN1、YAP1、TP53、MAPT等）前体mRNA的剪接调控。该综述强调了机械信号控制的剪接是细胞应对环境变化、实现快速可塑性适应的普遍而基本的生物学过程，其失调是众多疾病的共同病理基础，为理解发育障碍、心脏病、肌营养不良症、神经退行性疾病和癌症提供了新视角。
Cellular mechanosensing
Molecular mechanisms of cellular mechanosensing
在活细胞中，来自胞外基质（ECM）或相邻细胞的机械刺激（如拉伸、ECM刚度变化、细胞粘附张力、流体剪切应力等）首先被细胞感知。感知这些力学信号的主要结构是整合素为基础的、动态的黏着斑复合体。力学信号通过细胞骨架（主要是F-肌动蛋白应力纤维）向内传递，并进一步被传递至细胞核。这一过程称为力信号转导（Mechanotransduction）。
力信号传递至细胞核涉及多种机制，包括通过连接核骨架与细胞骨架的LINC复合体。细胞核自身也具有机械敏感装置，如核纤层蛋白Lamin A。机械信号最终会影响染色质可及性，并可能通过影响RNA结合蛋白（RBP）的三维空间分布来调控mRNA的剪接。研究表明，Rho-肌动球蛋白信号轴是将机械信号与可变剪接联系起来的核心通路之一。例如，在成骨细胞中，力学刺激通过增加肌动蛋白应力纤维的形成，改变血管内皮生长因子A（VEGF-A）的可变剪接。同样，ECM刚度通过Rho依赖的肌动球蛋白收缩力调节剪接因子PTBP1的核定位，进而控制其靶转录本（如Numb）的剪接，这在细胞铺展、增殖和成骨分化中至关重要。
Physiological mechanosensing
机械感知在胚胎发育的早期阶段就扮演着核心角色，从胚胎压实到原肠胚形成，力学信号与形态发生素信号协同作用，调控细胞命运决定和组织分化。例如，在囊胚中，机械调节蛋白YAP在外层细胞的核内定位提示力学信号可能参与滋养外胚层和内细胞团细胞的命运决定。
在多能干细胞（PSC）培养的二维集落中，细胞在集落边缘和中心位置暴露于不同的力学微环境（如细胞-细胞/细胞-基质粘附张力），这导致了基因表达的差异，并影响了细胞的分化倾向，形成同心圆式的命运分化模式。这体现了机械力在空间上调控干细胞异质性和模式形成的关键作用。
除了发育，机械感知在免疫反应和血管稳态中也至关重要。例如，血流剪切力诱导的内皮细胞机械感知，通过DDR1-14-3-3ε蛋白凝聚物形成促进YAP核转位，以维持血管稳态。免疫细胞如中性粒细胞在穿越狭窄血管时的变形，也会通过PIEZO1通道诱导转录重编程。
Pathological mechanosensing
当正常细胞内力传递或胞外环境物理性质发生改变时，可能导致疾病。许多常见疾病，如肿瘤、动脉粥样硬化、关节炎、心肌病以及多种发育障碍，都涉及对机械力的异常生理反应。例如，心肌梗死后，ECM成分和结构发生显著变化，瘢痕组织刚度增加，导致心肌组织顺应性下降。肿瘤微环境中的ECM硬化可激活YAP/TAZ信号，促进肿瘤细胞增殖和干性，并触发Rho依赖的细胞骨架张力，重编程细胞代谢状态以满足高能量需求。在动脉粥样硬化中，ECM重塑与剪切应力共同作用，激活NF-κB、TGF-β等信号通路。在神经退行性疾病（如阿尔茨海默病和帕金森病）中，细胞骨架蛋白的异常修饰（如Tau蛋白、α-突触核蛋白）会破坏细胞骨架的正常动力学，而PIEZO1、TRPV4等机械敏感离子通道的突变也被认为与疾病发展相关。
mRNA processing
Mechanism and regulation of RNA splicing
mRNA剪接是基因表达中的关键步骤，由剪接体执行。可变剪接允许从一个基因产生多种mRNA异构体，极大地增加了转录组和蛋白质组的多样性。人类约95%的蛋白质编码基因经历可变剪接。该过程受到顺式作用元件（如外显子/内含子剪接增强子或沉默子）和反式作用因子（主要是RNA结合蛋白，RBP）的精密调控。最重要的两类剪接调控RBP家族是富含丝氨酸/精氨酸的SR蛋白和异质核核糖核蛋白（hnRNP）。SR蛋白通常结合增强子促进剪接，而hnRNP则倾向于结合沉默子抑制剪接。这两类蛋白的功能拮抗是剪接调控的核心。许多其他RBP，如PTBP1、NOVA蛋白等，也直接参与剪接调控。
Organization of AS regulators in the nucleus
剪接调控元件在无膜核器中高度有序地组织。其中最重要的是核斑（又称剪接斑），它是剪接因子的储存和调控枢纽。基因在基因组中相对于核斑的位置会影响其剪接效率。RNA分子在核斑内的三维组织与差异蛋白质组组成密切相关，富含SR蛋白结合基序的RNA转录本更靠近核斑中心，而富含hnRNP结合基序的则位于核斑外围。其他与剪接相关的核体包括核仁、卡哈尔体和副核斑。这些核体的空间结构和内部的RNA-蛋白质相互作用对剪接体可用性、剪接效率和转录本命运至关重要。
AS in disease
可变剪接调控的破坏可导致功能失调和疾病。许多人类疾病源于干扰正常剪接模式的突变。在癌症中，失调的可变剪接可导致细胞增殖增加、凋亡减少、迁移和转移增强、化疗耐药和免疫逃逸。例如，肿瘤抑制因子p53的可变剪接会产生多种异构体，其中一些可与野生型p53竞争，损害细胞周期控制、凋亡和DNA修复，促进细胞转化和血管生成。神经退行性疾病对剪接错误高度敏感。在阿尔茨海默病中，MAPT基因外显子10的可变剪接异常导致4重复Tau蛋白（4R Tau）相对于3重复Tau蛋白（3R Tau）的比例失衡，促进了蛋白聚集和神经退行。在帕金森病中，SNCA基因的剪接变体可能加速α-突触核蛋白聚集形成路易小体。在亨廷顿病中，HTT基因中CAG重复序列的扩增可导致剪接体蛋白被突变mRNA捕获，造成剪接异常。
Mechanosensitive AS in physiological state
在健康生物体中，机械诱导的可变剪接是组织发育、稳态和生理适应的关键调控机制。在胚胎发育的细胞水平，来自ECM的力学信号可通过剪接机制本身转化为细胞命运决定。例如，剪接因子PTBP1可作为关键的力信号转导子，改变其核内丰度以调控细胞命运决定因子Numb的剪接，从而调节增殖和分化。在器官发生中，这种力学指令对正确的组织结构至关重要。例如，在发育中的肺脏，胎儿呼吸运动产生的周期性拉伸是指导血清反应因子（SRF）剪接所必需的，通过切除一个“毒性”外显子以产生气道肌肉形成所需的全长蛋白。
在心血管系统发育和稳态中，机械信号与剪接的相互作用尤为明显。剪切应力和ECM刚度可激活机械转导通路，调控特定RBP（如Nova2）的活性，进而影响内皮细胞极化、管腔形成和血管模式形成所必需的基因（如Pard3、Pard6b、UNC5B）的剪接。出生后，持续的血流动力学负荷增加驱动了由RBM20介导的巨蛋白肌联蛋白（Titin）的剪接转换。胎儿心脏主要表达较长、更富弹性的N2BA亚型，出生后逐渐被较短、较硬的N2B亚型取代，这一转换对心脏适应出生后高压循环系统至关重要。RBM20依赖的剪接程序还延伸到参与兴奋-收缩偶联和钙处理的基因（如CAMK2D、CACNA1C、RYR2），从而将力学信号转化为协调心肌细胞成熟所需的转录组重塑。
Mechanosensitive AS in disease
Heart failure
在心力衰竭中，与ECM重塑相关的机械应力增加可诱导剪接调控因子hnRNPC从心肌细胞核内转位至肌节Z盘。hnRNPC从核内的耗竭直接影响其调控前体mRNA可变剪接的能力，导致包括YAP1和CD44在内的数千个转录本剪接发生显著变化。具体而言，hnRNPC耗竭促进了YAP1转录本中外显子4的包含，并影响了YAP1-1和YAP1-2剪接变体之间的总体平衡。同样，CD44转录本中可变外显子7的包含在hnRNPC耗竭后增加。这揭示了ECM重塑如何利用机械敏感的RBP和可变剪接触发心肌细胞对力学刺激的快速适应。
肌肉基因肌钙蛋白T（TnT）的转录本也响应机械刺激而发生可变剪接。在骨骼肌中，肌肉负荷增加或肌细胞拉伸可导致TNNT3基因外显子4的包含增加，该过程受Akt信号通路调控。在心脏中，TNNT2基因的可变剪接主要影响外显子4和5，产生四种心脏肌钙蛋白T异构体（cTnT1-4）。其中cTnT4在胎儿心脏中表达，并在衰竭的人心中重新表达。
Cardiac fibrosis
心脏成纤维细胞对机械信号高度敏感，这些信号显著影响纤连蛋白前体mRNA的剪接。在心肌肥大或心肌梗死后，机械负荷增加可诱导心脏成纤维细胞产生特定的纤连蛋白异构体，特别是包含额外结构域A（EDA）的异构体。EDA域的包含产生更具细胞粘附性的纤连蛋白形式，增强了成纤维细胞产生更纤维化、更僵硬ECM的能力，促进病理性心脏重塑。EDA外显子的剪接受剪接因子ASF/SF2（促进包含）和hnRNP A1（促进跳过）的调控。
Dilated cardiomyopathy
剪接抑制因子RNA结合基序蛋白20（RBM20）的突变与人类扩张型心肌病相关。RBM20的疾病相关突变常导致其错误定位到细胞质，形成颗粒，从而引发剪接缺陷。RBM20最显著的剪接靶标是肌联蛋白（Titin）。在扩张型心肌病和心力衰竭患者中，胎儿型肌联蛋白异构体N2BA的比例显著高于对照组。N2BA异构体的上调似乎是一种代偿性适应反应，以对抗ECM硬度的增加。除了Titin，RBM20还调控线粒体功能、钙处理和离子通道等相关基因的剪接。
Duchenne muscular dystrophy
在杜氏肌营养不良症（DMD）模型中，机械敏感的RBP和剪接模式发生改变。对C2C12肌细胞的拉伸会导致丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路成分表达的变化，进而促进外显子的包含。SR蛋白家族（如SRSF4）对拉伸的响应尤为明显。力学信号可调节SRSF4的磷酸化，从而与MAPK信号通路成员相互作用，影响剪接。
