机械调控剪接因子 PTBP1：细胞外基质刚度影响细胞增殖与铺展的新机制

时间：2025年4月7日

来源：iScience

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在细胞生物学研究中，细胞感知机械信号并转化为生化反应的机制尚未完全明晰。研究人员开展了关于机械控制剪接因子 PTBP1 调节细胞外基质（ECM）刚度诱导细胞增殖和铺展的研究，发现 PTBP1 在其中起关键作用，为机械转导提供了新见解。

在生命的微观世界里，细胞如同一个个精密的小工厂，时刻感知着周围环境的变化并做出反应。细胞外基质（ECM）的刚度、流体流动和压力等机械特性，对细胞的分化、内稳态维持、胚胎发育以及癌症、纤维化等疾病的进展都有着至关重要的影响。然而，机械信号究竟是如何转化为细胞内的生化变化的，这一问题一直困扰着科学家们。就像在黑暗中摸索，虽然知道前方有答案，但却看不清道路。为了揭开这个神秘的面纱，来自英国谢菲尔德大学（University of Sheffield）的研究人员开展了一项深入的研究，相关成果发表在《iScience》杂志上。

研究人员采用了一种大规模、系统性的方法来识别具有机械敏感核定位的蛋白质，旨在揭示它们在机械转导（mechanotransduction，细胞将机械信号转化为生化信号的过程）中的潜在作用。在众多被识别的蛋白质中，他们聚焦于剪接因子 PTBP1（polypyrimidine tract binding protein 1）。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是通过控制细胞肌动球蛋白（actomyosin）收缩力的变化，结合原位邻近生物素标记核蛋白质组，然后进行质谱分析，以此来筛选与机械转导相关的蛋白质。同时，利用 RNA 测序（RNA-seq）来确定 PTBP1 的替代剪接靶点。此外，还运用了小干扰 RNA（siRNA）介导的基因敲低技术，以及蛋白质印迹（western blotting）、免疫荧光（immunofluorescence）等实验技术，来验证和分析相关蛋白的表达和定位情况。

研究结果如下：

筛选方法的设计与验证：研究人员构建了表达组成型活性 RhoA 变体的 HEK293 细胞（HEK293-tet-RhoA），并稳定转染生物素连接酶（NL-TurboID），建立了一种筛选方法。该方法能有效识别 RhoA 激活后细胞核内蛋白质水平的变化，成功验证了 YAP（Yes 1 associated transcriptional regulator，一种已知的机械转导蛋白）在细胞核内的富集，为发现新的机械转导蛋白提供了有力工具。
PTBP1 是潜在的机械转导蛋白：通过 label-free 定量质谱分析，研究人员发现 RhoA 激活显著改变了核蛋白的分布，其中 PTBP1 在细胞核内的丰度增加。进一步研究发现，PTBP1 的核定位受细胞密度、细胞大小、ECM 刚度和肌动球蛋白收缩力等多种机械信号的调控，且其调控发生在蛋白质水平而非转录水平，表明 PTBP1 可能是细胞机械转导中的关键角色。
PTBP1 介导细胞的机械反应：在间充质干细胞分化过程中，PTBP1 敲低会显著抑制其向成骨细胞分化，与 YAP 敲低的效果相似。在细胞铺展实验中，PTBP1 敲低会导致细胞在硬基质上的铺展明显减少，同时降低整合素 β₁（integrin β₁，细胞铺展的关键分子）在细胞表面的表达水平。此外，PTBP1 对刚度诱导的细胞增殖也至关重要，敲低 PTBP1 会显著降低细胞在硬基质上的增殖速率。
PTBP1 控制 Numb 的机械敏感剪接：PTBP1 作为 mRNA 替代剪接的主要调节因子，研究人员通过 RNA 测序分析发现其敲低会导致 880 个替代剪接事件发生变化，其中 Numb 基因的替代剪接受其调控。在硬 ECM 上培养的细胞中，Numb 基因的外显子 9 包含水平增加，而 PTBP1 敲低会抑制这种变化。在蛋白质水平上，硬培养条件也会增加 Numb 较长剪接异构体的表达。
Numb 的替代剪接调节细胞的机械反应：通过改变 Numb 异构体的比例，研究人员发现包含外显子 9 的 Numb 异构体（Numb +E9）在细胞铺展、间充质干细胞分化和细胞增殖中起着关键作用。过表达 Numb +E9 异构体能够挽救 PTBP1 敲低对细胞增殖的影响，并部分恢复细胞在软基质上的铺展。
Numb +E9 异构体调节 MCF10A 细胞中整合素 β₁的回收：研究表明，Numb 异构体的比例至少部分通过控制整合素 β₁的回收来调节其细胞表面表达。转染 Numb 反义寡核苷酸会导致整合素 β₁回收延迟，其与早期内体标记物 EAA1 的共定位增加。

综合研究结论和讨论部分，这项研究具有重要意义。它揭示了 PTBP1 在机械转导中的关键作用，为理解细胞如何感知和响应机械信号提供了新的视角。同时，研究还发现 PTBP1 通过调节 Numb 的替代剪接影响细胞的多种机械反应，这一机制与癌症等疾病的发展可能密切相关。此外，研究结果也为未来开发针对机械转导相关疾病的治疗策略提供了潜在的靶点和理论依据，有望推动组织工程、再生医学以及癌症治疗等领域的发展。然而，该研究也存在一定的局限性，如筛选可能并不全面，未识别出一些已知的机械敏感转录因子；对于 PTBP1 和 Numb 调节整合素 β₁表面表达的精确机制还需进一步探究；在原代上皮细胞或组织环境中评估 PTBP1 的作用也有待开展。但总体而言，这项研究为生命科学和健康医学领域开辟了新的研究方向，具有重要的科学价值和潜在的应用前景。