機械敏感性離子通道Piezo1在代謝性疾病中的作用*

劉 陽，黃燕玲，趙雅雯，許戈陽

（暨南大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與公共衛(wèi)生學(xué)院生理學(xué)系，廣州廣東 510632）

代謝性疾病是一類與遺傳、環(huán)境、生活方式、運動等因素有關(guān)的病因復(fù)雜、病程緩慢且難以治愈的慢性疾病，包括糖尿病、肥胖、動脈粥樣硬化、高血壓等［1，2］。臨床上將這種代謝紊亂引發(fā)的一系列病理現(xiàn)象統(tǒng)稱為代謝綜合征（metabolic syndrome，MetS），其特征是血糖升高、胰島素抵抗和炎癥、血脂異常、脂肪蓄積、血壓升高、血栓形成等危險因素并存［2-3］。這些因素與患2 型糖尿病（type 2 diabetes，T2MD）和心血管疾病（cardiovascular diseases，CVD）等慢性病的風(fēng)險增加有關(guān)［4］。MetS 促使動脈粥樣硬化性心血管疾?。╝therosclerotic cardiovascular disease，ASCVD）的患病風(fēng)險大約增加1 倍，患糖尿病的風(fēng)險增加了大約5 倍，并且在成年人群中發(fā)病率很高，致使全球公共衛(wèi)生系統(tǒng)的成本明顯升高［5，6］。因此對影響代謝紊亂的相關(guān)因素的研究，以探尋代謝性疾病的病因和發(fā)病機制尤為重要。

碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)是維持機體正常生命活動所必需的。當營養(yǎng)物質(zhì)的合成代謝與分解代謝的平衡被打破時，往往會引起病理生理性變化，造成代謝紊亂并逐漸發(fā)展為糖尿病、肥胖、動脈粥樣硬化、高血壓等代謝性疾?。?］。而機械力感受及力學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)是生物體接收和響應(yīng)來自內(nèi)部和外部環(huán)境的機械刺激，調(diào)節(jié)各器官生理功能及能量代謝平衡的一種主要方式。并且近年來研究顯示Piezo1 參與多個能量代謝調(diào)節(jié)過程，Piezo1 離子通道功能障礙會誘發(fā)多種代謝性疾?。?］。機械刺激激活Piezo1，引起Ca2+內(nèi)流增多，影響INS-1 細胞的胰島素釋放，導(dǎo)致糖尿病及其并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展［9-10］。在脂類代謝的過程中，Piezo1可以影響脂肪組織的炎癥反應(yīng)、胰島素敏感性和調(diào)控前脂肪細胞的分化［11］。此外，Piezo1調(diào)控細胞的增殖、分化、遷移、凋亡、炎癥反應(yīng)和血管舒縮等過程，引起血管壁的脂質(zhì)斑塊形成和血管內(nèi)皮的改變，進而導(dǎo)致動脈粥樣硬化和高血壓等代謝性疾病的發(fā)生發(fā)展［12-13］。因此，本文綜述近年來的相關(guān)文獻，討論機械敏感性離子通道Piezo1在糖尿病、肥胖、動脈粥樣硬化、高血壓等代謝性疾病中的作用，為代謝性疾病的病因和發(fā)病機制提供參考資料。

1 Piezo蛋白的發(fā)現(xiàn)

機械敏感性離子通道可將機械刺激轉(zhuǎn)換成生物信號來調(diào)節(jié)各項生理活動，其中，機械敏感性離子通道Piezo 是一種新型的機械門控離子通道，廣泛分布于哺乳動物的皮膚、腎臟、肺、心臟等各個組織器官。2010 年Coste 檢測到受刺激的小鼠神經(jīng)母細胞瘤細胞（Neuro2A）可以產(chǎn)生與脊椎動物體內(nèi)相似的機械激活（MA）的電流，并通過使用Affymetrix 微陣列篩選Neuro2A 細胞中能產(chǎn)生MA 電流的離子通道候選轉(zhuǎn)錄本。Coste 使用siRNA 下調(diào)Neuro2A 細胞中的每個候選基因的表達后，測量壓力誘發(fā)的MA電流的變化，最終結(jié)果顯示，敲低Fam38A導(dǎo)致MA 電流顯著降低，F(xiàn)am38A編碼被機械壓力激活的離子通道蛋白。Coste 將這個蛋白命名為Piezo1，來自希臘語“π?εση”（p?esi），意思為“壓力”［14］。隨后研究進一步確定了脊椎動物特有兩類Piezo 蛋白亞型：Piezo1 和Piezo2，而在其他類型的動物和植物中只表達一種Piezo 亞型［14-15］。隨著研究的深入，Piezo 蛋白的結(jié)構(gòu)和功能已逐漸清晰。

2 Piezo蛋白的分型和功能及其下游信號通路

不同于其他物種，脊椎動物體內(nèi)Piezo 可分為Piezo1 和Piezo2 兩類亞 型，分別由FAM38A和FAM38B基因編碼。當外界機械性張力刺激細胞膜時，細胞膜或細胞膜附近的Piezo1或Piezo2能夠感受刺激，打開離子通道從而使得Na+、Ca2+等陽離子進入細胞，實現(xiàn)機械刺激向電信號和化學(xué)信號的轉(zhuǎn)化［16］。

Piezo1主要表達暴露在流體壓力和流量的組織，如：皮膚、腎臟、肺、膀胱、結(jié)腸、腎臟等組織器官［14］。Piezo1 蛋白能夠感知與肺、膀胱、結(jié)腸等內(nèi)臟疼痛相關(guān)的機械信號，介導(dǎo)Na+、Ca2+等離子的內(nèi)流，從而調(diào)控相應(yīng)的生理過程。而Ca2+作為最關(guān)鍵和最普遍的第二信使之一，參與眾多細胞信號的傳導(dǎo)。Piezo1離子通道可以通過細胞內(nèi)儲存的鈣庫釋放或細胞外膜形成機械門控離子通道來調(diào)控細胞內(nèi)Ca2+濃度［17］。當細胞內(nèi)的Ca2+濃度增加時，可通過以下幾條信號通路介導(dǎo)相關(guān)的代謝性疾病的發(fā)生發(fā)展：（1）促進INS-1細胞、小鼠胰島釋放胰島素［9］；（2）Ca2+-FGF1通路可以影響脂肪細胞的分化，誘發(fā)脂質(zhì)的蓄積，介導(dǎo)肥胖的發(fā)生 和進展［18］；（3）通 過Ca2+-TNF-α、NF-κB、VCAM-1 通路介導(dǎo)介導(dǎo)內(nèi)皮動脈粥樣硬化性炎癥反應(yīng)［19］；（4）通過CaM-CaMKKβ-CaMKIV-mTOR 通路介導(dǎo)細胞的增殖和遷移過程［20］；（5）可以通過P2Y2-Akt-NOS通路可以調(diào)控血管的舒縮，適應(yīng)機體血壓的變化［13］。見圖1。

Piezo2多數(shù)富集在三叉神經(jīng)感覺細胞、背根神經(jīng)節(jié)和Merkel細胞等感覺組織中，能感應(yīng)觸覺、痛覺等刺激［21］。對于某些皮膚細胞和機械感覺神經(jīng)細胞來說，Piezo2 介導(dǎo)的Na+、Ca2+內(nèi)流可以使細胞膜去極化并觸發(fā)動作電位，而細胞中Piezo2基因缺失則會消除機械刺激誘發(fā)的電活動，從而導(dǎo)致機械感覺的障礙［21，22］。

3 Piezo1離子通道的激動劑與拮抗劑

Syeda 從325 萬種化合物中篩選出的一種名為Yoda1的小分子化合物，可以在沒有其他細胞成分的人工脂質(zhì)雙分子層中激活Piezo1 離子通道，并引起相應(yīng)電流的改變［23］。Yoda1 可以穩(wěn)定Piezo1 蛋白的開放構(gòu)象，降低激活的機械閾值，而這種效應(yīng)允許Yoda1 在沒有機械刺激的情況下激活部分Piezo1 離子通道，因此Yoda1 成為研究Piezo1 的常用激動劑［24，25］。盡管Piezo1 與Piezo2 之間的序列相似性很高，但Piezo2不受Yoda1的調(diào)節(jié)［25］。

半胱氨酸結(jié)家族的35 氨基酸肽毒素抑制劑（GsMTx-4）是一種從Grammostola spatulata 蜘蛛的毒液中分離出來的毒素，充當門控調(diào)節(jié)劑，增加通道激活所需的膜張力，有利于維持機械敏感性離子通道的關(guān)閉狀態(tài)［26，27］。D-GsMTx4 和L-GsMTx4 的結(jié)構(gòu)差異性較低，在阻斷Piezo1 機械敏感電流方面有相同效應(yīng)，而D-GsMTx4 則可以劑量依賴和可逆地抑制Piezo2機械敏感電流［28］。

4 Piezo1離子通道在代謝性疾病中的作用

Figure 1.Related signaling pathways after Piezo1 activation.Akt：protein kinase B；ATP：adenosine triphosphate；CaM：calmodulin；CaMKKβ：calcium/calmodulin-dependent protein kinase kinase β；CaMKIV：calcium/calmodulin-dependent protein kinase type IV；FGF21：fibroblast growth factor 21；JNK：c-Jun N-terminal kinase；mTOR：mammalian target of rapamycin；NF-κB：nuclear factor kappa B；NO：nitric oxide；NOS：nitric oxide synthases；Piezo1：Piezo type mechanosensitive ion channel component 1；P2Y2：P2Y purinoceptor 2；TNF-α：tumor necrosis factor alpha；VCAM-1：vascular cell adhesion molecule-1.圖1 Piezo1被激活后的相關(guān)信號通路

4.1 Piezo1離子通道在糖尿病中的作用 研究表明Piezo1 離子通道可以影響胰島素的分泌和相關(guān)的胰腺炎癥反應(yīng)，從而影響糖尿病的發(fā)生發(fā)展。Deivasikamani 及其同事觀察到INS-1 和BRIN-BD11 細胞均有Piezo1 的表達。采用Piezo1 的激動劑Yoda1 會激活Piezo1 離子通道，引起的Ca2+內(nèi)流增加。12dyne/cm2的剪切應(yīng)力刺激、高葡萄糖環(huán)境或低滲環(huán)境下細胞的腫脹均會誘導(dǎo)INS-1細胞分泌胰島素；而Piezo1-siRNA顯著抑制Yoda1和低滲對INS-1細胞的刺激作用。與野生型小鼠相比Yoda1 誘導(dǎo)胰島細胞分泌胰島素的效應(yīng)在Piezo1+/-小鼠受到明顯抑制［9］。這些結(jié)果表明Piezo1 離子通道激活能夠調(diào)控胰島素分泌，進一步研究機械敏感性離子通道Piezo1 誘導(dǎo)胰島素分泌的機制具有重要的臨床價值。此外，高血糖刺激血細胞中Piezo1的轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致人類血小板中的Ca2+升高和磷脂酰絲氨酸暴露，從而觸發(fā)凝血酶原復(fù)合物（Xa 因子、Va 因子和凝血酶原）在血小板表面的組裝，凝血酶生成，進而促進血栓形成［10］。這表明Piezo1通過促進血小板增加和凝血酶生成，在糖尿病患者中具有促血栓形成的作用，進而增加了糖尿病并發(fā)其它系統(tǒng)疾病的風(fēng)險。由此可以得出，Piezo1不僅參與了糖尿病的發(fā)生發(fā)展，而且對其所并發(fā)的其它系統(tǒng)相關(guān)疾病損害有關(guān)，在機體的糖代謝中起著重要作用。了解Piezo1 在各器官組織當中對糖代謝的相關(guān)機制和途徑，對于糖尿病的治療相關(guān)藥物的研發(fā)，有望能找到一些具有全身性調(diào)節(jié)糖代謝作用的藥物，進而找到治療糖尿病的新方法。

4.2 Piezo1離子通道在肥胖中的作用 脂肪細胞負責(zé)以脂肪的形式儲存食物能量，并具有高度的可塑性和動態(tài)性，以響應(yīng)營養(yǎng)的變化［29］。在肥胖癥中，脂肪可塑性受損，脂肪儲存和脂肪分解的平衡被打破，導(dǎo)致脂肪炎癥和脂肪分解增強，進而引起肝臟等其他代謝器官的異位脂質(zhì)沉積，導(dǎo)致全身胰島素抵抗［29，30］。

Romero 實驗室研究顯示，乳制品和魚類中的長鏈飽和脂肪酸會削弱小鼠神經(jīng)母細胞瘤細胞（Neuro2A）細胞中Piezo1 對機械刺激的應(yīng)答，從而抑制Neuro2A 細胞中Piezo1 的活性［31］。提示細胞能夠通過Piezo1 響應(yīng)脂肪酸代謝的變化。Zhao 則觀察到Piezo1在肥胖小鼠脂肪組織中高表達，脂肪組織特異性Piezo1敲除會引起脂肪炎癥浸潤和胰島素抵抗，高脂喂養(yǎng)則會進一步加劇這些不良后果。并且在脂肪組織特異性Piezo1敲除小鼠模型的肝臟中，脂肪酸合成基因的表達也顯著增加，進而導(dǎo)致肝臟的脂肪變性［11］。上述研究表明，Piezo1離子通道可能參與調(diào)節(jié)肥胖患者的脂質(zhì)代謝、維持脂肪可塑性、脂肪異位沉積和胰島素抵抗等過程。

在另一項研究中，Wang 的研究顯示在高脂喂養(yǎng)時，小鼠成熟脂肪細胞缺乏Piezo1 會造成前脂肪細胞向成熟脂肪細胞的分化障礙，導(dǎo)致脂肪細胞增大、脂肪組織重量增加、白色脂肪組織炎癥；這是因為成熟脂肪細胞中Piezo1 離子通道打開，Ca2+內(nèi)流增加，促進脂肪成纖維細胞生長因子1（FGF1）釋放，激活下游PI3K-MEK 通路，從而誘導(dǎo)前脂肪細胞的分化（見圖1）［18］。結(jié)合之前研究，脂肪細胞的可塑性對全身脂質(zhì)代謝和胰島素敏感性起著重要作用，并且隨著脂肪細胞大小和體積的變化，對細胞膜的機械性壓力刺激也隨之變化［11，18］。推測Piezo1 離子通道可通過感受肥胖所引起的脂肪細胞膜張力變化，參與調(diào)節(jié)脂類代謝、脂肪異位沉積、脂肪細胞的分化過程。

4.3 Piezo1離子通道在動脈粥樣硬化中的作用 脂質(zhì)代謝障礙是動脈粥樣硬化的病變基礎(chǔ)，血漿總膽固醇（TC）、甘油三酯（TG）、低密度脂蛋白膽固醇（VLDL-C）及相應(yīng)的載脂蛋白B（apoB）增高、高密度脂蛋白膽固醇（HDL-C）和載脂蛋白A（apoA）的降低均被認為是動脈粥樣硬化的高危因素［32］。動脈粥樣硬化的特點是脂質(zhì)和復(fù)合糖類積聚于血管壁內(nèi)膜，進而纖維組織增生及鈣質(zhì)沉著，導(dǎo)致動脈壁增厚變硬、血管腔狹窄，從而改變血流流體動力學(xué)，減少或阻斷組織器官的血流供應(yīng)［33］。而血管內(nèi)皮細胞、平滑肌細胞和巨噬細胞的病理性炎癥、細胞增殖、遷移和凋亡等相關(guān)因子改變是動脈粥樣硬化發(fā)病機制的標志［32-33］。大量研究已經(jīng)報道，血管內(nèi)皮Piezo1 在感受壓力、拉伸和流體剪切應(yīng)力中具有重要的意義。在動脈粥樣硬化小鼠中，GsMTx-4 可減少斑塊形成，下調(diào)小鼠頸動脈斑塊的炎癥相關(guān)因子JNK、TNF-α、NF-κB 和VCAM-1 的表達（圖1）。同時，氧化低密度脂蛋白（ox-LDL）刺激內(nèi)皮細胞（ECs）表達Piezo1 和JNK、TNF-α、NF-κB 等炎癥因子。YAP（Yes 相關(guān)蛋白）/TAZ（具有PDZ結(jié)構(gòu)域（盤狀同源區(qū)域）的轉(zhuǎn)錄共激活因子）在ox-LDL 誘導(dǎo)的內(nèi)皮細胞中被激活，且Piezo1 活性也得到增強，而Piezo1-siRNA 則削弱了ox-LDL 的效應(yīng)。此外，與對照組相比，ox-LDL 或Piezo1 激動劑Yoda1 均能誘導(dǎo)內(nèi)皮細胞Ca2+內(nèi)流，促進內(nèi)皮細胞YAP 核易位，而Piezo1-siRNA 可削弱這一作用。這些結(jié)果表明，Piezo1 可以通過調(diào)節(jié)YAP/TAZ 激活和核定位來介導(dǎo)內(nèi)皮動脈粥樣硬化性炎癥反應(yīng)［19］。在過度機械拉伸作用于EC 時，EC 上出現(xiàn)SMC 的標記物（SM22、-SMA、caldesmon-1、SM-MHC和calponin）表達增加，表明在機械拉伸促進EC 表型向SMC 表型的轉(zhuǎn)化，即EC 轉(zhuǎn)化為SMC，并且體外循環(huán)流體剪切應(yīng)力的機械刺激可促進血管平滑肌細胞增殖［34-35］。Piezo1 是非選擇性的Ca2+通道，Piezo1 的激活可以促進Ca2+內(nèi)流，而Ca2+在細胞增殖、遷移和凋亡調(diào)節(jié)中具有重要的作用［14，36］。細胞內(nèi)Ca2+可通過鈣調(diào)素（CaM）或鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶II（CaMKII）激活A(yù)kt/mTOR 通路，從而加速細胞增殖和遷移（見圖1）［20］?？傊?，Piezo1 通過調(diào)控細胞增殖、遷移和凋亡等過程，引起血管腔的狹窄和血管壁彈性下降等病理改變，在動脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。

4.4 Piezo1 離子通道在高血壓中的作用 Piezo1 在傳導(dǎo)細胞質(zhì)膜內(nèi)外部受力的過程中不可或缺，且被認為是內(nèi)皮依賴性血管發(fā)育和血壓調(diào)節(jié)所必須的血流傳感器［37，38］。Lhomme 的研究顯示，Yoda1 誘導(dǎo)腎上腺素預(yù)收縮的小鼠肺動脈（IPA）細胞外Ca2+內(nèi)流，內(nèi)皮一氧化氮合酶（eNOS）磷酸化，NO 合成增加，從而松弛IPA（見圖1），而特異性敲除內(nèi)皮細胞中的Piezo1可削弱Yoda1 的這一效應(yīng)［39］。并且Wang 在人臍動脈內(nèi)皮細胞（HUAEC）沉默Piezo1和血管內(nèi)皮細胞特異性敲除Piezo1的小鼠模型上也觀察到剪切應(yīng)力誘導(dǎo)的Ca2+內(nèi)流受到了抑制，內(nèi)皮eNOS 活性和的cAMP 釋放均顯著減弱、平均動脈血壓升高［13］。Iring和他的同事檢測到血管內(nèi)皮細胞上的Piezo1 受到流體剪切應(yīng)力的刺激后，可誘導(dǎo)腎上腺髓質(zhì)素釋放，進而激活其Gs（活化型調(diào)節(jié)蛋白受體）偶聯(lián)的嘌呤能受體P2Y2，升高胞內(nèi)cAMP 水平，促進了eNOS 的磷酸化，從而舒張血管，降低血壓［12］。這表明內(nèi)皮細胞Piezo1 可以通過控制Ca2+內(nèi)流，進而調(diào)控NO 的合成來調(diào)節(jié)血管的張力和血壓。

另外研究顯示，Piezo1 不僅影響血管內(nèi)皮的結(jié)構(gòu)，而且也可以調(diào)控血管平滑肌的增殖過程。Retailleau 的研究表明，在血管緊張素II（AngⅡ）誘發(fā)的慢性高血壓小鼠模型中，平滑肌特異性敲除Piezo1會導(dǎo)致小鼠的動脈直徑、壁厚和橫截面積顯著減少［37］。這些結(jié)果表明Piezo1 能夠通過響應(yīng)流量和壓力的變化來調(diào)控血管平滑肌細胞的增殖，進而引起動脈的結(jié)構(gòu)重塑，因此Piezo1 可能是治療高血壓疾病的一個新靶點。

綜上所述，Piezo1離子通道可以通過感受管腔的機械信號變化并將其轉(zhuǎn)換為細胞內(nèi)信號，引起血管張力、管徑和血管壁等多種血管形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能的變化，從而參與血壓的生理調(diào)節(jié)。因此Piezo1 在需要對流體剪切應(yīng)力作出反應(yīng)的血管內(nèi)皮細胞、平滑肌細胞和血管舒縮中發(fā)揮重要的作用，這可能成為高血壓和其它高血壓性心血管疾病藥物的研發(fā)途徑。

5 結(jié)語與展望

Piezo1蛋白是近年來研究的熱點，廣泛存在于機體的各個組織，Piezo1離子通道可作為機械門控通道感受外界多種機械力的變化，在調(diào)控細胞內(nèi)能量代謝中也發(fā)揮著重要的作用。在機體代謝紊亂，Piezo1的功能出現(xiàn)障礙時，通過影響下游信號的傳導(dǎo)，從而參與肥胖、糖尿病和動脈粥樣硬化、高血壓等代謝性疾病的發(fā)生發(fā)展。但Piezo1 離子通道如何感受機體能量異常、調(diào)控糖脂代謝的準確機制目前仍不是很清晰，有待深入研究，為相關(guān)的代謝性疾病的研究與治療提供新的途徑和方法。