流体剪切力与红细胞膜骨架形成之间的关系研究进展

流体剪切力与红细胞膜骨架形成之间的关
系研究进展
姚伟娟
5 10
（北京大学医学部基础医学院生理与病理生理学系，北京100191）
摘要：红细胞具有强大的变形能力，在动脉循环中能够忍受流体剪切力的作用，还能在微循环中忍受很大的扭曲变形，却不破裂或丢失其完整性。

这来自于红细胞膜和它的细胞骨架。

本文概述了红细胞发育成熟过程中细胞骨架蛋白的改变，提示除了化学因素外，物理因素如流体剪切力和静压力也可能对红细胞的发育成熟起到重要的调节作用。

近年来关于流体剪切力对造血干细胞发育的影响研究以及流体剪切力对内皮细胞中基因表达的调控研究提示我们，流体剪切力可能会通过影响红细胞骨架蛋白的表达而影响红细胞的成熟和细胞膜骨架中六边形拓扑结构的形成，而这还有待于我们进一步的研究。

关键词：红细胞；细胞骨架；流体剪切力；基因表达
中图分类号：Q66
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Fluid Shear Stress and Erythrocyte Cytoskeleton Formation
Yao Weijuan
(Department of Physiology and Pathophysiology, School of Basic Medical Sciences, Peking
University Health Science Center, Beijing 100191)
20 25 30 35 40 Abstract: Erythrocytes are deformable cells and they could bear the shear stress in arteries and the bending in capillaries without being destroyed. All these properties come from their membrane cytoskeleton. In this paper, we summarized the changes in cytoskeleton during erythrocyte maturation. Besides the chemical factors, physical factors like fluid shear stress and hydrostatic pressure might play a role in the erythrocyte maturation and cytoskeleton formation. Studies about the effects of fluid shear stress on hematopoietic stem cells and the gene regulation of shear stress on endothelial cells were summarized. These studies indicate that shear stress may control the maturation of erythrocytes and formation of the lattice topology by regulating the gene expression of cytoskeletal proteins.
Keywords: Erythrocyte; Cytoskeleton; Fluid shear stress; Gene expression
0引言
红细胞在血管中流动时，不仅要在动脉循环中忍受流体剪切力的作用，还要在微循环中忍受很大的扭曲变形，却能够不破裂或丢失其完整性。

这种强大的变形能力来自于红细胞膜和它的细胞骨架[1]。

红细胞的细胞骨架由许多主要蛋白（如α-、β-血影蛋白、肌动蛋白和带3 蛋白等）和一些次要蛋白（如原肌球蛋白和原肌球调节蛋白 1 等）所组成。

这些蛋白组成六边形网格结构（hexagonal lattice），且通过带 3 及相关蛋白形成与脂双层在垂直方向上的连接。

膜骨架的这种精细结构是在有核红细胞发育成熟为无核红细胞的过程中形成的，因此各种膜骨架蛋白在这一过程中的表达变化对于骨架的形成起着至关重要的作用[2]。

而由于基因突变造成的骨架蛋白的变化直接影响着膜骨架的组装，从而引起球形或椭圆形红细胞增多症，造成病人的贫血[3, 4]。

因此，研究各种膜骨架蛋白在红细胞膜骨架结构形成中的作用，
已成为科学家们研究的重点，这不仅具有重要的科学意义也具有重要的临床意义。

基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(20090001120041)；国家自然科学基金资助课题（31170886）
作者简介：姚伟娟，（1975-），女，副教授，生物力学。

E-mail:*******************.cn。

但是，由于在 。

在骨髓腔中，其静压力低于体循环中的静压力，有研究将其模拟为 380mmHg
15dyn/cm。

1 红细胞的发育和细胞骨架
在成年哺乳动物中，红细胞的发生和发育（erythropoiesis ）主要起源于骨髓中的造血干 细胞（hematopoiesis stem cells, HSC ），经历原红细胞、早幼红细胞、中幼红细胞、晚幼红
45
50
55
60 细胞和网织红细胞阶段，并释放入血液循环中，网织红细胞经过 2-3 天转变为成熟红细胞。

但是在早期胚胎中，红细胞的发生主要来自于卵黄囊的中胚层细胞[5]。

在小鼠胚胎中，“原 始”成红细胞（primitive erythroblasts ）首先在卵黄囊的“血岛”中发育，在胚胎期 8.25（E8.25） 天心脏开始搏动时进入循环；在 E10.5 天，由 A GM （aorta-gonad-mesonephros ）区域产生“次 级”成红细胞（definitive erythroblasts ）[6]；在 E12.5 天时，成红细胞的产生区域转移到胎肝 中，从此成红细胞在循环中流动并成为主要的细胞类型，同时进行脱核和成熟。

Peters 等[7] 从小鼠胚胎中分离了不同发育阶段的红细胞，检测了细胞骨架蛋白的表达。

发现在原始成红 细胞分化过程中，锚蛋白 、α-和 β-血影蛋白的 mRNA 水平都增加。

Liu 等[8]研究了成年小 鼠外周血中网织红细胞成熟过程中近 30 个膜蛋白的表达及它们之间相互作用的变化规律。

发现微管蛋白和胞浆中的肌动蛋白都丢失，而肌球蛋白、原肌球蛋白、细胞间粘附分子-4 和葡萄糖转运蛋白 4 等蛋白在膜上的含量都降低。

在蛋白-蛋白相互作用上，对于形成膜与 骨架连接有关的相互作用在网织红细胞中较弱，这部分是由于在网织红细胞中带 4.1R 蛋白 的磷酸化水平高从而减弱了它与血影蛋白和肌动蛋白的相互作用造成的。

有核红细胞来自于造血干细胞的定向分化，这种定向分化受到特定生长因子和许多外源 生长因子的调节，如红细胞生成素（EPO ）、干细胞因子（stem cell factor, SCF ）、Flt3/Flt2 受体酪氨酸激酶配体（FL ）、白细胞介素（IL ）-1、IL-3 和 IL-6 等[9]。

Komor 等[10]用 EPO 、
IL-3 、FL 和 SCF 将正常人的 CD34+骨髓细胞诱导为红系细胞，在诱导 4、7 和 11 天时细 胞分别对应于原红细胞、早幼红细胞和晚幼红细胞。

他们发现在红细胞的这一发育过程中， 有多种膜骨架蛋白基因都高表达，如原肌球调节蛋白 1、带 4.2、带 3 蛋白、adducin 、锚蛋 白和 β-血影蛋白等，特别是原肌球调节蛋白 1 的基因表达水平持续升高。

这一结果说明， 65 膜骨架蛋白在红细胞发育过程中的表达是受到各种细胞因子的调节的[11,
12] 胚胎中红细胞起源于造血干细胞，并在外周循环中完成脱核和成熟 [13，而在成体中的红细 胞起源于骨髓中的造血干细胞，并也在外周循环中成熟。

这些事实提示我们，除了细胞因子 的调节外，外周循环以及骨髓中的物理环境也可能是诱导和促进红细胞分化和成熟的重要因 素，因此也可能是调节细胞膜骨架蛋白基因表达的重要因素。

这些因素包括外周循环中的流 70 体剪切力和骨髓中的静压力。

已有研究利用超声多普勒仪测定了小鼠胚胎主动脉中血液循环
所产生的壁切应力约为 5dyn/cm 2[5,
14] ，而在正常人体中动脉血液循环产生的切应力约为 2[15] [16]
2 流体剪切力与造血干细胞发育 75 80 目前，关于流体剪切力或静压力对红细胞膜骨架蛋白基因表达的影响还未见过报道。

但
是最近分别发表在 Nature 和 Cell 上的两项研究表明，流体剪切力是造血干细胞形成的一个 决定因素。

Adamo 等[17]研究了流体剪切力对小鼠胚胎干细胞向造血干细胞分化的作用。

他 们利用类似于胚胎主动脉中壁剪切力的强度 5dyn/cm2 剪切胚胎干细胞，发现剪切力能增加 造血干细胞特异的转录因子 Runx1 的表达，并且能够增加造血干细胞克隆形成能力。

另外， 流体剪切力能增加小鼠胚胎中 A GM 区域细胞的造血克隆形成能力和造血标志基因的表达，
更重要的是，他们还发现剪切力能够促进有核红细胞的成熟。

North 等[18]发现用舒张血管和
增加血流的药物处理斑马鱼胚胎时，Runx1 的表达增加，而用引起血管收缩的药物处理时则
降低Runx1 的表达；他们发现既无心跳也无血流的sih 突变体胚胎根本无法形成造血干细胞。

关于血流是如何启动造血干细胞形成的，两个研究都将其与一氧化氮（NO）信号传导通路
85 90 95 100 105 110 115 联系起来，这个通路不仅受血流引起的剪切力调控，同时也是血细胞生成的调节因子[19]。

在小鼠和斑马鱼的胚胎中抑制NO 合酶，降低NO 的产生，会引起Runx1 表达的下降和主动脉中造血干细胞的形成减少，而增加NO 的含量会使Runx1 表达增加，造血干细胞形成增加。

虽然上述研究中并没有着重强调流体剪切力在造血干细胞向红系细胞定向分化中的作
用，但是Adamo 等的研究证明了剪切力能够促进有核红细胞的成熟，这为我们提供了一个
有用的提示，即：流体剪切力在有核红细胞的发育成熟过程中发挥作用，同时也可能在膜骨
架蛋白的表达调控中发挥着重要的作用。

3流体剪切力与基因表达
关于流体剪切力与红系细胞中的基因表达还鲜有人研究过，但是在内皮细胞中，剪切力
和基因表达的关系却有大量的研究。

人们发现内皮细胞对剪切力敏感并会发生一系列功能上
的改变，当内皮功能改变时，相关基因的表达就会相应改变。

目前人们已经发现至少有30
种基因在剪切力作用下改变。

这些基因可以归为[20]：调节血管紧张性的基因、调节细胞生
长的基因、凝血和纤溶相关基因、细胞粘附分子基因、趋化因子基因和原癌基因。

除此之外，血管内皮生长因子受体2（VEGFR2/Flk-1）以及转录因子Klf-2 的表达也都受到剪切力的调
节[21, 22]。

人们发现在这些剪切力敏感基因中，有些基因（如血小板衍生生长因子等）的启动子中
存在着剪切应力反应元件（shear stress response element, SSRE），其核苷酸序列为
5’-GA GA CC-3’或其互补序列5’-GGTCTC-3’，为一种顺式作用元件，直接介导基因的表达，
后来这个序列被确定为核因子⎢B（Nuclear Factor-⎢B, NF-⎢B）的结合位点。

但是更多基因的
启动子中并不存在这样的SSRE，却能够通过其它转录因子的激活而介导对剪切力的反应，
这些转录因子包括激活蛋白-1（Activator Protein-1, AP-1）、早期生长反应蛋白-1（Early Growth Responsive-1, Egr-1）和刺激蛋白1（Stimulatory Protein-1, Sp1）[23, 24]。

人们推测上述转录因
子的激活是剪切力通过激活多个不同的信号传导通路而实现的，包括离子通道、G-蛋白耦联
受体、整合素和多种蛋白激酶等。

Shyy 等[25]发现丝裂原激活的蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases, MAPKs）（ERK1/2）通路参与了剪切力引起的AP-1 介导的基因表达。

Boo
等[26]发现剪切力对NO 产生的调节依赖于蛋白激酶A（protein kinase A, PKA）和蛋白激酶 B （protein kinase B, A kt）。

Huddleson 等[22]发现剪切力对转录因子Klf2 的诱导是通过磷酸肌
醇 3 激酶（phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K）依赖的/Akt 非依赖的信号通路来调节的。

以
上的信息可以为我们研究红细胞膜骨架蛋白基因的表达提供参考和思路。

4结论
在红细胞发育成熟过程中，从有核细胞变为无核细胞，其细胞骨架发生了显著的变化。

除了化学因素外，物理因素如流体剪切力和静压力也可能对红细胞的发育成熟起到重要的调
节作用。

近年来关于流体剪切力对造血干细胞发育的影响研究以及流体剪切力对内皮细胞中
基因表达的调控研究提示我们，流体剪切力可能会通过影响红细胞骨架蛋白的表达而影响红
细胞的成熟和细胞膜骨架中六边形拓扑结构的形成，而这还有待于我们进一步的研究。

120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 [参考文献] (References)
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