机械加载诱导内皮细胞和肌细胞中独特和共享的应答，并揭示类运动分子谱

《The FASEB Journal》：Mechanical Loading Induces Distinct and Shared Responses in Endothelial and Muscle Cells and Reveals Exercise-Like Molecular Profiles

　　

骨骼肌和血管持续暴露于机械力，尤其在运动期间。研究人员对人内皮细胞和骨骼肌细胞施加周期性机械拉伸以模拟运动，并研究了急性分子应答。机械加载引发了转录组和代谢组谱中共享的和细胞类型特异性的改变，其中一些改变了在体内运动后观察到的变化。两种细胞类型响应机械加载均释放乙酸盐，至少部分通过活性氧（ROS）依赖机制。有趣的是，转录组变化在内皮细胞和肌细胞中方向相反。例如，与电子传递链（ETC）相关的基因在内皮细胞中受到抑制，但在骨骼肌细胞中上调。在内皮细胞中，机械加载促进了指示屏障完整性增强和增殖减弱的转录组转变。代谢变化在内皮细胞中更为显著，表现为由¹³C-(U)-葡萄糖示踪证明的葡萄糖来源丝氨酸生物合成增加。靶向磷酸甘油酸脱氢酶（PHGDH）（丝氨酸合成途径的关键酶）强调了丝氨酸生物合成在内皮细胞合成代谢中的作用。这些发现表明，机械加载重现了内皮细胞和肌细胞中几种运动诱导的效应，并突出了机械刺激、丝氨酸合成和内皮细胞静止之间的潜在联系。

**机械加载诱导内皮与肌细胞中独特与共享的应答及类运动分子谱的论文解读**

**研究背景、存在问题与研究意义**
骨骼肌是高血管化组织，肌纤维与内皮细胞占骨骼肌总细胞核数的约70%。运动过程中，机械力（如拉伸和剪切力）持续作用于肌细胞和血管内皮细胞，诱导功能与形态变化。既往研究已证实，周期性机械加载（如循环拉伸）可激活mTORC1通路、诱导肌管基因表达变化，并促进内皮细胞迁移、增殖及血管新生相关通路。然而，这些研究多聚焦于单一细胞类型，且缺乏对机械加载本身引发的全局分子重塑的比较。此外，运动诱导的代谢变化（如糖酵解与氧化磷酸化增强）已有报道，但机械加载对丝氨酸合成等糖酵解分支途径的影响及其在运动应答中的作用尚不明确。因此，本研究旨在比较人体内皮细胞与肌细胞对机械加载的转录组和代谢组响应，并探索其是否模拟运动效应，以揭示细胞类型特异性机制。论文发表在《The FASEB Journal》。

**主要技术方法**
研究人员使用两种人内皮细胞（HUVEC、HCMEC）和原代人骨骼肌细胞（HSkM，来自两名健康志愿者股外侧肌活检），通过商用电刺激系统（C-Pace EM 100）配合机械拉伸单元（C-Stretch 100）施加1 Hz、12%伸长率的循环拉伸5小时。采用RNA测序（Illumina NovaSeq 6000）进行转录组分析，使用¹H NMR波谱和UHPLC-MS/MS进行细胞外及细胞内代谢物检测，并结合¹³C-(U)-葡萄糖示踪评估丝氨酸合成。通过免疫荧光、EdU标记、流式细胞术评估细胞形态与增殖，并利用PHGDH过表达或化学抑制剂探究丝氨酸合成途径功能。

**研究结果**

**3.1 机械加载诱导细胞类型特异性转录组变化，模拟运动诱导应答**
通过差异基因表达分析，三种细胞类型均出现显著转录组变化（主成分分析证实），其中HUVEC的差异表达基因总数约为HCMEC或HSkM的3倍。内皮细胞间共享大量上调/下调基因，但内皮细胞与肌细胞重叠很小（仅CREB5上调、FAM43A下调）。基因集富集分析（GSEA）显示，HUVEC中内皮细胞发育、屏障建立、细胞连接相关通路上调，而肌细胞中氧化磷酸化（OXPHOS）和核糖体生物合成通路上调。值得注意的是，与电子传递链（ETC）复合体I-V相关的基因在内皮细胞中下调，在肌细胞中上调。此外，内皮细胞中KLF2/4、THBD、NRP2、YAP1、FLT1、KDR等机械敏感基因上调，肌细胞中NR4A3、ATF3、TNFRSF12A等运动相关基因变化与体内抗阻运动一致，表明体外模型有效模拟运动效应。

**3.2 机械加载抑制内皮细胞增殖、促进细胞排列并诱导连接相关转录本**
机械加载导致内皮细胞垂直于拉伸方向重排，VE-Cadherin膜表达有增加趋势（p=0.059），但Claudin 5和ZO-1无显著变化。EdU分析显示机械加载显著降低HUVEC增殖率（流式细胞术和显微镜），而总蛋白合成未受影响。通过MetaMEx数据库分析，发现急性有氧运动后人骨骼肌中内皮细胞发育通路基因上调，支持体内相关性。

**3.3 两种细胞类型响应机械加载均释放乙酸盐**
细胞外代谢物分析显示，HSkM和HUVEC在机械加载后均显著释放乙酸盐。H₂O₂处理可增加ROS水平并提高培养基乙酸盐浓度，而抗氧化剂二硫苏糖醇（DTT）抑制了机械加载诱导的乙酸盐释放，提示乙酸盐释放至少部分通过ROS依赖机制。尽管HSkM中ROS水平升高，但HUVEC中未检测到总ROS增加，可能原因包括局部ROS产生或静止内皮细胞更强的ROS清除能力。

**3.4 内皮细胞中细胞内代谢物变化大于肌细胞**
靶向UHPLC-MS/MS分析显示，HSkM中3/35个代谢物改变（葡萄糖-6-磷酸、磷酸肌酸降低，丙氨酸升高），HUVEC中11/38个代谢物改变（磷酸烯醇式丙酮酸、果糖-6-磷酸、α-酮戊二酸降低，磷酸丝氨酸、丝氨酸、天冬酰胺、苏氨酸、脯氨酸、丙氨酸、乙酰辅酶A、色氨酸升高）。代谢物过表达分析突出甘氨酸和丝氨酸代谢、谷氨酸代谢及Warburg效应通路。

**3.5 机械加载增加内皮细胞中葡萄糖来源的丝氨酸、丙氨酸和脯氨酸合成**
¹³C-(U)-葡萄糖示踪实验表明，机械加载后多个时间点细胞内总丝氨酸和全新合成（M+3）丝氨酸及磷酸丝氨酸显著增加，培养基中标记丝氨酸释放也增加。类似地，丙氨酸和脯氨酸的标记和总水平均升高，而甘氨酸标记降低。天冬氨酸、谷氨酸等无显著变化，表明机械加载选择性增强丝氨酸、丙氨酸和脯氨酸的合成。

**3.6 丝氨酸合成途径酶PHGDH对内皮细胞合成代谢至关重要**
PHGDH过表达使HUVEC蛋白合成增加约10%，增殖有增加趋势。PHGDH化学抑制剂（NCT-503、CBR-5884）降低蛋白合成、增殖以及葡萄糖来源碳掺入蛋白质、RNA和脂质，而不诱导细胞死亡。这表明PHGDH调控内皮细胞生长，与肌细胞中近期发现一致。

**讨论与结论**
讨论指出，机械加载诱导的乙酸盐释放可能作为一种运动因子（exerkine），其免疫调节功能（如增强T细胞效应）可部分解释运动对免疫系统的益处。内皮细胞与肌细胞中OXPHOS基因的相反表达反映了细胞代谢偏好：内皮细胞依赖糖酵解，肌细胞上调线粒体生物合成。内皮细胞中机械加载诱导的静止表型（增殖降低、屏障基因上调）与血管保护功能相关。丝氨酸合成增强可能通过PHGDH调控血红素信号和内皮细胞成熟。研究结论：机械加载诱导内皮细胞和肌细胞中既共享又高度细胞类型特异性的转录组和代谢组应答，许多效应重现了体内运动后观察到的变化。两种细胞类型均释放乙酸盐（至少部分通过ROS依赖机制），乙酸盐作为运动因子的潜在作用值得未来研究。机械加载可能促使内皮细胞向静止表型转变（增殖降低、屏障完整性基因表达增加）。内皮细胞中代谢应答更显著，丝氨酸合成增加和内皮细胞发育上调是主要应答之一，表明机械刺激、内皮细胞静止和丝氨酸合成可能相互关联。