SERPINE1（PAI-1）在机械转导相关细胞衰老中的调控作用

《Journal of Cellular Biochemistry》：SERPINE1 (PAI-1) Regulation in Mechanotransduction-Associated Cellular Senescence

　　

细胞衰老是一种复杂的生物学过程，其特征为不可逆的细胞周期停滞和衰老相关分泌表型（SASP）的获得。除生化应激外，越来越多的证据表明，来自细胞外微环境的机械信号参与衰老的调控；然而，将机械转导与衰老表型联系起来的分子机制仍未完全阐明。SERPINE₁（纤溶酶原激活物抑制剂-1，PAI-₁）已被确立为机械转导信号通路下游诱导的关键机械敏感效应因子。在本综述中，研究人员讨论了SERPINE₁既是细胞衰老的标志物，又是将机械转导与衰老相关过程联系起来的功能性介质。一旦被诱导，SERPINE₁通过抑制纤溶酶依赖性蛋白水解，促进细胞周期停滞和细胞外基质（ECM）重塑。由此产生的ECM积聚和基质硬化进一步增强整合素依赖性机械转导，促进SERPINE₁的进一步表达，并建立自我强化的机械生物学反馈环路。SERPINE₁还参与衰老相关的炎症信号传导，这可能进一步支持衰老表型的维持。总之，这些发现将SERPINE₁确定为机械转导、ECM重塑和细胞衰老之间的机制性联系。使用PAI-₁抑制剂的药理学研究进一步支持了该通路的生物学重要性，并提示SERPINE₁可能代表衰老相关纤维化疾病的潜在治疗靶点。

**1 引言**
活细胞持续感知并适应其微环境的物理特性。细胞外基质（ECM）硬度、拉伸应变和剪切应力等物理信号通过机械转导过程转化为细胞内生化信号，调节基因表达和细胞行为。这些生物物理信号通路决定细胞增殖、分化、迁移和存活等基本行为；其失调与组织纤维化、血管硬化和慢性退行性疾病等年龄相关表型密切相关。在机械转导调控的分子靶标中，SERPINE₁（纤溶酶原激活物抑制剂-1，PAI-₁）已成为一个突出的机械敏感基因，其表达与微环境力学的变化紧密耦合。SERPINE₁不仅作为机械敏感靶标，还参与ECM重塑：它主要抑制组织型（tPA）和尿激酶型（uPA）纤溶酶原激活物，从而减少纤溶酶生成，限制纤溶酶依赖性ECM降解，促进ECM持续存在和积聚，进而可能导致基质硬化。此外，SERPINE₁是细胞衰老的公认标志，在衰老细胞中表达升高，被视为SASP的组成部分。证据表明SERPINE₁通过细胞周期调控、促炎信号以及ECM重塑参与衰老的建立和维持，提示机械转导与SERPINE₁在细胞衰老中存在双向关系。本综述整合当前证据，构建了一个连贯的机制框架，描绘机械敏感SERPINE₁诱导、其在细胞衰老中的下游作用，以及SERPINE₁驱动ECM重塑维持机械转导信号的相互反馈环路。所讨论证据主要来源于成纤维细胞和上皮细胞模型，并纳入部分其他机械响应组织以说明广泛疾病相关性。

**2 机械转导介导的SERPINE₁诱导**
**2.1 机械信号与转录激活**
细胞持续感知并适应ECM硬度、张力和肌动球蛋白产生的张力，通过整合素、黏着斑和肌动球蛋白细胞骨架等机械感受器传递信号。机械输入经生化通路和细胞质-细胞核直接结构连接传递至细胞核，最终改变机械敏感基因表达。SERPINE₁是受机械信号强烈上调的机械敏感基因。增加的底物硬度在成纤维细胞模型中诱导SERPINE₁表达。其转录控制依赖于一系列机械敏感转录因子（TFs）和调节蛋白，它们直接或间接结合SERPINE₁启动子。表1总结了主要的转录调节因子，包括核心机械转导相关TF（TEAD、SMAD2/3/4）和环境依赖性汇聚TF（AP-1、NF-κB、HIF-1α、p53）及其共调节因子和信号通路。

**2.2 核心机械敏感信号轴**
**2.2.1 YAP/TAZ–TEAD轴**
YAP/TAZ–TEAD轴为基质硬度与SERPINE₁表达提供了充分支持的机制联系。在硬基质上，整合素聚集和黏着斑成熟激活FAK–Src和RhoA–ROCK信号，增强肌动球蛋白收缩性。基质硬度促进RhoA–ROCK依赖性肌动球蛋白张力，导致YAP/TAZ核积累。在某些细胞系统中，肌动球蛋白张力调节LATS1/2依赖性YAP/TAZ抑制性磷酸化，降低磷酸化促进核积累和转录活性；但硬度依赖性YAP/TAZ激活也可独立于经典Hippo–LATS级联发生。机械力还可使细胞核扁平化并拉伸核孔复合体，促进YAP核输入。YAP/TAZ与TEAD家族转录因子结合调节机械敏感程序。在肺成纤维细胞中，基质硬度增加YAP/TAZ核积累和SERPINE₁/PAI-₁表达，YAP/TAZ敲低则减弱该诱导，证实SERPINE₁是YAP/TAZ依赖性机械敏感靶标。

**2.2.2 TGF-β/SMAD通路**
TGF-β/SMAD信号提供了一条将细胞外机械信号与SERPINE₁诱导相联系的充分支持的机械转导途径。在足够抵抗的ECM上，肌动球蛋白产生的牵引力通过整合素传递至含RGD基序的潜伏期相关肽（LAP）。整合素介导的牵拉使潜伏TGF-β1复合物变形，释放活性TGF-β1。活性TGF-β1结合II型受体并激活I型受体，后者磷酸化SMAD2/3，SMAD2/3与SMAD4结合并进入细胞核。SMAD3/SMAD4复合物直接结合人SERPINE₁启动子中CAGA盒，刺激转录，并与共激活因子p300/CBP互作增强活性。因此，细胞产生的收缩力和ECM阻力可通过机械激活基质结合的潜伏TGF-β1，继而由经典SMAD信号调节SERPINE₁表达。

**2.3 应激和炎症信号汇聚**
环境依赖性汇聚转录因子（AP-1、NF-κB、p53、HIF-1α）整合机械信号与炎症、代谢和应激信号，可能在特定环境或病理背景下增强或维持SERPINE₁表达。但机械刺激导致SERPINE₁转录的完整序列尚未在任何单一细胞类型或实验系统中完全验证。

**2.3.1 AP-1和MAPK信号**
AP-1可能作为机械、炎症和促纤维化信号之间的环境依赖性汇聚点。成纤维细胞中，机械拉伸以整合素和基质依赖性方式激活MAPK通路（ERK、JNK、p38），并增加c-Fos/c-Jun表达。炎症信号（如TNF-α、IL-1）也汇聚于MAPK–AP-1。启动子研究表明，D-二聚体可诱导c-Fos/JunD复合物结合SERPINE₁启动子近端的AP-1样元件，突变该元件降低基础及诱导活性，支持AP-1在特定条件下直接参与SERPINE₁转录。

**2.3.2 NF-κB和炎症信号**
NF-κB是环境依赖性炎症和应激响应调节因子。静息细胞中NF-κB与IκB结合滞留于胞质；促炎细胞因子激活IKK，导致IκBα降解，NF-κB入核。机械刺激可激活NF-κB（如周期拉伸通过Ca²⁺和ROS），但该研究中下游靶标是环氧合酶-2而非SERPINE₁。炎症研究则直接证明TNF-α通过远端增强子中功能性κB结合元件（结合p50/p65）调节SERPINE₁，小鼠胚胎成纤维细胞中也有近端κB响应元件介导TNF-α和脂多糖诱导的Pai-1表达。因此炎症性NF-κB可直接调控SERPINE₁，但调节元件位置和结构因物种和环境而异。

**2.3.3 HIF-1α和缺氧应激**
HIF-1α是环境依赖性缺氧和氧化应激调节因子。常氧下HIF-1α被羟基化并经蛋白酶体降解；缺氧时HIF-1α稳定，与HIF-1β形成异二聚体，结合靶基因缺氧反应元件并招募p300/CBP。直接启动子研究表明轻度缺氧通过功能性的HIF-1结合位点诱导大鼠SERPINE₁转录。纤维化组织中ECM过度积聚导致固体应力，压缩微血管、减少灌注，形成缺氧微环境。近期研究显示缺氧诱导ROS可促进HIF-1α积累及HIF-1α依赖性SERPINE₁启动子活性，但ECM硬度或肌动球蛋白张力至HIF-1α依赖性SERPINE₁转录的直接连续性尚未确立为普遍机制。

**2.3.4 p53和核机械应激**
p53被视为环境依赖性机械-基因毒性汇聚因子。细胞骨架力经LINC复合体传递至核膜，过度机械应变可导致核膜破裂和DNA损伤，激活ATM/ATR通路，稳定p53。野生型p53结合并激活人SERPINE₁启动子，基因毒应激通过近端p53响应元件（p53RE）诱导SERPINE₁。TGF-β可促进p53–Smad2/3复合物在SERPINE₁启动子形成，支持p53与SMAD信号的转录汇聚，但尚不能证明基质硬度激活完整的LINC–DNA损伤–p53–SMAD–SERPINE₁序列。

**3 SERPINE₁在衰老中的作用**
SERPINE₁通过细胞外基质重塑和细胞内细胞周期调控促进衰老表型。细胞外，分泌的SERPINE₁抑制tPA/uPA，减少纤溶酶生成，限制pro-MMP激活，促进ECM积聚和硬化。衰老成纤维细胞的蛋白质组学显示应力纤维网络增强，SERPINE₁是应力纤维相关蛋白且在衰老中上调，但SERPINE₁是否直接驱动细胞骨架改变仍不明确。细胞内，SERPINE₁可能通过p53–p21–Rb通路促进细胞周期停滞；与p16^INK4α的关系具有环境依赖性，SERPINE₁积累常与p16^INK4α上调相关。升高的SERPINE₁促进p53依赖性p21表达，抑制CDK，维持Rb低磷酸化，抑制E2F转录。作为SASP组分，分泌的SERPINE₁可通过自分泌和旁分泌促进炎症信号，维持衰老表型。

**4 提出的SERPINE₁驱动的机械生物学正反馈环路**
SERPINE₁在机械转导相关衰老中的作用通过两个相互连接的反馈环路理解。机械反馈环：SERPINE₁既是机械敏感信号的下游靶标，又是重塑机械微环境的细胞外调节因子。分泌的SERPINE₁抑制tPA/uPA介导的纤溶酶生成，减少基质降解性MMP的激活，促进ECM积聚和硬化。硬化ECM被整合素和黏着斑感知，激活FAK/Src、RhoA/ROCK、肌动球蛋白收缩以及下游转录调节因子，支持一个自我强化的机械生物学反馈模型。衰老相关反馈环：经典衰老触发因素（DNA损伤、氧化应激、致癌信号、炎症、TGF-β）通过p53、SMAD、NF-κB和AP-1依赖途径诱导SERPINE₁；SERPINE₁通过p53–p21–Rb增强细胞周期停滞，并在某些环境下与p16^INK4α协同。衰老细胞分泌SASP因子（IL-6、IL-8、TGF-β、SERPINE₁本身），以自分泌/旁分泌方式维持炎症信号，激活NF-κB/STAT3和TGF-β/SMAD途径，促进更多SERPINE₁转录。两个环路相互连接：机械硬化促进衰老，衰老细胞通过SASP相关分泌重塑ECM。

**5 SERPINE₁在衰老和疾病中的意义**
SERPINE₁不仅是衰老标志物，还通过增强细胞周期停滞、维持SASP信号和促进ECM重塑，参与衰老相关组织功能障碍的持续。在成纤维细胞相关病理中，SERPINE₁抑制基质蛋白水解，促进ECM积聚和硬度增加，参与特发性肺纤维化（IPF）、血管老化、癌症、肥胖和2型糖尿病等。IPF成纤维细胞中硬度介导的SERPINE₁诱导与其他机械敏感促纤维化基因共同促进纤维化微环境。单细胞转录组分析慢性心力衰竭显示活化成纤维细胞群体富集ECM-受体相互作用通路和SERPINE₁相关重塑程序。在上皮细胞衰老中，肺泡上皮细胞SERPINE₁升高与p53、p21和p16^INK4α表达及衰老相关；成纤维细胞来源的SERPINE₁可破坏上皮玻璃粘连蛋白-整合素信号，导致黏着斑解体和旁分泌上皮衰老。在骨关节炎中，压缩负荷激活SMAD2/3并上调软骨SERPINE₁，流体剪切应激直接刺激人骨关节炎软骨细胞PAI-₁表达；SERPINE₁升高与MMP-3、MMP-9和MMP-13表达增加及软骨退化相关。遗传流行病学证据显示，Amish人群中SERPINE₁无效等位基因杂合子寿命延长、代谢改善和生物学衰老减缓。药理学研究支持其重要性：PAI-₁抑制剂tiplaxtinin（PAI-039）、TM5441、TM5275和TM5509在 preclinical 模型中有效。TM5441可减轻小鼠血管衰老、高血压、心脏肥大和主动脉周围纤维化，降低p16^INK4α表达并保护端粒长度；在细胞模型中保护心肌细胞、成纤维细胞和内皮细胞免受多柔比星诱导衰老，并减少成纤维细胞复制性衰老。

**6 挑战和未来方向**
大多数机制洞见来自聚丙烯酰胺底物上的二维成纤维细胞培养，需三维类器官和体内模型验证。SERPINE₁以p53非依赖方式促进衰老的机制（尤其是在上皮细胞中）仍不清楚。SERPINE₁可能具有环境依赖性作用，而非统一促或抗衰老。治疗方面，小分子PAI-₁抑制剂临床转化受脱靶效应和药代动力学限制。由于SERPINE₁参与纤溶和组织修复等生理过程，需考虑剂量、时机和组织特异性。将PAI-₁抑制剂与去衰老药物（如达沙替尼和槲皮素）联用可能进一步减少衰老细胞负荷并缓解纤维化。未来研究可应用CRISPR干扰（CRISPRi）在硬度控制的类器官模型中时空抑制SERPINE₁，验证机械生物学反馈环；需确定ECM硬度如何影响衰老细胞的表型特征，以及SERPINE₁在不同机械环境中的贡献；整合单细胞多组学数据集与生物力学计算模型，以定义SERPINE₁在纤维化病理中的环境依赖性功能，并明确其是衰老的起始者、放大器还是稳定器。

**7 结论**
SERPINE₁/PAI-₁是连接机械转导、ECM重塑和细胞衰老的关键机制介质。它通过抑制tPA/uPA介导的纤溶酶生成，限制ECM降解，促进ECM积聚和硬化；硬化微环境进一步激活整合素依赖性机械转导通路（FAK/Src、RhoA/ROCK、YAP/TAZ、SMAD），同时环境依赖性应激响应通路可能汇聚于SERPINE₁调控，形成自我强化反馈环。SERPINE₁还通过增强细胞周期停滞、维持SASP信号和促纤维化基质重塑参与衰老相关反馈环。在成纤维细胞中，SERPINE₁与细胞骨架重塑、促纤维化基因表达和基质调节相关；在上皮细胞中，SERPINE₁可能促进p53–p21–Rb介导的细胞周期停滞，并通过SASP与周围基质细胞通讯。SERPINE₁应被视为环境依赖性机械生物学介质，整合细胞周期停滞、炎症分泌信号和ECM重塑。PAI-₁抑制剂的药理学研究支持其治疗潜力，但因SERPINE₁也参与纤溶和组织修复等生理过程，未来需明确其抑制的时机和部位。深入理解不同细胞类型和机械环境中SERPINE₁依赖性反馈环，将有助于揭示衰老的维持机制及其对慢性组织重塑的贡献。