骨骼肌是人體中最大的肌肉組織，由有絲分裂后的多核肌纖維構成。肌肉干細胞，也被稱為衛星細胞（SCs），是骨骼肌中位于肌纖維和基膜之間，當受到外界刺激導致肌細胞損傷時，它們被激活形成成肌細胞，并具有增殖和分化能力，能夠修復受損的肌纖維，并與原有的肌細胞進行融合重建肌肉纖維，骨骼肌得到再生。因此，成肌細胞融合機制的改變會對再生效率和整體肌肉功能和健康產生深遠的影響。決定成肌細胞融合的一個重要過程是機械感受，但這如何在肌肉中調節仍然在很大程度上是未知的。

機械敏感性（MS）離子通道是指一類感受細胞膜表面應力變化，實現胞外機械信號向胞內轉導的通道。Piezo1和Piezo2首先被確定為哺乳動物細胞中的力傳感器。Piezo1是機械敏感性的非選擇性陽離子通道，對Na+、K+、Ca2+ 和 Mg2+ 全部滲透，但更偏向Ca2+。Ca2+ 調節在骨骼肌的保持和修復中起著至關重要的作用，因此，在開發肌營養不良癥（肌肉萎縮癥）的治療干預措施時，了解Piezo1的功能可能至關重要。

在日本豐橋創造大學健康科學學院、英國倫敦國王學院蘭德爾細胞和分子生物物理中心等團隊的一項研究中，分析了Piezo1在骨骼肌肌發生中的作用，重點關注肌肉分化及其在拉伸誘導的原代成肌細胞來源的肌管 Ca2+ 內流中的作用。研究成果發表在 Cells 期刊題為“Fine-Tuning of Piezo1 Expression and Activity Ensures Efficient Myoblast Fusion during Skeletal Myogenesis”。
 

首先，為了研究Piezo1在肌源性進展過程中的表達水平，利用小鼠快趾長伸肌（EDL）和慢比目魚肌（SOL）肌肉衛星細胞（SC）來源的原代成肌細胞（圖1 a）。在SOL來源的成肌細胞中，Piezo1表達在24小時后迅速增加，表明Piezo1在慢肌肉發生中的早期功能。與EDL來源的成肌細胞相比，Piezo1在SOL來源的成肌細胞中在24小時和72小時的分化上調（圖1 b）。因此，Piezo1表達在成肌細胞分化期間增加。然而，在蛋白質水平上發現EDL和SOL來源的肌管在同一水平上調Piezo1（圖1 c-e）。這可能是由于這些肌肉群之間的轉錄和翻譯差異。這些結果要求進一步研究Piezo1在EDL和SOL來源細胞中的積極作用。

Ca2+ 本身是肌肉收縮的關鍵調節因子，也是肌肉形成和分化/融合過程中早期的重要調控。因此，鑒于Piezo1 mRNA在分化成肌細胞中的積累，實驗試圖評估Ca2+ 內流（[Ca2+]i）的動力學在培養的肌管中對Piezo1活性的調節，將樣本分為兩組：給予Piezo1特異性siRNA（Piezo1-敲低）和給予Piezo1激動劑Yoda1（30μM），給藥前施加漸進拉伸，在最初的1分鐘休息時間（0%拉伸）后，拉伸量分別為3% 、6% 和9%，持續1分鐘，然后休息1分鐘。

在對照條件下（siRNA對照和無Yoda1），在機械拉伸時，[Ca2+]i 在EDL來源和SOL來源的肌管中與無拉伸（0%）對照組相比顯著增加。EDL來源的對照肌管，拉伸力超過3% 時顯示 [Ca2+]i 的顯著增加。與對照細胞（siRNA對照）相比，在 [Ca2+]i 響應拉伸后Piezo1的減少被強烈抑制。[Ca2+]i 在EDL來源的肌管中被完全消除，6% 和9% 的拉伸都不會引起其顯著增加。同樣，在所有拉伸組中，SOL來源的肌管中Piezo1的減少顯示出 [Ca2+]i 的顯著降低，只有Piezo1敲低的肌管在 9% 的拉伸條件下顯示出 [Ca2+]i 的增加。因此，Piezo1對拉伸期間 Ca2+ 內流至關重要。

Yoda1介導的Piezo1激活能夠降低其激活閾值。實驗發現，在拉伸（0%拉伸）之前，Yoda1施用的肌管已經開始顯示出增強的 [Ca2+]i，3% 拉伸時，[Ca2+]i 顯著升高，這種 [Ca2+]i 的增加在高拉伸時持續存在。總之，Piezo1的表達和活性對肌肉功能中的Ca2+調節至關重要。
 

圖1 Piezo1表達在分化的SC來源的成肌細胞中增加。

Piezo1 表達在后期肌生成階段中達到峰值，它調節收縮期間的鈣內流。然而，Piezo1 是否參與肌生成的早期階段尚不清楚。因此，評估了Piezo1 對增殖和肌生成開始的影響，發現Piezo1的敲低對EDL和SOL來源的成肌細胞的增殖速率沒有明顯影響，因此Piezo1對于肌肉細胞增殖是可有可無的。接下來，通過分析轉錄因子Myogenin （肌細胞生成素）的積累，研究了 Piezo1 的減少是否可以改變分化階段的入口。EDL來源或SOL來源的成肌細胞均未在Piezo1敲低和對照siRNA處理條件下顯示Myogenin -陽性細胞相對比例上的顯著差異，表明Piezo1不參與成肌細胞分化的發生。

成肌細胞融合需要廣泛的膜重塑和機械應力，因此，評估了Piezo1抑制對肌管形成和成熟的影響。Piezo1的敲低導致成肌細胞融合的顯著減少，隨后阻礙了EDL和SOL來源的肌管的形成。EDL 和 SOL 來源的成肌細胞顯示融合蛋白Myomaker的表達降低，表明融合機制在分子水平上發生了改變。另一方面，Myomixer 蛋白的表達呈下降趨勢。此外，早期形成的肌管中Piezo1的敲低證實了融合指數的顯著降低。總之，Piezo1表達的失調降低了細胞融合到新的或現有的肌管中的能力。

Piezo1的敲低可減少成肌細胞融合并改變 Ca2+ 內流。接下來，實驗評估了Piezo1激活的劑量依賴性效應，對早期形成的肌管在一段時間內經受不同濃度的Yoda1（圖2）。Yoda1 的1分鐘處理顯著增強了細胞融合（圖2 a-d），然而，用最高劑量（100 μM）的Yoda1進行30分鐘的處理具有相反的效果，降低了融合指數，這表明必須精細調控Piezo1活性以實現有效的融合和肌管成熟。在孵育30分鐘時，EDL和SOL來源的肌管在30 μM Yoda1 下均顯示融合增加（圖2 b、d）。孵育 1 小時后，EDL和SOL來源的肌管在5、10 和30 μM Yoda1 處理下表現出更高的融合效率（圖2 b、d）。

在分子水平上，Yoda1給藥后EDL和SOL來源的肌管中的Piezo1表達增加。Myomaker表達在EDL和SOL來源的肌管中也與Piezo1上調平行，而Myomixer呈現無統計意義的增加。總之，數據表明，Piezo1活性的精細調控是分化動力學的關鍵步驟。

實驗注意到，誘導激活Piezo1似乎會影響肌管的大小，盡管增加了成肌細胞融合。為了解決這個問題，將這些樣本的肌管寬度（直徑）與DMSO對照比較。有趣的是，EDL和SOL來源的肌管與Yoda1處理時均顯示肌管寬度減小。綜上所述，Piezo1的過度激活使成肌細胞融合和肌管生長不平衡。
 

圖2 Piezo1 活化以肌管合胞體成熟為代價增加成肌細胞融合。

隨著成肌細胞融合，成肌分化需要廣泛的細胞重塑，先前的研究將Piezo1調節在細胞骨架穩態中起關鍵作用。最后，為了了解 Piezo1 是否有助于調節細胞骨架結構，包括 F-肌動蛋白，實驗評估了 EDL 和 SOL 來源的肌管中成肌分化期間細胞骨架重組的程度。Piezo1敲低顯示F-肌動蛋白的積累顯著減少，表明Piezo1的降低會改變細胞骨架動力學。相比之下，F-肌動蛋白積累不受Piezo1過度激活的影響，這表明Piezo1可能不直接促進F-肌動蛋白重塑。與成肌細胞融合的改變一致，過度Piezo1的化學激活顯示EDL和SOL來源的肌管中的F-肌動蛋白顯著降低。這些發現表明，Piezo1表達和/或其激活狀態的失調會影響成肌細胞融合和肌肉分化過程中的細胞骨架組織。

總之，該研究中提供的數據表明，Piezo1通道存在于SC來源的成肌細胞和肌管中，但在后者中表達的比例更高。Piezo1的下調顯著降低了肌管形成、生長和成熟過程中的融合能力。相比之下，Piezo1活化增加了融合。未來研究肌管功能（完整性、Ca2+內流、細胞骨架組織和融合）的變化是機械應力的直接結果，應該考慮對Piezo1的分析。在針對DMD等肌肉萎縮癥的治療策略的背景下，我們不僅必須解開Piezo1表達的時空調控，而且必須意識到該通道改變其Ca2+ 內流閾值的能力。從藥學上講，像 Yoda1 這樣的小激活分子可能是有益的。然而，在考慮這些激動劑作為可行藥物之前，必須注意這些激動劑在體內的半衰期和藥代動力學。Piezo1在骨骼肌維護和功能方面的重要性無疑將隨著新的研究而增長。此外，鑒于Piezo1在肌源性進展中的關鍵作用及其在衛星細胞中的表達，Piezo1活性的改變可能與衛星細胞病的發病機制有關。

參考文獻：Ortuste Quiroga HP, Ganassi M, Yokoyama S, Nakamura K, Yamashita T, Raimbach D, Hagiwara A, Harrington O, Breach-Teji J, Asakura A, Suzuki Y, Tominaga M, Zammit PS, Goto K. Fine-Tuning of Piezo1 Expression and Activity Ensures Efficient Myoblast Fusion during Skeletal Myogenesis. Cells. 2022 Jan 24;11(3):393. doi: 10.3390/cells11030393. PMID: 35159201; PMCID: PMC8834081.

原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35159201/

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