青科沙龙第165期 | Cell-皮肤适应陆生运动的机械力抵抗机制
研究介绍
从进化角度看，Slurp1基因不存在于无脊椎动物和鱼类的基因组中，自两栖类开始出现并在四足动物中高度保守。这一进化特征表明其功能可能与脊椎动物适应陆生环境的过程密切相关。人类SLURP1基因的功能缺失突变会导致一种罕见的常染色体隐性遗传性掌跖角化症——Mal de Meleda。患者典型的临床表现为掌跖皮肤角化过度和表皮异常增生，这一病理特征与SLURP1基因在该区域的特异性表达高度相关，且会严重影响患者的行走能力和日常生活。
为探究SLURP1蛋白的生理功能，研究团队构建了Slurp1基因敲除（KO）小鼠模型，发现其爪部皮肤表型与人类患者高度相似。SLURP1在小鼠皮肤中的表达同样具有区域特异性，仅定位于爪部表皮上层的颗粒层细胞。进一步研究发现，Slurp1 KO小鼠皮肤表型的严重程度与爪部承受的机械力呈正相关。为验证机械力是否参与致病过程，研究者设计了单侧后肢悬空实验：将一侧后爪悬空以解除其着地受力，另一侧作为正常受力对照。结果显示，去除机械负荷的后爪表皮厚度保持正常，而对照后爪仍表现出明显的掌跖角化症表型；当解除悬空、恢复受力后，原本表型正常的后爪再次出现表皮增厚。这一结果明确表明机械压力驱动了Slurp1 KO小鼠表皮异常分化增厚的发生。
上述结果表明SLURP1在表皮中具有抵抗机械力的功能。基于SLURP1是分泌蛋白的已有认知，研究者最初推测其通过分泌至胞外，调控细胞膜上的机械敏感性离子通道来介导机械响应并维持皮肤稳态。在已知的机械敏感性离子通道中，表皮细胞仅高表达Trpv4和Piezo1，因此这两者成为主要候选靶点。然而，无论是Trpv4全身敲除、Piezo1表皮特异性敲除，还是小分子抑制剂干预，均未能缓解SLURP1缺失导致的表皮异常。随着这一"常规"思路受阻，研究者意识到SLURP1的作用机制可能不依赖于传统的机械敏感性离子通道。
研究的突破性进展源于对SLURP1亚细胞定位的新发现。出乎意料的是，该研究揭示SLURP1不仅能分泌至胞外，还能稳定定位于内质网（ER）膜上。为验证这种"非分泌形式"的生理意义，研究者构建了Slurp1C65A/C65A突变小鼠模型。该突变阻断了SLURP1蛋白的分泌，但小鼠爪部皮肤表型与野生型一致，未出现异常。这一结果表明，SLURP1通过其细胞内定位和作用方式发挥抵御机械压力、维持组织稳态的关键功能。这一发现颠覆了传统认知：虽然SLURP1具有分泌能力，但其核心生理功能却依赖于其作为ER膜蛋白的特性。
RNA-seq和scRNA-seq分析显示，Slurp1 KO小鼠爪部表皮中与内质网应激（ER stress）和氧化应激反应相关的信号通路显著富集。其中，ER stress的关键感受器PERK的磷酸化水平（pPERK）在KO小鼠表皮中明显升高，而另一条经典ER stress通路IRE1-XBP1未见明显激活。通过后肢悬空实验去除机械力后，pPERK水平恢复正常，证实SLURP1缺失时，机械力特异性地诱导了表皮中pPERK的异常激活。为直接验证机械力对表皮细胞的影响，研究者建立了精确控压的体外加压系统，通过调控气压对培养的表皮细胞周期性施加稳定压力，模拟皮肤机械负荷。结果显示，体外加压显著上调pPERK水平，而SLURP1表达可使其恢复正常。
已有研究表明，PERK磷酸化可促进转录因子NRF2入核，而NRF2在表皮中的持续激活会导致表皮分化和增生异常，引起表皮增厚。本研究发现，Slurp1 KO小鼠爪部表皮中存在机械压力依赖的NRF2激活及其下游基因表达，且敲除NRF2显著改善了Slurp1 KO小鼠的表型。综上所述，SLURP1通过抑制机械力诱导的pPERK-NRF2信号通路异常激活来维持表皮稳态。
为深入阐明SLURP1抑制pPERK上调的分子机制，研究者采用重组SLURP1-FLAG蛋白作为诱饵，通过免疫共沉淀联合质谱分析小鼠爪部组织，鉴定出SERCA2b为其相互作用蛋白。SERCA2b是定位于内质网（ER）膜的Ca²⁺转运泵，负责将Ca²⁺从细胞质泵入ER以维持细胞内钙稳态。已有研究表明，细胞质内Ca²⁺浓度升高可诱导pPERK上调，提示SLURP1可能通过调控SERCA2b功能来维持钙稳态并抑制pPERK的异常激活。
实时钙成像结果显示：在无细胞外钙的培养条件下，机械压力可诱导表皮细胞胞质内Ca²⁺浓度升高；而SLURP1蛋白表达或SERCA2b激动剂CDN1163处理均能显著抑制这一现象，并使pPERK水平恢复正常。这些数据表明，机械力会抑制SERCA2b的Ca²⁺转运功能，而SLURP1则有助于维持其活性。体内实验进一步证实，CDN1163处理可显著改善Slurp1 KO小鼠的表皮异常增厚表型。
综合上述结果，我们提出以下分子机制：掌跖部位长期承受的机械力会抑制钙泵SERCA2b的功能，导致胞质内Ca²⁺浓度升高，进而激活pPERK-NRF2信号通路，最终引发表皮病理性增厚。而特异性表达于掌跖表皮颗粒层细胞中的ER膜蛋白SLURP1，能够在机械压力条件下维持SERCA2b的功能，稳定细胞内钙稳态，从而保障表皮组织的正常稳态。
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该研究揭示了脊椎动物进化过程中的一个精巧适应机制——陆生环境中的表皮细胞演化出内质网（ER）膜相关的机械力抵抗系统，以应对重力等机械压力并维持组织稳态。这一发现不仅阐明了"想上岸，需抗压"的进化生物学原理，同时也提出了新的科学问题：机械力如何特异性调控SERCA2b的功能？目前关于机械力直接作用于细胞器的研究仍属空白领域。该成果不仅深化了对皮肤机械力响应机制的理解，更为"细胞器机械感应"这一新兴研究领域奠定了重要基础。
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