每次心跳时，一加仑半的血液流进身体的静脉和动脉网络。这种血液流动的力量让位于血管内壁的内皮细胞保持健康；当血液流动受到破坏时（比如在外科手术或中风期间），血管开始渗漏，这能够导致大量的炎性反应，而这些炎性反应则会导致细胞损伤和疾病。如今，在一项新的研究中，来自美国哈佛大学威斯研究所的研究人员着手解决了血液流动如何让血管保持完好之谜。他们吃惊地发现了一种全新的细胞信号通路，而且该通路是治疗各种衰弱性疾病的药物的一种很有前景的靶标。相关研究结果于2017年11月13日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“A non-canonical Notch complex regulates adherens junctions and vascular barrier function”。
图片来自Fred the Oyster/Wikipedia。
论文通信作者、威斯研究所助理研究员、波士顿大学生物医学工程教授Christopher Chen博士说，“我们发现一种广为人知的跨膜蛋白Notch负责阻止血管渗漏，而且是通过该蛋白的第二种信号通路做到这一点的。它的第二种信号通路与它的已知的转录通路完全不同。从药物开发的角度而言，这种新的通路是激动人心的，而且它还可能缓解抵抗癌症和心血管疾病的药物的一些副作用，从而让它们变得更安全和更有效。”
位于血管内壁中的内皮细胞通过黏着连接（adherens junction）紧密地连接在一起，形成一种让血液保持在血管内部的屏障，并调节着其他物质从这种屏障中进出的难易程度。为了研究这种屏障并确定为何血液流动不足会导致血管渗漏，这些研究人员构建出一种血管芯片（blood-vessel-on-a-chip），该芯片由排列着一层受到一种微流体装置内的细胞外基质包围着的人内皮细胞的通道组成，这就允许他们轻松地模拟和控制血管中的血液流动和评估这些内皮细胞作出的反应。
经历血液流动的内皮细胞表现出增加的Notch1活性，然而暴露在静止血液中的内皮细胞则没有。当这些研究人员添加一种阻断Notch1激活的化学物时，他们观察到血管开始渗漏，并确定这种渗漏是由相邻的内皮细胞之间的黏着连接受到破坏和这些内皮细胞中的肌动蛋白纤维发生重新组装而导致的。这就证实血液流动导致的Notch1激活是血管中的内皮细胞屏障形成和维持所必需的。
奇怪的是，阻断蛋白Notch1的已知作用机制---这种蛋白的胞内结构域与它的其余部分分离开来---并不会让血管渗漏，这提示着这种蛋白的某个其他部分对血液流动作出反应。此外，这些研究人员将一种阻断Notch1激活的化学物和一种蓝色染料一起注射到小鼠体内，并观察到这种染料以比预期中快得多的速度从接受注射的小鼠的血管中渗漏出来。论文共同第一作者、威斯研究所博士后研究员William Polacheck博士说，“这种胞内结构域的功能是将基因先转录后翻译为蛋白，随后该蛋白在细胞中发挥某种作用，这通常需要大约2个小时的时间，但是我们在阻断Notch1的30分钟内观察到血管渗漏，这进一步提示着不论控制这种屏障渗透性的过程是什么，它都是通过一种完全不同的机制发挥作用。”
一旦这些研究人员确定这种胞内结构域并不参与调节这种内皮细胞屏障，他们就扫描了Notch1的其他部分的活性。他们利用CRISPR/Cas9剔除Notch1基因的不同片段，发现剔除编码它的胞内结构域的片段并不会影响这种屏障的渗透性，然而在血液流动的条件下，剔除编码它的微小跨膜结构域（tiny transmembrane domain, TMD）的片段则会导致增加的血管渗漏。
论文共同第一作者、威斯研究所访问学者Matthew Kutys博士说，“这是迄今为止首次对Notch TMD的生物学功能进行评估。人们通常认为它是惰性的，在受到激活后就会消失，而且大多数教科书和研究论文甚至并没有将它视为Notch受体的一个独特的部分。”通过开展进一步的测试，他们发现当Notch1受到激活并释放出它的胞内结构域时，它的TMD在细胞膜上与蛋白VE-cadherin（血管内皮细胞钙黏蛋白）、Rac1、LAR和Trio形成一种复合物，它们一起组装和维持内皮细胞之间的黏着连接，并且将肌动蛋白纤维分布在细胞膜上来支持这些连接。
Polacheck说，“回想起来，我们为这个项目孤注一掷，这是因为通过选择研究Notch，我们进入了生物学中最为拥挤的研究领域之一。但是我们的基于工程的方法让我们以一种新的方式研究它，而且不受过去研究的影响，这就使得我们的思想保持开放，从而足以描述这个新的意料之外的通路。了解到除Notch1通过它的之前描述的转录通路调节细胞分化之外，它通过这种TMD控制的通路调节细胞粘附还为理解协调复杂的细胞过程提供新的框架，这是因为Notch等单个分子能够发挥着多种作用。”
揭示出Notch1发挥着不同的功能，并且了解这个蛋白的哪些部分控制着它的每种功能，就允许人们开发出更有效的但毒性更低的新型药物。美国耶鲁医学院内科医学、遗传学与生物医学工程系教授Karen Hirschi博士说，“Notch是一些癌症疗法的靶标，但是已知这些药物会导致水肿和其他问题。如今，我们正在积极地分离出Notch的两种通路以便我们能够开发出仅靶向它的胞内结构域但不靶向TMD从而保持血管完整性的药物。”
鉴于了解到Notch调控着血管渗透性而使得它成为开发治疗心血管疾病的新药物的一种候选靶标，这些研究人员也正在研究TMD本身是否可作为一种潜在的治疗试剂， 这是因为遭受血管渗漏诱导的炎症的细胞模型当经基因改造后表达TMD时表现出显著下降的血管渗漏。
参考资料：William J. Polacheck, Matthew L. Kutys, Jinling Yang et al. A non-canonical Notch complex regulates adherens junctions and vascular barrier function. Nature, Published online:13 November 2017, doi:10.1038/nature24998
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