Fundamental Research | 北京大学医学部周菁团队评述盘状结构域受体1（DDR1）作为力学感受器的最新研究进展

原创 刘佳钰 MechanoBio 2024-03-01 12:36 北京

机体内的细胞处于复杂且动态变化的力学微环境作用下，力学信号转导在维持组织稳态和疾病发展中发挥着重要作用[1,2]。细胞对力学信号的响应往往起始于位于细胞膜上的力学感受器，但新的力学感受器的鉴定是一项关键难题。严格来说，某种蛋白质要被认定为直接力学感受器，需要满足以下几条标准：它应该在特定细胞中表达；在介导细胞对力学信号的响应中起关键作用；可以赋予异源细胞响应力学信号的能力；并且能够独立于生物化学信号或其他力学感受器做出响应[3]。尽管生物学家们已经发现了许多力学敏感蛋白，但其中的大多数并不能满足以上全部条件，因此不能被称为直接的力学感受器。最近的研究表明，盘状结构域受体1（Discoidin domain receptor 1, DDR1）是一个直接的力学感受器，在响应细胞外基质刚度和流体剪切应力等力学信号中发挥了重要作用。

2024年2月24日，北京大学医学部基础医学院周菁团队与美国加州大学圣地亚哥分校钱煦教授合作在国家自然科学基金委员会主管、主办的综合性英文学术期刊Fundamental Research (IF 6.2)上在线发表了题为“Discoidin domain receptor 1 (DDR1): an emerged novel mechanosensor”的综述文章。该综述系统回顾了目前已报道的细胞外基质刚度感受器和剪切应力感受器，并详细介绍了DDR1的感知并响应力学信号的分子机制和下游信号转导途径。此综述提供了对DDR1力学传感的最新见解，为针对力学信号转导途径开发新药物和实现疾病精准治疗提供了新思路。

酪氨酸受体激酶（Receptor tyrosine kinases, RTKs）是细胞内最大的一类酶联受体，负责调节多种复杂的生物学功能。RTKs具有类似的蛋白结构，包括细胞外配体结合结构域、单次跨膜螺旋和由近膜调节区、酪氨酸激酶结构域和羧基末端尾部组成的细胞内区域[4]。大多数RTKs由可溶性生长因子激活，而盘状结构域受体DDR1和DDR2的配体为细胞外基质成分中的胶原蛋白。我们和其他实验室最近的研究发现，盘状结构域受体1（DDR1）是一种独特的力学感受器，可以直接感知和响应机械力信号[5-8]。

人类DDR1基因位于6号染色体的6p21.3位置，包括17个外显子。DDR1通过选择性剪接过程产生五种不同的亚型，分别为a、b、c、d 和 e [9]。DDR1a 和DDR1b 是最普遍的亚型，分别由876个和913个氨基酸组成，它们的区别在于DDR1a缺少外显子11。DDR1c主要存在于胎儿大脑中，是最长的亚型，含有919个氨基酸，其在激酶结构域插入了六个额外的氨基酸。DDR1d（508个氨基酸）和DDR1e（767个氨基酸）被归类为激酶缺陷受体[9]。DDR1的胞外域由盘状蛋白（Discoidin, DS）结构域和DS-like结构域以及胞外近膜结构域组成[10]。DS结构域由于内含胶原结合位点而受到广泛关注，而对DS-like结构域的研究较少。跨膜（TM）结构域被认为具有很强的自缔合能力，对介导DDR1的二聚化十分重要[10]。胶原蛋白与DDR1的DS结构域结合，随后诱导其寡聚化，并触发受体激活，进而导致DDR1胞内激酶结构域的酪氨酸残基的自磷酸化[10]。

图1：DDR1五种亚型的示意图

我们实验室近期发表在Nature Communications上的一项研究发现，在单分子磁镊实验中，DDR1的DS-like结构域可以在力学加载下发生解折叠[5]。此外，通过用包被DDR1配体或抗体的磁珠对细胞表面的DDR1分子特异性地施加pN大小的拉力，可以直接诱导磁珠周围的DDR1发生簇集[5]。以上发现提供了强有力的证据，证明了DDR1具有直接感知机械力的能力，且DS-like结构域是其力学感知的关键结构域。

   更有意思的是，我们实验室还发现DDR1可以在力学信号诱导下发生液-液相分离（Liquid-liquid phase separation, LLPS）[5, 6]。我们的研究表明，细胞表面的DDR1可以在基质刚度、流体剪切应力和拉伸应力等力学信号作用下，逐渐脱离脂筏并形成凝聚体。这种DDR1凝聚体具有液体样的性质，可以发生融合、裂变和荧光漂白恢复。LLPS可以让细胞内的特定分子聚集起来，从而提高生化反应速率；也可以隔绝不需要的分子。令人惊喜的是，我们的研究发现，DDR1液滴具有与各种蛋白质共凝聚的能力，从而调节细胞内的信号转导。例如，我们观察到DDR1可以与Hippo通路的LATS1激酶，以及14-3-3ε蛋白发生共凝聚，从而调节YAP的活化。然而，其他信号蛋白或伴侣蛋白整合到DDR1液滴中调控DDR1相分离的机制仍有待进一步的探索。

图2：力学信号触发的DDR1与其他相关蛋白发生共同相分离的示意图

近年来，靶向DDR1的激酶活性已成为癌症、炎症性疾病和纤维化疾病等疾病的潜在治疗策略。然而，由于ATP结合口袋的高度保守性，实现选择性激酶抑制仍然具有挑战性。LLPS的发现为DDR1靶向治疗提供了新的思路。例如，将小分子药物引导至液滴内部可能会增强结合概率，从而提高疗效，同时降低脱靶毒性。此外，DS-like结构域的开放构象对DDR1的力学感知能力的必不可少的。基于这一方向，可以设计靶向DS-like结构域的小分子化合物，以抑制其构象变化，进而特异性地阻碍DDR1介导的力学信号转导。    总之，目前的研究确立了DDR1作为直接力学感受器的重要地位，有利于帮助我们更深入地理解细胞如何感知和响应机械力，也为疾病的力学靶向治疗带来了新的希望。    北京大学基础医学院生理学与病理生理学系博士生刘佳钰为该论文的第一作者，北京大学基础医学院生理学与病理生理学系的周菁教授为该论文的通讯作者。项目得到了国家自然科学基金委员会杰出青年科学基金等项目资助。

参考文献

[1] Davis MJ, Earley S, Li YS and Chien S. Vascular mechanotransduction. Physiol Rev. 2023;103:1247-1421.

[2] Sinha B, Koster D, Ruez R, Gonnord P, Bastiani M, Abankwa D, Stan RV, Butler-Browne G, Vedie B, Johannes L, Morone N, Parton RG, Raposo G, Sens P, Lamaze C and Nassoy P. Cells respond to mechanical stress by rapid disassembly of caveolae. Cell. 2011;144:402-13.

[3] Ernstrom GG and Chalfie M. Genetics of sensory mechanotransduction. Annu Rev Genet. 2002;36:411-53.

[4] Lemmon MA and Schlessinger J. Cell signaling by receptor tyrosine kinases. Cell. 2010;141:1117-34.

[5] Liu J, Zhao C, Xiao X, Li A, Liu Y, Zhao J, Fan L, Liang Z, Pang W, Yao W, Li W and Zhou J. Endothelial discoidin domain receptor 1 senses flow to modulate YAP activation. Nat Commun. 2023;14:6457.

[6] Liu J, Wang J, Liu Y, Xie SA, Zhang J, Zhao C, Zhou Y, Pang W, Yao W, Peng Q, Wang X and Zhou J. Liquid-Liquid Phase Separation of DDR1 Counteracts the Hippo Pathway to Orchestrate Arterial Stiffening. Circ Res. 2023;132:87-105.

[7] Wang J, Xie SA, Li N, Zhang T, Yao W, Zhao H, Pang W, Han L, Liu J and Zhou J. Matrix stiffness exacerbates the proinflammatory responses of vascular smooth muscle cell through the DDR1-DNMT1 mechanotransduction axis. Bioact Mater. 2022;17:406-424.

[8] Ngai D, Mohabeer AL, Mao A, Lino M and Bendeck MP. Stiffness-responsive feedback autoregulation of DDR1 expression is mediated by a DDR1-YAP/TAZ axis. Matrix Biol. 2022;110:129-140.

[9] Playford MP, Butler RJ, Wang XC, Katso RM, Cooke IE and Ganesan TS. The genomic structure of discoidin receptor tyrosine kinase. Genome Res. 1996;6:620-7.

[10] Leitinger B. Discoidin domain receptor functions in physiological and pathological conditions. Int Rev Cell Mol Biol. 2014;310:39-87.