Cell | 陈婷实验室揭示皮肤适应陆生运动的机械力抵抗机制

摘要：重力作为生物体持续面临的物理环境因素，在大多数生物学研究中却长期处于被忽视的状态。但在脊椎动物由水生向陆生的演化过程中，生物体对重力的适应无疑是关乎生存的关键环节。与水生环境中浮力对重力的缓冲作用不同，登陆意味着生物体需以四肢支撑体重，直面来自重力的全新挑战。

重力作为生物体持续面临的物理环境因素，在大多数生物学研究中却长期处于被忽视的状态。但在脊椎动物由水生向陆生的演化过程中，生物体对重力的适应无疑是关乎生存的关键环节。与水生环境中浮力对重力的缓冲作用不同，登陆意味着生物体需以四肢支撑体重，直面来自重力的全新挑战。尤其在运动过程中，掌跖（手掌与足底）皮肤作为身体与地面接触的核心区域，在有限的接触面积内承载了体重带来的巨大压强。该部位皮肤如何在长期且高强度的机械负荷下维持其结构完整性、组织形态和屏障功能，是一个既有趣又极富生物学意义的问题。然而，相关机制迄今仍缺乏系统性的研究与深入阐释。

2025年8月4日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院陈婷实验室在Cell杂志上发表题为"A mechano-resistance mechanism in skin adapts toterrestriallocomotion" 的研究论文。该研究以与陆生动物同步出现、且在掌跖表皮特异性表达的Slurp1基因为切入点，揭示其编码的SLURP1蛋白可维持内质网（Endoplasmic reticulum, ER）钙泵SERCA2b在机械压力下的通道活性，进而调控细胞内钙离子稳态，确保表皮在巨大机械压力下维持正常的组织形态和屏障功能。

从进化视角来看，

Slurp1在无脊椎动物和鱼类的基因组中均不存在，自两栖类开始出现，且在四足动物中高度保守。这一演化特征提示其功能可能与脊椎动物对陆生环境的适应过程密切相关。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。患者典型的临床特征为掌跖皮肤的角化过度和表皮异常增生，这一病理表现与SLURP1基因在该区域的特异性表达高度关联，且会严重影响患者的行走能力及日常生活。

为探究SLURP1蛋白的生理功能，研究团队构建了

Slurp1KO小鼠模型，该小鼠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中。进一步研究发现，Slurp1KO小鼠皮肤表型的严重程度与爪部所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Slurp1KO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作为分泌蛋白的既有认知，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，从而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

Trpv4Piezo1，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”思路的受阻，研究者开始意识到SLURP1的作用机制可能并不依赖于传统的机械敏感性离子通道。

研究的转折点出现在对SLURP1亚细胞定位的重新认识。令人意想不到的是，该研究发现SLURP1不仅能分泌至胞外，同时还能稳定定位于ER膜上。为验证这一“非分泌形式”的生理意义，研究者构建了

Slurp1C65A/C65A 小鼠模型。该突变阻断了 SLURP1蛋白分泌，但小鼠爪部皮肤表型与野生型小鼠一致，未出现任何异常。这一结果说明， SLURP1 通过其细胞内定位和作用方式，行使抵御机械压力、维持组织稳态的重要功能。这一发现颠覆了既往认知 ——作为一个已知具有分泌能力的蛋白，SLURP1的关键生理功能却依赖于其ER膜蛋白的身份

RNA-seq和scRNA-seq分析显示，

Slurp1KO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明显富集。其中，ER stress的关键感受器之一PERK的磷酸化水平（pPERK）在KO小鼠表皮中显著升高，而另一条经典ER stress通路IRE1-XBP1未见明显激活。进一步通过后肢悬空实验去除机械力后，pPERK水平恢复正常，说明在SLURP1缺失的情况下，机械力主要诱导了表皮中pPERK的异常激活。为了验证机械力对表皮细胞的直接影响，研究者建立了具备精准控压能力的体外加压实验系统，可通过调控气压对体外培养的表皮细胞周期性施加稳定的压力，以模拟皮肤承受的机械负荷。结果显示，体外加压可显著上调 pPERK水平，而SLURP1的表达能够使其恢复至正常。

已有研究证实，PERK磷酸化可促使转录因子NRF2入核，而NRF2在表皮中的持续激活会引起表皮分化和增生异常，进而导致表皮增厚。该研究发现，

Slurp1KO小鼠爪部表皮中有机械压力依赖的NRF2激活及其下游基因表达，并且敲除NRF2显著减轻了Slurp1KO小鼠的表型。综上，SLURP1通过抑制机械力诱导的pPERK-NRF2信号通路异常激活，以维持表皮稳态

为进一步解析SLURP1抑制pPERK上调的分子机制，研究者以重组SLURP1-FLAG蛋白为诱饵，对小鼠爪部组织进行免疫共沉淀联合质谱分析，鉴定出SERCA2b为其互作蛋白。SERCA2b是定位于ER膜的Ca2+转运通道，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+浓度升高会诱导pPERK上调，提示SLURP1可能通过调控SERCA2b的功能，维持钙稳态并抑制pPERK的上调。

实时钙成像结果显示：在无细胞外钙的培养条件下，对表皮细胞施加压力可诱导其胞质内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水平恢复至正常。上述结果表明，机械力抑制了SERCA2b的Ca2+转运功能，而SLURP1有助于维持其活性。体内实验进一步证实，CDN1163处理显著减轻

Slurp1KO小鼠表皮异常增厚。这些结果共同支持以下机制：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Ca 2+ 浓度升高，从而激活 pPERK-NRF2信号通路，最终引发表皮病理性增厚。特异性表达于掌跖表皮颗粒层细胞中的ER膜蛋白SLURP1则能够维持压力条件下SERCA2b的功能，稳定胞内钙稳态，进而维持表皮稳态（图1）。

综上所述，该研究揭示了进化史上的巧妙"设计"——想上岸，要抗压！脊椎动物登陆后，表皮细胞演化出ER膜相关的机械力抵抗机制，用于应对重力等机械压力并维持组织稳态。然而，这一发现也提出了新的科学问题——机械力如何调控SERCA2b的功能？目前关于机械力作用于细胞器的研究仍属空白领域。该发现不仅深化了对皮肤机械力响应的认识，更为"细胞器机械感应"这一新兴研究方向奠定了基础。

图1.表皮的机械力抵抗机制模型。

北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院陈婷研究员为论文的通讯作者。陈婷实验室的博士后狄若男和博士研究生杜倩倩（PTN项目）为论文的共同第一作者。该论文的其他作者包括陈婷实验室的谢煜骅博士、卢延华和高文轩；北京脑科学与类脑研究所的仪器仪表中心主任张垒；北京生命科学研究所的生物仪器中心主任齐晓莉博士，影像中心主任李蛟博士及其团队成员范艳艳，转基因动物中心主任王凤超博士，以及蛋白质组中心主任陈涉博士。

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