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生物力如何影响细胞基因的表达? 精选

已有 2505 次阅读 2020-10-1 20:07 |系统分类:论文交流

人体心脏、血管、肺等器官时刻都受到血流产生的剪切力和血压产生的拉伸力等各种模态的力学信号的影响。心血管疾病、肺病和癌症等复杂疾病都与生物力有密切关系。越来越多的证据表明力学信号与化学信号对细胞的命运、功能都起着重要的作用。与化学信号相比,力学信号具有作用方向重要、速度快、细胞响应时间短、力方向变化快等特点。如何实时观测并定量分析力学信号对细胞结构和功能的影响一直是整个细胞生物力学领域的重大问题。但各种细胞如何感知不同模态的力学信号一直是未解之谜。

2016年和2017年华中科技大学细胞生物力学与再生医学实验室韦富香博士作为第一作者在Nature MaterialsNature Protocols发表论文,报道了具有超高时空分辨率的三维细胞磁力扭曲系统,能够实时观测细胞对力学信号的响应。运用该系统,发现力学信号可以从细胞表面通过细胞骨架直接传递到染色质,直接拉伸染色质并诱导细胞基因表达,并且细胞对外界力学信号的响应具有显著的各项异性。在这基础上,研究小组继续探索细胞对不同模态力学信号的响应。相关研究结果近日发表在Nature Communications上,通过细胞实验和理论计算模拟分析阐明了细胞对不同模态力学信号的响应并解释了其机理。他们通过三维磁力扭曲系统通过粘附蛋白整合素和细胞骨架给细胞施加了沿细胞长轴、沿细胞短轴、沿细胞长轴和短轴的平分线的复合拉伸力和以剪切力为主的应力。他们发现同样大小但不同模态的应力在细胞内传递和分布大不一样,进而产生不同程度的细胞核内染色质拉伸。

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韦富香等进一步发现基因表达水平与染色质拉伸程度呈现正相关关系,抑制细胞骨架应力纤维中的预应力,可以降低细胞硬度、染色质形变及基因表达;切断应力纤维则完全消除了细胞骨架的各项异性的响应,也消除了外加力学信号对基因表达的影响。定量理论模拟分析也证实了细胞骨架应力纤维就是细胞感受不同模态作用力并做出差异性反应的关键因素。

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生物力和肿瘤的发生也有一定的关系,陈俊威等发现肿瘤再生细胞在低应力、低硬度的3维环境中增生更快,开发了高效筛查恶性肿瘤再生细胞的方法,2012年发表在Nature Materials2014年,又发现在低应力中Sox2基因是肿瘤再生细胞转移和复发的关键因素,研究结果在2014年发表在Nature Communications2020年,发现组蛋白H3K9去甲基化水平是细胞基因能否感受力学信号直接控制的关键因素,这项成果于2020年发布于Science Advances

生物力医学(Mechanomedicine)是美国伊利诺伊大学汪宁教授基于生物力学的理念提出的一个正在迅速发展、令人振奋的新领域。它是运用力学和工程的基本原理,研究开发可在体外和体内运用的新技术和新方法,在分子水平和细胞水平用调控人体生理微环境,从而达到早期症断、治疗、和治愈某些复杂疾病的目的。美国生物医学工程学会已于2012年将生物力医学列为生物医学工程重点发展新领域。这个新领域是已故的生物力学之父、著名科学家冯元桢先生在1960年代开拓的现代生物力学的一个分支。




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