Nature子刊：幹細胞可通過改變結構來對機械力產生反應

圖片來源：medicalxpress.com

2016年7月14日 訊 /生物谷BIOON/ --近日，一項刊登於國際雜誌Nature Cell Biology上的研究報告中，來自科隆大學的研究人員通過研究揭示了幹細胞如何通過改變其細胞核中DNA的組裝方式來感知並且對外部機械力做出反應，同時研究者還發現基因的表達是幹細胞分化所必不可少的。

不管是皮膚細胞還是大腦細胞，所有細胞都分享著相同的遺傳代碼，然而這些細胞通常會處於不同類型的機械環境和機械壓力中，比如大腦組織非常柔軟，而骨頭又非常堅硬；研究者已經知道細胞可以通過改變其結構和基因表達以更好地適應特殊環境來對外部力量產生反應，同時這也可以幫助細胞更好地發揮功能，但目前這種調節背後的分子機制研究者尚不清楚。

研究者Huy Quang Le說道，當皮膚遇到毒物侵害、損傷、紫外照射以及機械應變時，期就可以保護我們抵禦外部壓力，因此對壓力產生反應對於皮膚細胞而言非常重要。本文中研究者通過研究揭示了皮膚細胞對作用力產生反應的機制，研究者Le及同事利用了一種特殊的機械設備將皮膚幹細胞培養液置於和機體組織內部經歷的相似機械性拉伸中，隨後研究者利用新一代的測序技術對這些處於機械壓力狀態的幹細胞內部的基因表達進行分析，結果發現幹細胞中數千個基因的表達被下調了，而且很少有基因的表達被上調。

進一步深入研究，研究者發現機械拉伸力量可以誘導細胞核中DNA的包裝發生全面變化，從而就會導致細胞轉錄活性出現全面的抑制，這就意味著很少有DNA可以被轉錄翻譯形成新型蛋白質；然而對於幹細胞分化而言，其往往需要轉錄大量的基因來獲得特殊的結構和功能，最終在機械拉伸的作用下，受到拉伸的幹細胞就不會在分化信號存在的情況下進行分化了，因此研究者或許就可以通過對幹細胞施加機械力來改變細胞中DNA的結構組織。

通過深入理解DNA重排的細胞機制後，研究者發現，機械力可以在核被膜上被感知，而核被膜是包圍DNA的結構，其可以將DNA同細胞其它組分分開。研究者指出，進行機械力感知的關鍵分子是一種名為emerin的蛋白質，emerin可以將細胞核同DNA的結構骨架聯繫起來； emerin蛋白會在Emery-Dreifus肌肉萎縮症患者機體出現突變，這種肌肉萎縮症會引發患者機體的機械拉伸性組織出現退化變性，比如骨骼肌、心臟等。目前研究者並不清楚這種疾病的發病機制，同時該病也沒有有效的療法，研究者希望可以揭示引發該疾病發生的根本原因。

最後研究者表示，隨著組織的機械特性隨著年齡增長發生改變，我們的另一個研究目標就是理解老化的幹細胞如何感知作用力的存在，以及幹細胞周圍組織機械特性的改變如何來改變老化幹細胞感知作用力的機制。（生物谷Bioon.com）

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doi:10.1038/ncb3387

PMC:

PMID:

Mechanical regulation of transcription controls Polycomb-mediated gene silencing during lineage commitment

Huy Quang Le, Sushmita Ghatak, Ching-Yan Chloé Yeung, Frederik Tellkamp, Christian Günschmann, Christoph Dieterich, Assa Yeroslaviz, Bianca Habermann, Ana Pombo, Carien M. Niessen & Sara A. Wickstr?m

Tissue mechanics drive morphogenesis, but how forces are sensed and transmitted to control stem cell fate and self-organization remains unclear. We show that a mechanosensory complex of emerin (Emd), non-muscle myosin IIA (NMIIA) and actin controls gene silencing and chromatin compaction, thereby regulating lineage commitment. Force-driven enrichment of Emd at the outer nuclear membrane of epidermal stem cells leads to defective heterochromatin anchoring to the nuclear lamina and a switch from H3K9me2,3 to H3K27me3 occupancy at constitutive heterochromatin. Emd enrichment is accompanied by the recruitment of NMIIA to promote local actin polymerization that reduces nuclear actin levels, resulting in attenuation of transcription and subsequent accumulation of H3K27me3 at facultative heterochromatin. Perturbing this mechanosensory pathway by deleting NMIIA in mouse epidermis leads to attenuated H3K27me3-mediated silencing and precocious lineage commitment, abrogating morphogenesis. Our results reveal how mechanics integrate nuclear architecture and chromatin organization to control lineage commitment and tissue morphogenesis.

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