The FASEB J：改变细胞核的“粘弹性”或能帮助决定细胞未来的命运

2022年1月7日 讯 /生物谷BIOON/ --细胞核会表现地像粘弹性材料一样，活细胞中细胞核的粘弹性性能的动态调节会对多种生物学和生物物理学过程至关重要，尤其是细胞核内的中尺度粘弹性，这往往是通过调节力传播到细胞核核质的效率和基因表达模式来实现的；然而，干细胞的核内中尺度粘弹性是如何随着分化而变化的，目前研究人员还不清楚，其生物学意义也并不清楚。

在分化过程的不同阶段，细胞核内微小的、惰性的珠状运动。

图片来源：Tokyo Metropolitan University

近日，一篇发表在国际杂志The FASEB Journal上题为“Intranuclear mesoscale viscoelastic changes during osteoblastic differentiation of human mesenchymal stem cells”的研究报告中，来自东京都立大学等机构的科学家们通过研究揭示了干细胞细胞核的海绵性和粘性是如何控制其分化为专门的细胞的；他们发现，细胞核开始是固体状的，但随着时间推移却会变得更像液体状。传递到细胞内部的力量较小就会使得细胞致力于某种分化途径，而干细胞如何选择并保持分化途径仍然是医学科学界所要研究的一个关键问题。

我们对生物材料和生命系统的大部分理解都是生化的，其是连接大量复杂化学物质的错综复杂的通路，然而，近几年迅速崛起的机械生物学领域采取了一种不同的方法，来研究活体材料是如何对物理刺激做出反应的，比如细胞内部和外部的柔软度等，诸如细胞内部的复杂混合物既有海绵状、固体状的特征（弹性），还有粘性、液体状的特征（粘度），其街恶化起来就是对材料如何对力学做出反应的更完整的描述，这就被称为粘弹性（viscoelasticity）。

这不仅适用于细胞，与适用于由其所构成的东西，研究人员一直对人类兼职干细胞的细胞核进行研究，这类细胞能成熟分化为多种细胞类型，包括肌肉、脂肪、骨骼和软骨细胞等，研究人员将微小的惰性珠子引入到细胞核中来观察其在周围的热能作用下是如何进行摆动的。文章中，研究人员研究了这种运动并测定了细胞核内部的粘弹性，这种方法被称之为微流变学（micro-rheology），该技术给了两个量值，即储存和损失模量（loss moduli），其对应于材料的弹性和粘性，随后研究人员将注意力集中在分化成为成骨细胞的细胞核上，这还是研究人员首次在人类干细胞的整个分化过程中来追踪细胞核粘弹性的研究。

随着细胞变得更加能进行分化和专业化，研究者就发现，细胞核会变得不再是固体，而是更像液体状；当一个固体物质球被戳破时，力量就会直接传递到细胞核核心，当其粘度大于弹性时情况或许就不是这样了；而当其变得更像液体时，细胞核就会在分化时变得不那么容易受到外部力量的影响了，而越来越多的致力于其所选择的分化路径。这就是所谓的可塑性（对变化的反应能力）和平衡性（对改变的抵抗力）之间的平衡；当研究者开始观察DNA在细胞核中的分布时，他们发现，细胞核粘弹性特性的大部分变化或与染色质的聚集有关，而染色质是由DNA和蛋白所组成的多组分结构。

图片来源：https://faseb.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1096/fj.202100536RR

长期以来，科学家们认为，染色质的聚集与特定基因的抑制有很大关系，染色质中的DNA是合成蛋白质的说明书，染色质的凝结就好像把书粘在一起使其无法被阅读；如今研究人员通过研究表明，其或许也有一种完全不同的目的，而仔细调整细胞核对外部力量的反应程度，尤其是确保其能致力于特定的分化路径。本文研究发现或许是科学家们理解一种迷人系统的复杂运作机制的里程碑，而该系统支持着人类机体大部分的发育。

综上，本文研究结果表明，鉴于干细胞能通过限制转录采用特定的谱系时，细胞核内的染色质会凝结成为异染色质，细胞的粘弹性或许就是能合作起来调节干细胞分化的核机械敏感性和基因表达模式的一个关键因素。（生物谷Bioon.com）

原始出处：

Kojiro Matsushita, Chiharu Nakahara, Shun Kimura, et al. Intranuclear mesoscale viscoelastic changes during osteoblastic differentiation of human mesenchymal stem cells, The FASEB Journal (2021). DOI:10.1096/fj.202100536RR