Science：机械敏感基因组增强子增强细胞对基质硬度的反应

细胞行为深受其微环境机械特性的影响，例如细胞外基质硬度和施加的外部力。已知这些机械刺激会影响细胞的基本功能，如生长、凋亡、分化和迁移。此外，它们在组织发育、再生、衰老以及机械敏感性疾病过程（如纤维化、肿瘤生长和动脉粥样硬化）中起着关键作用。尽管机械输入在这些重要功能中扮演角色，但机械线索对表观基因组的影响（该基因组调节着支配这些行为的基因表达的后续变化）在很大程度上仍未得到探索。

理解机械线索如何以及在何处影响基因表达和基因组结构，可以揭示细胞如何适应不同的物理环境，并为驱动纤维化和癌症等疾病的机制提供见解，在这些疾病中，组织硬度的改变与疾病进展有关。一项新的研究旨在识别非编码基因组中对机械环境变化做出反应并影响附近基因转录的调控区域。研究人员称这些机械敏感的基因组调控元件为“机械增强子”。他们结合使用全基因组染色质可及性分析、表观遗传编辑、针对包括生长和迁移在内的细胞功能进行高通量CRISPR筛选，以及基于CRISPR的表观遗传编辑配对单细胞RNA测序（RNA-seq），研究了细胞如何感知机械线索并将该信息转化为基因组结构、基因表达和行为的变化。

通过RNA-seq和ATAC-seq（利用高通量测序的转座酶可及染色质测定），在软（1 kPa）或硬（50 kPa）水凝胶上生长的人成纤维细胞和A549肺腺癌细胞在基因表达和染色质可及性方面显示出广泛的差异。使用CRISPR干扰（CRISPRi） 来扰动硬度响应基因（如MYH9、BMF和FZD2）周围的差异性可及区域，并识别出影响基因表达的远端机械增强子。进行了功能性高通量CRISPRi筛选，发现了约100个影响细胞生长或迁移的推定调控区域。

结合单细胞RNA-seq的CRISPRi筛选确定了这些机械增强子与其靶基因之间的201个功能性连接，包括CTGF、CYR61、NF2、RFLNB、RANGAP1、SKP2等。在硬基质上培养的细胞中（包括来自健康和特发性肺纤维化肺组织的活化的人供体来源的成纤维细胞），使用CRISPRi对机械增强子进行表观遗传编辑，导致了类似于在软基质上观察到的基因表达模式。对这些机械增强子的表观遗传调控也导致了机械感知、迁移、生长和凋亡的功能性变化。

综上所述，这项研究将机械增强子确定为细胞如何将机械线索转化为基因活性和功能行为的关键调节因子。对硬度激活的机械增强子进行表观遗传抑制，即使在持续存在强烈机械线索的情况下，也导致靶基因表达的显著降低。对这些增强子进行表观遗传编辑可以重新编程细胞对材料硬度的响应，而不破坏正常的基因功能，这凸显了机械增强子作为以异常组织硬度为特征的疾病中一个有前景的潜在治疗靶点。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Brian D. Cosgrove et al, Mechanosensitive genomic enhancers potentiate the cellular response to matrix stiffness, Science (2025). DOI:10.1126/science.adl1988.