細胞核的“海綿性”變化可控制細胞分化類型

來自東京都立大學的研究人員近日發現,細胞核的海綿性(sponginess)和粘性(stickiness)是如何控制它們“分化”成專門的細胞他們發現,細胞核開始時是固體狀,但隨着時間的推移會變得更像液體。

細胞核的“海綿性”變化可控制細胞分化類型

傳遞到其內部的力量較少,讓細胞致力於某種分化途徑。幹細胞如何選擇和保持分化路徑,仍然是醫學科學的一個關鍵問題。

目前,對生物材料和生命系統的大部分理解停留在生物化學層面,是連接大量複雜化學品的錯綜複雜的途徑。然而,迅速崛起的機械生物學領域採取了一種不同的方法,研究活體材料如何對物理刺激做出反應,比如細胞內部和外部的柔軟度。

複雜的混合物,如細胞內部,既有海綿狀、固體狀的特徵(elasticity),又有粘性、液體狀的特徵(viscosity),加起來就是對材料如何對力作出反應的更完整描述。這就是所謂的粘彈性(viscoelasticity)。

這不僅適用於細胞,也適用於它們所構成的東西。由東京都立大學的 Hiromi Miyoshi 副教授領導的團隊一直在研究人類間質幹細胞的細胞核,這是一種可以成熟(或”分化”)為多種細胞類型的細胞,包括肌肉、脂肪、骨骼和軟骨。

細胞核的“海綿性”變化可控制細胞分化類型

他們將微小的惰性珠子引入細胞核,看到它們在周圍的熱能作用下擺動。該小組研究了這種運動並測量了細胞核內部的粘彈性,這種方法被稱為微流變學(micro-rheology)。該技術給出了兩個量,即儲存和損失模量,它們對應於材料的彈性和粘度。他們將注意力集中在分化為成骨細胞(骨細胞)的細胞核上。這是第一次在人類幹細胞的整個分化過程中跟蹤細胞核的粘彈性。

隨着細胞變得更加細分和專業化,研究小組發現細胞核變得不再是固體,而是更像液體。當一個固體物質球被戳中時,力量會直接傳遞到其核心。當它的粘性大於彈性時,情況就不是這樣了。當它變得更像液體時,細胞核在分化時變得不那麼容易受到外部力量的影響,越來越多地致力於它所選擇的分化路徑,這就是所謂的可塑性(對變化的反應能力)和平衡性(對變化的抵抗力)之間的平衡。觀察DNA在細胞核中的分佈,他們發現細胞核的粘彈性的大部分變化與染色質的聚集有關,染色質是由DNA和蛋白質組成的多成分結構。

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