《Faseb Journal》：东京都立大学发现 影响干细胞分化的“神秘机制”
据报道，在干细胞中的细胞核具有机械异质性，而人类MSCs可能根据细胞外环境的力学性质改变其分化方向。
编辑 ｜ 南风
来源 | 细胞PRO（ID：cell-lvzhou)
在机械力传感和传递过程中，粘着斑蛋白和肌动蛋白细胞骨架的结构和动力学随着细胞外力学性质的变化而变化。肌动蛋白细胞骨架的机械性质的变化，结合微管和中间丝的机械刺激传递到细胞核。对细胞核的机械刺激不仅引起核变形，而且引起染色质结构的重组，从而影响基因的表达，进而影响分化。
上图为骨髓间充质干细胞(MSCs)和诱导分化为成骨细胞(A)后第1、3、7和14天细胞内DNA、膜蛋白A/C和肌动蛋白细胞骨架的变化。
在机械力传感和传递过程中，粘着斑蛋白和肌动蛋白细胞骨架的结构和动力学随着细胞外力学性质的变化而变化。肌动蛋白细胞骨架的机械性质的变化，结合微管和中间丝的机械刺激传递到细胞核。对细胞核的机械刺激不仅引起核变形，而且引起染色质结构的重组，从而影响基因的表达，进而影响分化。
近日，一篇发表在《faseb journal》杂志上的名为《Intranuclear mesoscale viscoelastic changes during osteoblastic differentiation of human mesenchymal stem cells》（人骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化过程中细胞内粘弹性的研究）论文中，报道了日本东京都立大学的研究人员发现了干细胞核的海绵状和粘性如何控制它们“分化”成特定细胞的方式。他们发现原子核开始时像固体，但随着时间的推移变得更像流体。较少的力传递到其内部，使细胞保持特定的分化路径。干细胞如何选择并保持分化路径仍然是医学科学的一个待解之谜。
人类对生物材料和生命系统的大部分理解是基于生化角度的，是解开大量复杂化学物质的繁琐机制的途径。然而，快速兴起的机械生物学领域采用了不同的方法，来研究活材料如何对物理刺激做出反应，例如细胞内外的柔软度。复杂的混合物，例如细胞内部，既有海绵状固体状特征（弹性），也有粘性液体状特征（粘性），总而言之，可以更完整地描述活材料对力的反应。这被称为粘弹性。
这不仅适用于细胞，也适用于构成它们的物质。由东京都立大学 Hiromi Miyoshi 副教授领导的团队一直在研究人类间充质干细胞的细胞核，这种细胞可以成熟（或“分化”）成多种细胞类型，包括肌肉、脂肪、骨和软骨。他们将微小的惰性珠粒引入原子核中，在那里它们在周围热能的作用下摆动。该团队研究了这种运动并测量了细胞核内部的粘弹性，这种方法被称为微流变学。该技术给出了两个量，存储模量和损耗模量，它们对应于材料的弹性和粘度。他们将注意力集中在细胞核上，因为它们分化为成骨细胞（骨细胞）。
随着细胞分化和专能的特性增强，研究小组发现细胞核变得不那么坚固，而更像液体。当一个固体物质球被戳破时，力会直接传递到它的核心。当它比弹性更粘稠时，情况并非如此。当它变得更像流体时，细胞核在分化时变得不那么容易受到外力的影响，越来越多地致力于它选择的分化路径，即所谓的可塑性（对变化的反应）和稳态（对变化的抵抗力）之间的平衡。观察细胞核中 DNA 的分布，研究人员发现细胞核粘弹性的大部分变化与染色质的聚集有关，染色质是由 DNA 和蛋白质组成的多组分结构。
长期以来，人们认为染色质的聚集与抑制某些基因有关。染色质中的 DNA 是蛋白质合成的说明书；而凝聚后的染色质就像将书的纸张粘在一起那样而无法阅读。现在，该团队的研究结果表明，它还有一个完全不同的目的，仔细调整细胞核对外力的反应程度，以确保其分化路径。他们的发现是理解一个迷人系统下的复杂运行的里程碑，该系统支撑着人体的大部分发展。
不同生物的活细胞中的细胞核的粘弹性的动态调节是重要的生物和物理过程，特别是核内的中尺度粘弹性，通过调制力传播的效率改变核质和基因表达模式。这为人类理解生命在微观（细胞）层面的运作机制提供了全新的视角。
参考资料：
Intranuclear mesoscale viscoelastic changes during osteoblastic differentiation of human mesenchymal stem cells