当细胞与微环境发生物理交互作用时，细胞会通过扩散、迁移和体积膨胀等细胞整体运动，主动推拉细胞外基质。这些行为持续的时间从数小时到数天不等，但会导致细胞和组织的长期命运发生变化，如分化和疾病进展。细胞运动过程中亚细胞结构（如细胞骨架、粘着斑）的变化的时间尺度仅为数秒钟，而对细胞整体运动的研究一般侧重于更长的时间尺度（数小时到数天）。细胞整体运动是否能在更短的时间尺度上发生以及如何影响细胞长期命运仍不清楚。
2024年11月，斯坦福大学的杨帆团队在《Nature Materials》发表了题为“Cell Tumbling Enhances Stem Cell Differentiation In Hydrogels Via Nuclear Mechanotransduction”的文章，描述了一种在滑动水凝胶上以分钟为时间尺度的细胞整体运动方式：细胞翻滚。这种运动以细胞三维动态变化和水凝胶变形为特征，且能通过细胞核机械传导促进间充质干细胞分化为软骨细胞。
在之前的研究中该课题组利用基于聚乙二醇（PEG）的滑动水凝胶（SG），发现间充质干细胞重组其局部细胞外基质的能力可促进其分化。滑动水凝胶与传统水凝胶（CG）不同，前者具有附着在环状结构（α-环糊精）的配体，能沿着PEG主干滑动。这种设计可使细胞根据其产生的推力或拉力重组局部水凝胶网络。滑动水凝胶与传统水凝胶具有相同的刚度和配体（精氨酸-甘氨酸-天门冬氨酸, RGD）密度。为检测滑动水凝胶的局部机械特性，作者将球形纳米珠封装在两种凝胶中，监测它们随时间的热运动，结果显示滑动水凝胶中的珠子表现出更高的均方位移，提示在局部尺度上滑动水凝胶比传统水凝胶更柔软，也更容易在细胞力的作用下变形。细胞培养结果显示，与传统水凝胶相比，滑动式凝胶促进了间充质干细胞的软骨分化，表现为第 3 天软骨形成基因表达的增加和第 21 天软骨基质沉积的增加。随后作者测量细胞铺展和膨胀，这两种细胞行为与细胞分化和软骨形成有关。两种水凝胶中的细胞圆度和体积没有显著性差异，这可能是水凝胶物理限制作用的结果，也提示间充质干细胞可能通过独特的行为与滑动水凝胶相互作用。
为了探索间充质干细胞与局部滑动水凝胶的相互作用，作者从封装后1小时开始进行了分钟级的活细胞成像。结果显示滑动水凝胶中的间充质干细胞表现出高度动态和持续的细胞翻滚，其特征是细胞-凝胶界面上的快速局部基质变形（约 500 nm 至 1 µm）。相比之下，普通水凝胶中的间充质干细胞保持静止，基质变形极小。此外滑动水凝胶中的细胞表现出更活跃的平移和旋转。作者还发现不同细胞的翻滚活跃程度具有明显的异质性，这可能与间充质干细胞本身的异质性有关。原子力显微镜单点压痕实验显示，施加同样大小的力的情况下，滑动水凝胶形变更明显，这可能使细胞更容易重组局部基质并促进细胞翻滚。
图1 间充质干细胞分钟级的细胞翻滚与成骨分化有关
随后作者检测了细胞外基质、细胞骨架和细胞核的动态变化。通过检测水凝胶中嵌入的荧光珠的位移，作者发现细胞翻滚伴随着细胞外基质显著的变形（15分钟位移1μm）。使用 Lifeact 标记的间充质干细胞发现，滑动水凝胶中细胞的F-actin变化更活跃。此外滑动水凝胶中细胞核的运动也明显增强，且在翻滚过程中，细胞和细胞核的运动在速度和方向上都有很强的正相关性。进一步的实验显示肌动蛋白的收缩性以及核骨架和细胞骨架连接体（LINC）复合物介导的细胞骨架-细胞核耦合对细胞翻滚至关重要。但粘附配体并不发挥关键作用。
图2 细胞翻滚伴随着细胞骨架和细胞核的动态变化
作者还对滑动水凝胶中的细胞翻滚进行了持续的监测，结果显示第4天时滑动水凝胶中的细胞翻滚已经降低至与普通水凝胶中相近的水平，提示细胞翻滚在间充质干细胞软骨分化的前3-4天最显著。使用肌动球蛋白收缩抑制剂blebbistatin也得出了一致的结果，只有在前4天使用抑制剂显著抑制了滑动水凝胶中的软骨分化，而在第3天之后使用抑制剂没有显著效应，提示前 3 天是细胞翻滚增强软骨形成的关键时间窗。
图3 早期细胞翻滚与间充质干细胞软骨分化有关
研究表明细胞核和染色质对外力具有高度的机械敏感性，鉴于细胞核在细胞翻滚过程中出现明显的动态变化，作者猜想这种动态变化会改变细胞核的机械传感和染色质状态，进而调节软骨形成。作者首先检测了滑动水凝胶中培养24小时的细胞核中lamin A/C和H3K9me3水平和核外周定位，结果显示在滑动水凝胶中培养会使lamin A/C和H3K9me3水平和核外周定位显著增加，提示细胞核机械负载增加。作者还发现滑动水凝胶中间充质干细胞染色质可及性降低标记物H3K9me3和H3K27me3的水平明显升高，ATAC-seq也显示基因组区域可及性降低。抑制肌动蛋白收缩性以抑制细胞翻滚后，lamin A/C、H3K9me3和H3K27me3水平明显降低。这些结果表明细胞翻滚会增加细胞核机械负载并降低染色质可及性。作者进一步用柴胡素抑制了 H3K9me3，用 GSK343 抑制了 H3K27me3，用加西诺尔抑制了 AcK，结果显示细胞的软骨分化显著减弱，提示H3K9me3和H3K27me3表达导致的异染色质形成是促进细胞软骨分化必需的。
图4 细胞翻滚通过降低染色质可及性促进间充质干细胞成骨分化
研究表明细胞核拉伸能通过激活细胞膜磷脂酶 A2（cPLA2）和花生四烯酸的产生传递机械信号。由于观察到细胞核机械负载增加，作者进一步检测了该信号通路在细胞翻滚中的作用。细胞核实时成像显示滑动水凝胶中的细胞核形变和体积都明显增加，cPLA2和磷酸化 cPLA2水平也明显更高。此外，抑制细胞翻滚可显著减少cPLA2和p-cPLA2的水平。使用AACOCF3 抑制 cPLA2 可减少细胞翻滚和软骨分化，相反，补充外源花生四烯酸会增强细胞翻滚和软骨分化。这些结果表明细胞翻滚能通过cPLA2-花生四烯酸通路促进软骨分化。
图5 细胞翻滚与细胞核拉伸和cPLA2信号通路有关
最后作者还检测了其他条件下的细胞翻滚。基因表达和组织学结果显示细胞翻滚还参与了间充质干细胞的成骨分化和成脂分化。作者还发现在酶降解水凝胶和粘弹性水凝胶中也存在明显的细胞翻滚。此外在软骨细胞和人成纤维细胞中也检测到了细胞翻滚。这些结果表明细胞翻滚是一种广泛存在于多种细胞类型和培养条件下的细胞行为。
图6 细胞翻滚也存在于其他细胞分化过程以及多种水凝胶体系中
综上所述，本研究报告了一种以前未知的细胞行为：细胞翻滚，这种细胞行为以局部的分钟级全细胞运动为特征，且能够改变细胞外基质结构和细胞长期命运。在这个过程中，细胞骨架和细胞核的动态变化是秒或分钟级的，但能够对细胞的长期命运产生影响，如影响细胞分化。尽管本研究集中于间充质干细胞的软骨分化，但细胞翻滚广泛存在于多种细胞和培养条件中，可能在其他组织再生或疾病背景下影响其他细胞命运。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-024-02038-0
参考文献：
Saraswathibhatla, A., Indana, D. & Chaudhuri, O. Cell–extracellular matrix mechanotransduction in 3D. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 24, 495–516 (2023).
Wisdom, K. M. et al. Matrix mechanical plasticity regulates cancer cell migration through confining microenvironments. Nat. Commun. 9, 4144 (2018).
Balaban, N. Q. et al. Force and focal adhesion assembly: a close relationship studied using elastic micropatterned substrates. Nat. Cell Biol. 3, 466–472 (2001).
Blanchoin, L., Boujemaa-Paterski, R., Sykes, C. & Plastino, J. Actin dynamics, architecture, and mechanics in cell motility. Physiol. Rev. 94, 235–263 (2014).
Tong, X. & Yang, F. Sliding hydrogels with mobile molecular ligands and crosslinks as 3D stem cell niche. Adv. Mater. 28, 7257–7263 (2016).
热门跟贴