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【科研动态】《自然·通讯》发表十大正规网赌网址博士后韦富香领衔在生物力医学领域的重要发现

时间:2020-09-30     浏览次数:

(通讯员 韦富香)人体心脏、血管、肺等器官时刻都受到血流产生的剪切力和血压产生的拉伸力等各种模态的力学信号的影响。心血管疾病、肺病和癌症等复杂疾病都与生物力有密切关系。但是各种细胞如何感知不同模态的力学信号一直是未解之谜。 9月29日,《自然·通讯》杂志(Nature Communications)发表了十大正规网赌网址博士后韦富香为第一作者和通讯作者、十大网赌靠谱平台为第一作者单位的研究工作——通过细胞实验和理论计算模拟分析阐明了细胞对不同模态力学信号的响应并解释了其机理。

越来越多的证据表明力学信号与化学信号对细胞的命运、功能都起着重要的作用。与化学信号相比,力学信号具有作用方向重要、速度快、细胞响应时间短、力方向变化快等特点。如何实时观测并定量分析力学信号对细胞结构和功能的影响一直是整个细胞生物力学领域的重大问题。韦富香博士在攻读博士期间,搭建了具有超高时空分辨率的三维细胞磁力扭曲系统,能够实时观测细胞对力学信号的响应。运用该系统,他们发现力学信号可以从细胞表面通过细胞骨架直接传递到染色质,直接拉伸染色质并诱导细胞基因表达,并且细胞对外界力学信号的响应具有显著的各项异性。这两项重要工作分别在2016年和2017年发表于《自然 材料》(Nature Materials)和《自然 实验手册》(Nature Protocols),韦富香博士是这两篇文章的共同第一作者。这些工作发表后引起了学术界巨大的关注,《科学》(Science)、《自然·材料》(Nature Materials)、《自然综述·分子细胞生物学》(Nature Reviews Molecular Cell Biology)等权威期刊纷纷对此进行了评论或综述。

在这些发现的基础上,韦富香博士带领研究小组继续探索细胞对不同模态力学信号的响应。他们通过三维磁力扭曲系统通过粘附蛋白整合素和细胞骨架给细胞施加了沿细胞长轴、沿细胞短轴、沿细胞长轴和短轴的平分线的复合拉伸力和以剪切力为主的应力。他们发现同样大小但不同模态的应力在细胞内传递和分布大不一样,进而产生不同程度的细胞核内染色质拉伸(见附图)。

附图:同样力的大小,但不同加力模态产生不同的细胞骨架变形、不同的细胞核染色质形变、及不同的基因表达。Out-of-plane力主要以拉伸力为主。In-plane 力主要是剪切力。零度加力方向沿细胞长轴方向。

 

韦富香等进一步研究发现基因表达水平与染色质拉伸程度呈现正相关关系。抑制细胞骨架应力纤维中的预应力,可以降低细胞硬度、染色质形变及基因表达;切断应力纤维则完全消除了细胞骨架的各项异性的响应,也消除了外加力学信号对基因表达的影响。定量理论模拟分析也证实了细胞骨架应力纤维就是细胞感受不同模态作用力并做出差异性反应的关键因素。

生物力医学(Mechanomedicine)是美国伊利诺伊大学汪宁教授基于生物力学的理念提出的一个正在迅速发展、令人振奋的新领域。它是运用力学和工程的基本原理,研究开发可在体外和体内运用的新技术和新方法,在分子水平和细胞水平用调控人体生理微环境,从而达到早期症断、治疗、和治愈某些复杂疾病的目的。美国生物医学工程学会已于2012年将生物力医学列为生物医学工程重点发展新领域。这个新领域是已故的生物力学之父、著名科学家冯元桢先生在1960年代开拓的现代生物力学的一个分支。

十大正规网赌网址细胞生物力学与再生医学实验室负责人陈俊威研究员2012年与中国医学科学院、同济医学院黄波教授团队合作,开发了高效筛查恶性肿瘤再生细胞的方法。他们发现肿瘤再生细胞在低应力、低硬度的3维环境中增生更快。 2012年发表于《自然·材料》。并于2014年发现在低应力中Sox2基因是肿瘤再生细胞转移和复发的关键因素。2014年发表于《自然·通讯》。随后他们与中国科学院上海有机化学研究所俞飚研究员团队合作于2018年合成了特异性杀死恶性肿瘤再生细胞的小分子WYC209。成果于2018年发表于《自然·通讯》。2020年,陈俊威研究员又与美国伊利诺伊大学汪宁教授团队合作,发现组蛋白H3K9去甲基化水平是细胞基因能否感受力学信号直接控制的关键因素。这项重要成果于2020年4月1日发布于著名杂志《科学》子刊《科学· 进展》(Science Advances)。陈俊威研究员领衔的这些重要进展是在生物力肿瘤医学领域的开拓性的工作。

文章的共同第一作者有十大正规网赌网址2017级硕士研究生张存宇、廖雅文和北京理工大学博士研究生徐翔宇。共同通讯作者有浙江大学季葆华教授和美国伊利诺伊大学冠名讲席教授汪宁。

 

文章链接 https://www.nature.com/articles/s41467-020-18584-5