撰文 | 十一月
責編 | 兮
細胞命運的轉變常常伴隨著細胞形狀和機械力的改變。然而，細胞機械力如何影響信號通路進而控制細胞命運。
為了探究形狀、機械力和命運之間的相互作用，近日，德國歐洲分子生物學實驗室Alba Diz-Munoz研究組發文題為Cell Surface Mechanics Gate Embryonic Stem Cell Differentiation，利用生物物理方法對幹細胞分化過程中細胞表面力學的作用進行了研究。
在大多數多細胞生物的發育過程中，全能幹細胞的形狀為球形，而全能細胞分化產生的細胞的形態在成體中呈現出顯著的不同。命運的獲得和細胞形狀的變化往往同時出現。而細胞形狀是由表面力學和與細胞外環境的相互作用決定的。但是一直以來細胞內在的機械力特徵與命運調節之間的機制還不得而知。其中有一個非常有趣的例子便是小鼠的胚胎幹細胞的早期分化過程（圖1）。Naïve（原始態）的幹細胞生長成緻密群落，在有2i/LF的情況下保持naïve的狀態。而在移除2i/LF這個分化的阻礙物之後，naïve的幹細胞逐漸快速地「攤平」，成為單層的primed（始發態）狀態的細胞（圖1）。這種細胞平展的狀態對於幹細胞退出naïve狀態非常關鍵，如果naïve的幹細胞被培養在柔軟的基質上，這些細胞不能平展，將不能分化成primed狀態【1】。
圖1 小鼠胚胎幹細胞早期分化過程
為了評估細胞表面張力是否以及如何調節細胞命運的，作者們首先通過單細胞原子力顯微鏡（Single-cell atomic force
spectroscopy）靜態牽引測量表面膜張力。作者們發現，與naïve細胞相比，primed細胞的膜破裂所需要的牽引力顯著降低。表面的靜態牽引拉力的測量可能涉及到兩方面，一是平面內膜張力（In-plane membrane
tension），另一方面是MCA（Membrane-to-cortex attachment）【2,3】。為了確定這兩個力學參數在幹細胞分化過程中發生了哪些變化，作者們使用通過動態牽引的方式來測量MCA。作者們發現，naïve小鼠胚胎幹細胞中的MCA比primed狀態要高出3倍。作者們確認，MCA的變化是一種細胞分化過程中的自主特性，在脫離naïve狀態的過程中，小鼠胚胎幹細胞特異性減少了質膜與皮層肌動蛋白之間的粘附或者連接作用。
圖2 工作模型
值得一提的是， 英國劍橋大學Kevin J. Chalut研究組以及英國倫敦大學學院Ewa K. Paluch研究組合作在當期Cell Stem Cell上發表背靠背文章，題為Membrane Tension Gates ERK-Mediated Regulation of Pluripotent Cell Fate，發現膜張力門控增加內吞作用會作為一個關鍵機制調節ERK調控的細胞命運轉變。
作者們發現細胞形狀的改變是由β-catenin介導的RhoA活性的降低以及隨後質膜張力的降低所調節的。而且，阻止膜張力的降低會胚胎幹細胞以及類原腸胚早期分化的缺陷。膜張力的降低促進了FGF信號成分的內吞，從而激活ERK信號並引導其從胚胎幹細胞狀態退出。而增加Rab5a促進的內吞作用可以挽救缺陷的早期分化。
總的來說，兩篇工作均證明機械力對於胚胎幹細胞分化過程的重要調節作用，對於理解細胞機制如何調控生化信號和細胞命運具有根本的重要性。
原文連結https://doi.org/10.1016/j.stem.2020.10.017https://doi.org/10.1016/j.stem.2020.10.018
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參考文獻
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