《Nature Physics》又一篇聚丙烯酰胺水凝胶!

【摘要】

许多生物的早期发育涉及细胞单层的折叠，但这种行为在体外难以复制；因此，局部曲率的机械原因和影响仍不清楚。最近，科研人员 研究设计成波浪形图案的波纹水凝胶上的上皮细胞单层，研究凹凸曲率如何影响细胞和核形状。

团队发现基板曲率影响单层厚度，在山谷中比波峰更大。表明这个特征一般出现在顶点模型中，导致假设细胞可以通过修改组织的厚度来感知曲率。 发现局部曲率也会影响核形态和定位，通过扩展顶点模型以考虑膜 -核相互作用，编码核变形和位置变化中的厚度调制来解释这一点。建议曲率通过核形状和密度变化控制 yes 相 关蛋白的空间分布。表明曲率还会引起折叠上皮组织中核纤层蛋白、染色质凝聚和细胞增殖率的显着变化。总之，这项工作将活跃的细胞力学和核机械适应确定为上皮细胞对基质曲率的机械调节的关键参与者。

【图文解析】

曲率不会改变波浪状上皮的结构

为了研究单层上皮细胞如何适应其基质的凸凹细胞尺度曲率（图 1a），生成了 250 ± 30 kPa 的波纹状羟基聚丙烯酰胺（羟基-PAAm）水凝胶，具有各种波长，即 20 µ m ( λ 20)、30 µ m ( λ 30) 和 50 µ m ( λ 50)，通过铬光掩模在 360 nm 光聚合羟基-PAAm 溶液 。 48 h后，用Alexa Fluor 488对F-肌动蛋白（图1b）和4'，6-二脒基-2-苯基吲哚（DAPI）对细胞核（图1c）进行免疫染色，然后用激光成像 - 扫描共聚焦显微镜。总之，这些结果表明波浪状上皮单层保持其整体结构完整，并且可以适应波纹基质而不改变细胞形状或肌动蛋白的整体表达。

图 1：波纹聚丙烯酰胺水凝胶上的波浪状上皮单层。

图 2：来自基底曲率的上皮厚度调制的理论模型。

曲率调节原子核的空间分布

有趣的是，在共聚焦图像中观察到波纹上皮细胞质心和细胞质中心之间的明显偏移（图 3a），表明细胞核被中间体吸引。区域到凹面（山谷）。因此，将核偏移量（图 3a，b）量化为归一化位置的函数。 团队 确认实验数据遵循所有波长的位置 x 的预测正弦依赖性，核偏移指向凹区（谷），远离凸区（波峰），并且在中间达到最大值。区域（图 3c）。

图 3：基材曲率调节原子核的空间分布。

YAP曲率传感由核密度介导

因此，团队进行了高倍率共聚焦成像实验，以量化位于凸区和凹区的上皮细胞的核 /细胞质 YAP 比率（图 4a）。核/细胞质 YAP 比率在凸（峰）曲率上增加，但在凹（谷）曲率上降低（图 4b）。因此， 该 结果与 YAP 曲率感应可以通过密度感应间接发生的假设一致。

图 4：YAP 曲率传感由核密度调制介导。

曲率调节纤层蛋白的相对丰度

鉴于发现基底曲率导致不同的核变形，团队试图评估变形核中的层状成分，作为额外的潜在机械敏感反应。 事实上，越来越多的证据表明核机械特性是粘弹性的，并且与 LMB1 和 LMAC 表达有关。在 Z-stack 图像中，检查了λ20 波纹水凝胶上三种主要核形态（凸曲率、中间曲率和凹曲率）的 A/C 型和 B1 型纤层蛋白的荧光强度（图 5a）。

图 5：核层的组成取决于基底曲率。

凹曲率促进染色质凝聚

基底曲率对核形状、 YAP 定位和核纤层蛋白的调节使 团队 质疑基底曲率如何影响细胞功能，如增殖和 DNA 合成。因此， 团队 扩展了 该 模型以了解有关压缩下核的形状和体积变化的更多细节（图 6a）。在核被两个扁平的顶膜/基底膜压缩的简单情况下，核膜变形，导致体积流出（图 6b）。有趣的是，变形最大的 λ20（图 6c）和 λ30（图 6d）水凝胶的凸区和凹区上的细胞比中间体的细胞核体积小。

图 6：凹曲率区导致较低的细胞增殖率并促进伸长细胞核中显着的染色质凝聚。

相关论文以题为 Cell monolayers sense curvature by exploiting active mechanics and nuclear mechanoadaptation 发表在《 Nature Physics 》上。 通讯作者奥地利科学技术研究所 Edouard Hannezo 教授 ，蒙斯大学 Sylvain Gabriele 教授 。

参考文献 ：

doi.org/10.1038/s41567-021-01374-1