机械渗透信号通过调控染色质状态和核相分离决定多能干细胞命运转变

本研究揭示了多能干细胞命运转变过程中机械-渗透信号调控染色质状态的新机制。研究人员发现细胞核形态变化引发的渗透应激通过改变核内大分子拥挤程度和CBX2凝聚体动态，促使分化基因去抑制，为细胞命运转变奠定基础。该研究为理解机械力与生化信号协同调控细胞命运提供了全新视角，对再生医学领域具有重要意义。

　　

在生命最初的旅程中，一个简单的受精卵如何演变成拥有数百种细胞类型的复杂有机体，一直是发育生物学领域的核心谜题。多能干细胞作为能够分化为任何细胞类型的"万能细胞"，其命运决定过程受到精密调控。虽然科学家们已经揭示了诸多调控多能性的信号通路和基因调控网络，但这些生化信号如何与细胞的物理特性——形态变化、机械力作用等——协同工作，仍然是一个待解的重要问题。

近年来，越来越多的证据表明，机械力在细胞命运决定中扮演着关键角色。细胞不仅通过化学信号"感知"周围环境，还能通过物理力"感受"外界环境。细胞核作为细胞的"控制中心"，其形态和力学特性的变化可能直接影响基因表达。然而，这种机械信号如何转化为染色质状态的改变，进而影响细胞命运决定，仍是未解之谜。

在这项发表于《Nature Cell Biology》的研究中，Kaitlin P. McCreery和Aki Stubb等研究人员深入探索了机械-渗透信号在多能干细胞命运转变中的作用。他们发现，细胞在退出多能状态时会发生快速的核形态变化和体积减小，这种变化由生长因子信号调控的细胞骨架限制和染色质力学特性改变所引起。由此产生的渗透应激状态会触发全局转录抑制、大分子拥挤和核凝聚体重塑，通过减弱对分化基因的抑制而为细胞命运转变做好准备。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：使用人囊胚和人源多能干细胞(hPS细胞)包括胚胎干细胞(hES)和诱导多能干细胞(hiPS细胞)作为模型系统；通过活细胞成像和3D重建技术定量分析核形态和体积变化；利用原子力显微镜(AFM)测量核力学特性；采用单细胞多组学测序(scMultiome)分析染色质可及性和基因表达；通过磷酸化蛋白质组学分析信号通路激活；使用CRISPRi技术进行基因功能缺失研究；并利用人囊胚样本(5个捐赠胚胎)进行验证研究。

退出多能性与机械-渗透性核重塑相关

研究人员发现，在人胚胎植入前内细胞团(ICM)细胞中，GATA6高表达细胞的核体积减小、表面积与体积比增加，表明核发生扁平化或变形。这些变化与肌动蛋白结构的存在相关。在由初始hiPS细胞生成的3D类囊胚中，GATA6阳性细胞同样显示核体积减小和渗透敏感激酶p38 MAPK(丝裂原活化蛋白激酶)的激活。形态计量分析表明，hiPS细胞向三个胚层分化时都伴随核体积减小和扁平化。

机械-渗透性核重塑是对生长因子去除的快速响应

去除维持多能性的FGF2(成纤维细胞生长因子2)和TGF-β1(转化生长因子β1)后，核体积在15分钟内迅速减小，这主要由FGF2去除驱动。核膜波动在去除多能性因子后立即增加，FGF2能特异性控制这些波动。活体成像揭示了两种关键的肌动蛋白结构：包裹核膜的紧绷的核周肌动蛋白环，以及主动使核变形的动态细胞间腔隙。

核扁平化的渗透成分促使染色质为自发分化做准备

机械压缩使细胞扁平化导致染色质可及性和基因表达变化，30分钟压缩后5,131个区域可及性降低，仅157个区域可及性增加。SCENIC+分析显示，5分钟压缩时机械敏感转录因子YAP(Yes相关蛋白)的共调节因子TEAD1和机械敏感POU2F1(Oct1)调节子上调，而30分钟压缩时主要多能性转录因子(包括SOX2、SOX4和TCF4)下游调控网络和应激反应关键主调节因子(JUND、ATF4和NRF2)达到峰值。

机械-渗透信号控制谱系定向的动力学

瞬时高渗休克或压缩在多能性条件下触发不同的长期转录反应，而在基础培养基条件下，压缩和高渗休克导致高度相关的转录状态。这表明生长因子信号传导控制了压缩的机械和渗透成分之间的平衡。瞬时压缩在基础培养基中导致"非谱系特异性"分化基因调控网络的上调和多能性基因的下调。

渗透压控制CBX2凝聚以调控基因抑制

磷酸蛋白质组学分析显示，压缩和高渗休克共同上调的磷酸化位点与染色质重塑和转录负调控相关，特别是PRC1(多梳抑制复合物1)组分的磷酸化。活体成像显示，去除多能性因子、轴向压缩和高渗处理触发CBX2凝聚体的动态重塑，其特征是大凝聚体的溶解和随后重新组装。CBX2占据分析表明，去除多能性因子减少了分化基因和调控分化程序的转录因子上的CBX2占据，而当施加脉冲轴向压缩时，这种减少最为明显。

研究结论表明，快速生长因子驱动的染色质架构和核力学的机械-渗透重塑影响了多能细胞中的谱系转变。除了在较长时间尺度上控制特定基因表达程序外，去除多能性生长因子还介导了核机械-渗透状态的快速、分钟级变化，其特征是核变形和核体积减小，导致核质粘度增加和大分子拥挤。核变形的渗透成分增强了分化基因的可及性，这种瞬时且可逆的染色质重塑虽然不足以促进细胞命运转换，但降低了信号因子驱动的细胞状态变化的能量障碍，并可能使异质细胞群体的染色质状态同步化，从而对特定信号因子同样敏感。

该研究的创新性在于揭示了机械-化学反馈回路的作用机制，其中生化信号能够改变核的力学特性来改变染色质状态，而外力则能够改变生化信号被细胞解读的方式，从而影响细胞状态转变的动力学。特别是发现了PRC1-CBX2轴作为一个机械-渗透敏感的染色质调节因子，这对于理解多能干细胞命运决定机制具有重要意义，也为再生医学和细胞重编程研究提供了新的思路和方法。