高通量机械组学筛选揭示单细胞力学新型调控因子：激酶与磷酸酶的作用机制

本刊推荐：为解析单细胞力学特性的遗传调控机制，研究人员采用高通量实时荧光与变形性流式技术（RT-FDC）对果蝇214个激酶和磷酸酶基因进行全基因组RNAi筛选。研究发现80个机械调控关键因子，包括已知力学调节因子（如PP2A复合物亚基）、有丝分裂调节因子（如aurA）及39个新型候选基因。该研究首次实现细胞周期分辨率下的高通量力学表型分析，揭示了相位特异性基因功能，为理解细胞力学在发育与疾病中的作用提供了新视角。

　　

在生命科学领域，细胞力学特性——即细胞对外界机械力的响应能力——正成为理解生理过程和疾病机制的关键。细胞刚度（cell stiffness）的变化与多种生物学场景密切相关：干细胞分化时变软，癌细胞转移时变软，而免疫细胞激活时先变硬后变软。这些力学特性不仅影响细胞的迁移、增殖和分化，还与多种疾病状态相关，如镰状细胞贫血、疟疾和COVID-19感染中红细胞刚度增加，或癌细胞软化促进浸润和转移。然而，尽管力学特性如此重要，其背后的遗传调控机制仍不清楚。细胞刚度主要受收缩性肌动蛋白皮层（actomyosin cortex）调控，但其他细胞骨架成分（微管、中间丝）、细胞核和细胞质大分子包装也参与其中。过去的研究多采用原子力显微镜（AFM），但低通量限制了筛选规模；转录组学方法虽能关联基因表达与力学表型，却缺乏靶向性。因此，需要一种高通量、单细胞分辨率的技术来系统解析力学特性的遗传基础。

为了回答这些问题，研究人员在《Biophysical Journal》上发表了一项研究，采用实时荧光与变形性流式技术（Real-Time Fluorescence and Deformability Cytometry, RT-FDC）对果蝇（Drosophila melanogaster）模型中的214个激酶和磷酸酶基因进行了RNA干扰（RNAi）筛选。RT-FDC是一种微流控技术，能以每秒100个细胞的速度测量单细胞在流体剪切力下的变形程度，从而计算表观杨氏模量（Young's modulus）作为刚度指标，并利用荧光标记区分细胞周期相位（间期和有丝分裂期）。研究还使用了Colchicine处理富集有丝分裂细胞，并通过线性混合模型（LMM）进行统计分析，以控制日间变异。

研究结果如下：

一、种群水平的单细胞力学筛选

研究针对143个磷酸酶基因和71个激酶基因进行筛选，每个基因至少5个生物学重复。RT-FDC测量了每个样本超过2000个细胞，发现80个基因的敲除显著改变了细胞刚度（p < 0.05）。其中57个基因敲除导致细胞硬化（如stg和Mbs），21个导致软化（如Pp2A-29B和tws），2个基因（aurA和PRL-1）在间期和有丝分裂期表现出相反效应。刚度变化中位数为0.04 kPa，而样本内标准差为0.24 kPa，表明效应虽小但显著。

二、与全种群分析的比较

细胞周期分辨率分析发现，80个机械命中基因中，58个也能在全种群分析中检测到，而22个仅通过细胞周期分辨率分析发现。全种群分析漏掉了多数软化表型（尤其是有丝分裂特异性软化），并产生了12个虚假硬化表型（由细胞周期分布偏移引起）。例如，PRL-1敲除在间期硬化细胞、在分裂期软化细胞，这种双向效应在全种群分析中被掩盖。

三、已知和新型调控因子的多样化功能

命中基因分为三类：已知力学调控因子（24个，如调控肌动蛋白皮层的puc、PP2A复合物亚基）、有丝分裂调控因子（17个，如微管动态相关基因wrd和aurB）和新型候选基因（39个，如涉及神经功能的Synj和信号通路的MKP-4）。这些基因覆盖了多种细胞功能，从肌动蛋白组织到机械传导（mechanotransduction），突显了RT-FDC在系统映射力学遗传调控中的优势。

研究结论强调，细胞周期分辨率显著提高了机械组学筛选的准确性和发现能力，避免了全种群分析的偏差，并揭示了相位特异性基因功能（如PRL-1的双向调控）。这些发现不仅验证了已知力学通路（如Rho信号），还提供了新型调控因子（如hop/JAK homolog）作为未来研究的起点。讨论部分指出，RT-FDC的串行测量限制了通量，未来需并行化技术突破；此外，当前研究聚焦弹性刚度，而细胞粘弹性（viscoelasticity）可能在其他生理条件下更重要，未来可结合微流控粘弹性表型分析进一步探索。该研究为理解细胞力学在发育、癌症和免疫中的调控机制提供了宝贵资源，并展示了RT-FDC在基因组尺度机械组学中的应用潜力。