高通量机械组学筛选揭示单细胞力学新型调控因子

本研究针对细胞力学特性调控分子机制不清的问题，研究人员通过开展基因组规模RNAi筛选，结合实时荧光与形变细胞术（RT-FDC），系统探究了激酶和磷酸酶对单细胞力学的调控作用。结果鉴定出80个已知与新型力学调控因子，揭示了信号通路协调细胞力学表型的分子基础，为生物力学调控研究提供了新靶点与重要资源。

　　

细胞并非一成不变的刚性结构，而是具备动态可调力学特性的生命单元。这种特性使得细胞能够适应不同的生理与病理环境，例如在免疫应答、胚胎发育以及癌症转移等过程中，细胞力学特性均会发生显著改变。近年来，随着生物物理技术的飞速发展，科学家们已经能够实现对单细胞力学特性的快速、高通量评估，这为了解细胞力学表型（mechanotype）的调控打开了新窗口。然而，一个核心问题依然悬而未决：细胞究竟通过哪些具体的分子机制来维持和调节其自身的机械性能？特别是蛋白质磷酸化这一关键的翻译后修饰过程，其如何精细调控细胞骨架网络及其力学特性，仍知之甚少。

为了回答这一关键问题，由Laura Strampe和Jochen Guck等领导的研究团队在《Biophysical Journal》上发表了一项开创性研究。他们设计并实施了一项基因组规模的RNA干扰（RNAi）筛选，旨在系统性探索激酶（kinase）和磷酸酶（phosphatase）基因在调控单细胞力学中的功能。该研究充分利用了实时荧光与形变细胞术（RT-FDC）的独特优势，能够在高通量条件下，以单细胞分辨率并结合细胞周期信息，对细胞的机械特性进行全面的表型分析。

这项研究的主要技术方法包括：利用RNA干扰（RNAi）技术靶向沉默214个激酶和磷酸酶基因；采用实时荧光与形变细胞术（RT-FDC）对处理后的细胞进行高通量力学性质（如变形性）和荧光信号（用于细胞周期分析）的同步检测；基于RT-FDC产生的大量单细胞数据，进行严格的统计学分析以识别导致细胞力学表型发生显著变化的基因敲低。

研究结果

高通量筛选鉴定细胞力学调控因子

研究人员通过对214个激酶和磷酸酶基因进行RNAi筛选，并利用RT-FDC技术分析每个基因敲低后细胞的变形性（deformability）变化，成功鉴定出80个对单细胞力学特性有显著影响的基因。这些调控因子功能多样，涵盖了细胞信号转导、细胞骨架动力学、代谢调控等多个生物学过程，表明细胞力学特性的调控是一个高度复杂的网络化过程。

细胞周期分辨的力学表型分析

RT-FDC技术的一个关键优势是能够同时获取细胞的力学信息和细胞周期状态（通过DNA荧光染色）。分析发现，许多基因敲低导致的力学表型变化具有细胞周期特异性。例如，某些基因的缺失主要影响G₁期或G₂/M期细胞的硬度或变形能力，这提示这些基因可能通过调控细胞周期进程相关的结构重组来间接影响力学特性，也凸显了在特定细胞周期背景下解析力学调控的重要性。

新型与已知力学调节因子的功能验证

筛选结果不仅包含了部分已知与细胞骨架和收缩性相关的激酶（如ROCK），还发现了大量此前未知其参与力学调控的基因。对这些新发现的候选因子进行后续验证，确认了它们对细胞形态、骨架结构以及力学特性的特异性影响，进一步支持了筛选结果的可靠性。

结论与意义

本研究通过大规模的功能基因组学筛选，首次在系统水平上揭示了激酶和磷酸酶网络在调控单细胞力学特性中的核心作用。研究不仅确认了部分已知的力学调节因子，更重要的是发现了一批新型的机械敏感基因，极大地扩展了我们对细胞力学调控分子图谱的认识。这些发现深化了我们对信号通路如何协调细胞结构决定其力学表型（mechanotype）这一基本生物学问题的理解。该研究产生的数据集为后续深入研究特定基因在细胞力学调控中的具体机制提供了宝贵的起点和资源。更重要的是，由于细胞力学异常与多种疾病（如癌症、纤维化、神经退行性疾病）密切相关，本研究鉴定出的新型调控因子有望成为未来疾病诊断和治疗的新靶点。总之，这项研究将高通量生物物理技术与功能基因组学巧妙结合，为理解和操控细胞力学特性开辟了新的道路，对生物物理学、细胞生物学和医学研究均具有重要意义。