在奇妙的细胞世界里，细胞形态的差异无处不在。就像人类社会中，每个人都有着独特的外貌和性格一样，细胞们也有着各自不同的 “长相”。在众多细胞中，上皮细胞是一个大家族，它们的形态差异更是引起了科学家们的浓厚兴趣。
上皮细胞形态的异质性（heterogeneity）在细胞群体中普遍存在。即使是一群基因完全相同的上皮细胞，每个细胞的大小和形状也会有所不同。这种差异不仅体现在细胞的外观上，还与细胞的功能密切相关。想象一下，上皮细胞就像建筑工人，它们的不同形态可能会影响到整个 “建筑”—— 上皮组织的功能。有的细胞可能更擅长传递信号，有的则在物质运输方面表现出色，而这一切都与它们的形态息息相关。
然而，长期以来，科学家们对于上皮细胞形态异质性背后的机制却知之甚少。就好像面对一座神秘的城堡，知道它里面藏着很多秘密，但却找不到进入的大门。细胞形态的差异是如何产生的？为什么在看似相同的细胞群体中，会出现如此多样的形态？更重要的是，这些形态上的差异会对细胞的功能产生怎样的影响？这些问题就像一团团迷雾，笼罩在细胞生物学的研究领域。
此外，细胞核作为细胞的 “指挥中心”，它的形态与细胞形态之间的关系也一直是个谜。细胞核的大小、形状等特征是否与细胞形态相互关联？如果是，它们之间的联系又是如何建立的？这一系列问题都亟待解决，因为它们对于我们深入理解细胞的生物学行为，以及上皮组织的正常功能和疾病发生机制都至关重要。
为了揭开这些神秘的面纱，来自哈佛医学院等机构的研究人员在《Communications Biology》期刊上发表了一篇名为 “Cell morphological heterogeneity drives chromatin state diversity in epithelial tissues” 的论文。他们通过一系列巧妙的实验，得出了许多重要的结论，为我们打开了一扇了解细胞奥秘的新窗户。
研究人员发现，上皮细胞在拥挤状态下，细胞和细胞核的形态之间存在着紧密的联系。这种联系就像一对默契的舞伴，在细胞的舞台上相互配合。而且，他们还揭示了细胞和细胞核大小的变化遵循特定的概率分布规律，就像是被某种神秘的力量安排好了一样。更为重要的是，研究人员找到了细胞形态异质性影响染色质修饰（chromatin modifications）的证据，这意味着细胞的形态差异可能会通过改变染色质的状态，进而影响基因的表达，就像一把钥匙打开了基因表达的大门，决定了细胞的命运和功能。这些发现不仅加深了我们对细胞生物学的理解，还为未来的医学研究和治疗提供了新的思路和方向。
在这项研究中，研究人员运用了多种先进的技术方法。他们借助细胞成像技术，就像是给细胞装上了 “透视眼”，可以清晰地观察细胞和细胞核在不同状态下的形态变化。同时，利用细胞分割与量化分析技术，对细胞和细胞核的大小、形状等特征进行精确测量，如同拿着一把精准的尺子，不放过任何细微的差异。此外，药物扰动实验也是重要的研究手段，通过使用不同的药物来干扰细胞内的各种生理过程，从而探究这些过程对细胞和细胞核形态以及染色质修饰的影响，仿佛在细胞的 “小世界” 里做了一场场有趣的 “魔法实验”。
下面让我们一起来看看研究人员具体都有哪些有趣的发现。
细胞和细胞核形态在细胞拥挤过程中的相关性演变
为了探究细胞形态如何影响细胞行为，研究人员首先把目光聚焦在细胞和细胞核大小的变化上。他们选择了 Madin Darby Canine Kidney（MDCK）细胞进行培养实验，就像是在实验室里搭建了一个细胞的 “小天地”。在这个 “小天地” 里，细胞们开始了它们的 “成长之旅”。研究人员在细胞培养的不同时间点，如 24 小时、64 小时、72 小时和 104 小时，对细胞和细胞核进行了细致的观察和分析。这些时间点可不是随意选择的，它们涵盖了细胞从稀疏分布到逐渐拥挤的各个关键阶段，就像记录了一个孩子从幼年到成年的成长历程。
随着细胞逐渐拥挤，研究人员发现了一个有趣的现象：细胞和细胞核的面积都在逐渐变小。这就好比在一个越来越拥挤的房间里，每个人和他们所占据的空间都会被迫缩小。同时，细胞间的连接蛋白 E-cadherin 的表达增加，并且更加集中在细胞间的连接处，就像人们在拥挤的环境中，彼此之间的联系变得更加紧密。
更有意思的是，研究人员还发现细胞和细胞核的形态存在着明显的异质性。即使在相同的培养条件下，每个细胞和细胞核的大小都不尽相同，这种差异甚至比整体的大小变化还要大。这就好像在一个班级里，虽然大家都在相同的环境中学习，但每个人的身高、体重都有差异，而且这种差异比整个班级平均身高体重的变化还要显著。这一发现提醒我们，在研究细胞行为时，不能只关注整体的平均情况，每个细胞的个体差异同样重要。
进一步研究发现，细胞核和细胞的面积之间存在着显著的正相关关系，也就是说，细胞越大，细胞核往往也越大，它们之间就像有着一根无形的线连接着。而且，这种相关性在不同的上皮细胞模型系统中都存在，无论是人类角质形成细胞系（HaCaT），还是发育中的小鼠胚胎上皮细胞，都遵循着这个规律。这表明这种细胞核 - 细胞面积的共同调节机制可能在不同的生物系统中是保守的，就像有一种通用的 “密码”，控制着细胞和细胞核的大小关系。
研究人员还对细胞和细胞核的面积分布进行了深入分析。他们发现，除了 MDCK 细胞在 24 小时时的面积分布外，其他情况下，细胞和细胞核面积的概率分布函数曲线都呈现出一种 “universal collapse” 的现象，并且可以用对数正态分布来描述。这就像是所有细胞和细胞核的大小变化都遵循着同一个数学模型，这个模型就像是它们的 “生长密码”。同时，细胞和细胞核的长宽比（AR）也存在着一定的相关性，而且它们的 AR 分布可以用 Gamma 分布来描述，这进一步说明了细胞和细胞核的形态变化具有一定的规律性。
细胞分裂导致大小异质性的出现
细胞在拥挤状态下面积的减小，很可能与细胞的增殖有关。就像在一个有限的空间里，新出生的孩子越来越多，每个人能占据的空间就会越来越小。研究人员猜测，细胞和细胞核形态的异质性可能在细胞分裂时就已经产生了。为了验证这个猜想，他们进行了一项有趣的实验 —— 对分裂的细胞及其子代细胞进行实时追踪。
研究人员给细胞们 “穿上” 了特殊的 “荧光外衣”，用绿色荧光蛋白（GFP）标记细胞膜，用蓝色荧光蛋白（BFP）标记细胞核，这样就可以清晰地观察细胞分裂和生长的过程。他们发现，同一个母细胞分裂产生的子代细胞，面积并不相等，一个会比另一个大。而且，细胞核的大小也与子代细胞的大小相对应，较大的子代细胞拥有较大的细胞核。这就好像一对双胞胎，虽然有着相同的基因，但在成长过程中，身高体重却出现了差异。
随着子代细胞的生长，它们之间的面积差异逐渐增大，而细胞核之间的大小差异却相对保持稳定。研究人员通过分析大量的子代细胞对，发现细胞和细胞核在 0 小时（刚分裂完成）和 6 小时后的面积都存在着显著的正相关关系，这表明细胞和细胞核面积的差异在细胞分裂后就已经确定，并且在细胞生长过程中持续存在。
研究人员还对细胞和细胞核面积的概率分布进行了分析，发现它们在细胞生长过程中只是分布范围变宽了，但仍然可以用对数正态分布来描述。这说明细胞和细胞核面积的变异性在细胞分裂时就已经出现，并且在细胞生长过程中近似线性地放大。此外，通过计算细胞面积的自相关函数，研究人员发现子代细胞的最终面积并不是由母细胞遗传决定的，而是受到细胞分裂时的随机因素影响，就像抛硬币一样，每次的结果都有一定的随机性。
这些结果表明，细胞和细胞核面积的变异性是通过两个连续的步骤建立起来的。首先是细胞分裂时的不均匀性，这就像在制作蛋糕时，每个蛋糕的大小都不太一样；然后是细胞生长过程中的变异性放大，细胞越大，生长速度越快，就像个子高的孩子长得更快一样。而且，在这个过程中，细胞核和细胞的大小始终保持着相关性。与细胞 AR 异质性主要由细胞间连接重塑导致不同，细胞和细胞核面积的异质性主要源于细胞分裂时的随机事件，细胞 - 细胞相互作用产生的几何约束主要影响最终的平均大小，而不是面积异质性。
肌动球蛋白和渗透压平衡调节细胞核 - 细胞面积比（NC ratio）
既然发现了细胞和细胞核之间存在着紧密的联系，研究人员就想知道是什么机制在协调它们的大小。之前的研究表明，细胞骨架（cytoskeleton）和细胞内的渗透压平衡可能在控制细胞核大小方面发挥着重要作用。为了验证这一猜想，研究人员进行了一系列巧妙的扰动实验。
他们首先使用 blebbistatin（一种非肌肉肌球蛋白 II 抑制剂）来抑制肌动球蛋白的活性。结果发现，随着 blebbistatin 浓度的增加，细胞核 - 细胞面积的相关性逐渐减弱。这就好像是切断了细胞和细胞核之间的 “联系纽带”，让它们的大小关系变得不再那么紧密。而且，研究人员还发现，抑制肌动球蛋白活性后，细胞核会出现近似各向同性的扩张，面积、体积和高度都有所增加，这表明肌动球蛋白在限制细胞核大小方面起着重要作用。
接着，研究人员又用 nocodazole 抑制微管（microtubules，细胞骨架的另一个重要组成部分）的组装。然而，单独抑制微管并没有明显降低细胞核 - 细胞面积的相关性。只有当同时抑制肌动球蛋白和微管时，才会观察到相关性的显著降低。这说明在汇合的上皮细胞中，肌动球蛋白张力在协调细胞核和细胞大小方面比微管起着更主导的作用，就像在一场比赛中，肌动球蛋白是更重要的 “运动员”。
研究人员还发现，破坏细胞核与细胞骨架之间的连接（通过表达一种显性负性的 GFP - KASH2 蛋白来破坏 LINC 复合物），会显著降低细胞核 - 细胞面积的相关性，这进一步证明了细胞核与细胞骨架的连接对于调节细胞核大小的重要性，就像桥梁断了，两岸的联系就会受到影响。
除了细胞骨架，渗透压平衡也可能参与调节细胞核 - 细胞面积比。研究人员通过进行低渗休克实验来验证这一假设。他们先让细胞的细胞膜选择性通透，然后将细胞培养液换成低渗溶液，结果发现细胞核明显肿胀，而细胞大小基本保持不变。这就像给细胞核 “喝” 了很多水，让它变大了，但细胞整体的 “体型” 却没怎么变。同时，细胞核面积与细胞面积的相关性也显著降低，这表明渗透压对于维持细胞核 - 细胞面积比至关重要。
此外，研究人员还使用 selinexor（一种选择性 exportin - 1 抑制剂）抑制核输出，发现细胞核同样会肿胀，并且细胞核 - 细胞面积的相关性也降低了。这说明细胞核与细胞质之间的大分子稳态对于调节汇合上皮细胞中的细胞核大小是必需的。综合这些实验结果，研究人员得出结论：渗透压和细胞骨架在调节汇合上皮细胞中的细胞核 - 细胞面积比方面都起着至关重要的作用。
细胞核大小影响组蛋白修饰
细胞形态的异质性仅仅是上游生物事件的副产品吗？还是说细胞核大小的异质性会对下游生物过程产生重要影响呢？研究人员对此展开了深入研究。他们知道，组蛋白修饰（histone modifications）可以控制染色质的物理性质和相应的表观遗传状态，就像给染色质 “化妆”，改变它的功能。例如，组蛋白 H3 赖氨酸 27 三甲基化（H3K27me3）与基因沉默有关，而组蛋白 H3 赖氨酸 9 乙酰化（H3K9ac）则与基因激活相关。
研究人员通过免疫染色和分析，发现 H3K27me3 的强度与细胞核面积呈负相关，也就是说，细胞核越大，H3K27me3 的含量越低；而 H3K9ac 的强度与细胞核面积呈正相关，细胞核越大，H3K9ac 的含量越高。这种现象在 MDCK 细胞和小鼠胚胎上皮细胞中都得到了验证，表明这是一种普遍存在的机制。
为了进一步探究细胞核大小对染色质状态的影响，研究人员对组蛋白标记强度进行了系统的空间分析。他们发现，较大的细胞核中 H3K9ac 的分布更加分散，其在细胞核外周与中心的强度比值与细胞核面积呈正相关。这就好比在一个大房间里，物品（H3K9ac）分布得更加均匀。而且，研究人员还通过微图案实验证实，几何约束（模拟细胞拥挤状态）可以调节染色质修饰，较小的细胞核与增加的 H3K27me3 水平相关。这表明即使是相对温和的、生理相关的约束，也足以改变染色质状态。
细胞核面积是 H3K27me3 水平的主要形态预测指标
研究人员进一步对细胞核大小与组蛋白标记水平之间的关系进行了深入分析。他们进行了系统的线性多变量分析，综合考虑了 MDCK 细胞和细胞核的多种形态特征。结果发现，细胞核 - 细胞面积的相关性主要是成对出现的，其他形态特征对其影响较小。这就好像在众多影响因素中，细胞核和细胞面积的关系最为密切，是 “主角”。
通过主成分分析（PCA），研究人员发现 H3K27me3 水平、细胞 / 细胞核面积和细胞长宽比之间的关系较为复杂，预测 H3K27me3 水平需要综合考虑多个形态特征。不过，在所有形态特征中，细胞核面积是预测 H3K27me3 水平的主要指标。而且，考虑细胞核 - 细胞面积比（NC ratio）和非线性关系可以提高预测的准确性，这说明细胞核和细胞的大小关系以及它们之间的非线性相互作用在调节 H3K27me3 水平方面起着重要作用。
研究人员还发现，当破坏细胞核 - 细胞骨架的连接（通过 DN - KASH 细胞）后，细胞核面积不再能有效地预测 H3K27me3 水平。但综合考虑所有形态特征、NC ratio 和非线性关系后，预测准确性又能恢复到与对照组相似的水平。这表明细胞核 - 细胞骨架连接的破坏会重新编程组蛋白标记水平与形态特征之间的关系，就像重新调整了机器的内部程序。
细胞核大小通过 UTX 调节 H3K27me3 水平
既然细胞核面积是 H3K27me3 水平的主要预测指标，研究人员就想知道细胞核大小是如何改变染色质状态的。他们把目光投向了组蛋白修饰酶，其中 UTX（一种赖氨酸特异性去甲基酶）和 EZH2（一种赖氨酸甲基转移酶）在调节 H3K27me3 水平方面起着重要作用。
研究人员通过免疫染色发现，UTX 的水平与细胞核大小相关，较大的细胞核中 UTX 的含量较高，而 EZH2 的水平与细胞核大小没有明显的相关性。这就像在细胞核这个 “小工厂” 里，UTX 和 EZH2 有着不同的 “工作模式”。而且，他们还发现较大的细胞核中 EZH2/UTX 的强度比值较低，这进一步表明 UTX 在协调细胞核大小和 H3K27me3 水平方面起着重要作用。
为了验证这一结论，研究人员使用药物 GSK - J1 和 DS3201 分别抑制 UTX 和 EZH2 的活性。结果发现，这两种药物处理后，细胞核大小与 H3K27me3 水平之间的反相关关系被消除了，这说明 UTX 和 EZH2 都参与了对 H3K27me3 水平的调节，它们就像一对相互配合的 “小助手”，共同控制着 H3K27me3 的水平。
研究人员还发现，抑制肌动球蛋白活性（用 blebbistatin 处理）会降低 UTX 的水平，并且减弱细胞核面积与 H3K27me3 或 H3K9ac 水平之间的相关性，这表明肌动球蛋白在协调染色质修饰与细胞核大小方面起着关键作用。此外，通过微图案限制细胞铺展的实验，研究人员发现细胞核大小的减小会阻碍 UTX 在细胞核中的积累，导致 H3K27me3 水平升高，这个过程大约需要 8 小时才能显现出来。
综合以上研究结果，研究人员提出了一个有趣的模型：细胞分裂时的不均匀性会导致细胞大小的变异性，这种变异性通过肌动球蛋白张力和细胞内渗透压平衡传递给细胞核，使得细胞核大小也出现差异。而细胞核大小的差异又会影响组蛋白修饰，部分是通过调节 UTX 的表达来实现的。
这项研究意义重大。它为我们理解上皮细胞的生物学行为提供了全新的视角，就像为我们打开了一扇通往细胞微观世界的新大门。研究揭示的细胞和细胞核形态异质性的机制，有助于我们深入了解细胞的生长、发育和分化过程。例如，在胚胎发育过程中，细胞和细胞核大小的变化可能会影响细胞的命运决定，进而影响组织和器官的形成。而且，这些发现对于理解疾病的发生机制也有着重要的启示。在癌症等疾病中，细胞和细胞核的形态常常发生异常改变，研究人员推测这些形态变化可能通过影响染色质修饰，进而影响基因表达，导致细胞的异常增殖和分化。因此，这项研究为未来开发针对这些疾病的治疗方法提供了潜在的靶点和理论基础，就像为攻克疾病找到了新的 “钥匙”。同时，研究还强调了细胞形态异质性在产生细胞多样性方面的重要作用，让我们对细胞世界的奇妙多样性有了更深刻的认识。
