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为探究细胞质 β-和 γ-actin 同工型及非肌肉肌球蛋白 2（NM2）同工型在调节膜皮层力学和连接组织中的作用，研究人员以 MDCK 等上皮细胞为对象开展研究。结果发现 γ-actin 缺失会引发一系列变化，该研究揭示了相关生物力学回路，对理解上皮细胞功能意义重大。
在细胞的微观世界里，上皮细胞作为人体的 “卫士”，承担着保护、屏障以及物质运输等重要职责。其内部的肌动球蛋白细胞骨架（由肌动蛋白、肌球蛋白和相关蛋白组成），如同细胞的 “钢筋骨架”，在细胞的多种活动中发挥着关键作用，比如细胞的黏附、迁移、分裂，以及维持细胞形态和机械稳态等。上皮细胞表达的细胞质肌动蛋白 γ-actin 和 β-actin，虽然在 N 端序列仅有四个氨基酸的差异，但它们却有着不同的生化特性、定位和功能。然而，目前对于它们如何精确调节细胞间连接的组织和功能，以及如何整合机械力来调控连接和顶端膜皮层力学，科学家们知之甚少。同时，调节特定肌动蛋白和肌球蛋白同工型表达以及它们之间相互作用的生物力学回路也尚不明晰。
为了解开这些谜团，来自瑞士日内瓦大学、新加坡国立大学、德国哥廷根大学等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们揭示了其中的奥秘。
研究人员运用了多种技术方法来开展此项研究。基因编辑技术（CRISPR/Cas9）被用于构建 γ-actin 基因敲除（KO）的 MDCK 细胞系；通过免疫印迹（IB）、免疫荧光显微镜（IF）等技术检测蛋白表达和定位；利用荧光漂白恢复技术（FRAP）研究蛋白的动态交换；借助原子力显微镜（AFM）测量细胞的力学性能。
研究结果如下：
- γ-actin 敲除通过上调 NM2A 增加 β-actin 表达：研究人员利用 CRISPR/Cas9 技术构建了三个 γ-actin 基因敲除的 MDCK 细胞系。实验发现，与野生型细胞相比，γ-actin 敲除细胞中 β-actin 在细胞间连接和细胞质中的信号显著增加，β-actin 的蛋白和 mRNA 水平也有所上升，而总肌动蛋白水平不变。进一步研究表明，γ-actin 敲除细胞中 NM2A 的表达和定位增加，且 β-actin 的水平受 NM2A 调控。
- γ-actin 敲除通过上调 NM2A 和 β-actin 增加 TJ 曲折度：研究人员观察到，γ-actin 敲除细胞的 TJ 膜曲折度（用曲折指数衡量）显著增加，且这种增加可被外源性 γ-actin 表达所挽救。通过敲低 NM2A 和 β-actin 进行研究发现，γ-actin 敲除细胞中 TJ 膜曲折度的增加需要 NM2A 和 β-actin 共同参与。
- γ-actin 敲除降低顶端皮层刚度和收缩性：AFM 测量结果显示，γ-actin 敲除细胞的顶端表面微弹性和刚度明显降低，这一结果可通过外源性 γ-actin 表达得到恢复。同时，γ-actin 敲除细胞的皮层张力和刚度降低，流体 ity 增加，这表明 γ-actin 对于维持 MDCK 细胞顶端皮层的收缩性、有序性和刚度至关重要。
- γ-actin 敲除促进 ZO-1 和 cingulin 的交换：研究发现，γ-actin 敲除的 MDCK 细胞中，TJ 和 AJ 的组织以及 TJ 的屏障功能并未受到影响，但 ZO-1 和 cingulin 的动态交换增加。FRAP 实验表明，γ-actin 和肌球蛋白 - 2 的活性共同控制着 TJ 细胞质蛋白的动态变化。
在讨论部分，研究人员指出，他们发现了一个生物力学回路，即 γ-actin 的缺失会导致 NM2A 依赖的 β-actin 上调，进而增加 TJ 膜曲折度。同时，γ-actin 敲除会降低顶端膜皮层的刚度，影响 TJ 蛋白的动态变化，但不影响 TJ 的组织和屏障功能。这一研究结果有助于我们深入理解肌动蛋白同工型的特定功能以及它们表达的调控机制。此外，研究还发现，γ-actin 和 cingulin 可能通过维持顶端膜刚度和细胞完整性，在毛细胞存活和听力功能中发挥重要作用。
综上所述，该研究通过基因敲除、敲低和挽救实验，揭示了 γ-actin 在一个机械敏感回路中的重要作用。这一回路控制着 NM2A 和 β-actin 的表达，调节膜皮层力学和细胞质 TJ 蛋白的动态变化，为深入理解上皮细胞的功能和相关疾病的发生机制提供了新的视角，也为未来的研究和治疗提供了潜在的靶点和方向。
