基质刚度通过E-钙黏蛋白-YAP轴调控人胚胎干细胞内胚层分化的力学机制

这篇研究揭示了E-钙黏蛋白（E-cadherin）在基质刚度调控人胚胎干细胞（hESCs）定向内胚层分化（DE）中的关键作用。通过构建不同刚度（0.14-46.7 kPa）的聚丙烯酰胺水凝胶模型，发现高刚度基质通过降低E-cadherin介导的细胞间黏附，促进Yes相关蛋白（YAP）核转位，进而上调内胚层标志物GATA6和CXCR4的表达。研究首次阐明了力学微环境通过E-cadherin-YAP信号轴调控干细胞分化的分子机制，为组织工程和发育疾病治疗提供了新靶点。

　　

基质刚度通过E-钙黏蛋白-YAP轴调控hESCs内胚层分化

引言
人胚胎干细胞（hESCs）具有分化为内、中、外三胚层的能力，其中定型内胚层（DE）发育形成消化系统和呼吸器官。异常的DE分化与先天性消化道畸形、糖尿病等疾病密切相关。近年研究发现，细胞外基质（ECM）力学特性（如刚度）可显著影响干细胞分化，但细胞间黏附分子E-钙黏蛋白（E-cadherin）在此过程中的作用尚不明确。

材料与方法
研究采用H1系hESCs，在0.14、6.1和46.7 kPa三种刚度的胶原I包被聚丙烯酰胺（PA）水凝胶上培养。通过免疫荧光、流式细胞术和单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析DE标志物表达；利用邻近连接实验（PLA）和染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）揭示E-cadherin与YAP的相互作用；采用E-cadherin阻断抗体（HECD）和激活剂（HDAC）验证功能。

结果

刚度增强DE分化效率
• 形态学显示：46.7 kPa基质上H1细胞克隆更扁平，迁移细胞比例较0.14 kPa组增加2.3倍
• 分子标志：高刚度组CXCR4⁺细胞比例达78.5%，GATA6蛋白表达量提升3.1倍
• scRNA-seq鉴定出6个DE亚群，其中高刚度组特异性高表达LHX1和HAS2基因

E-cadherin的刚度依赖性调控
• 免疫染色定量显示：0.14 kPa组细胞连接处E-cadherin荧光强度是46.7 kPa组的2.8倍
• 功能干预实验：10 μg/mL HECD处理使CXCR4表达提升40%，而10 μM HDAC抑制DE分化效率达65%

E-cadherin-YAP机械转导轴
• PLA检测发现：E-cadherin与YAP在细胞连接处共定位，信号强度随刚度增加降低50%
• 机制验证：阻断E-cadherin使核内YAP比例从15%增至42%，激活Wnt/β-catenin通路相关基因

YAP驱动的转录调控
• ChIP-seq分析：YAP在DE-1阶段结合CDH1、GATA4等基因启动子区
• 关键通路："E-cadherin信号"和"粘着连接解组装"通路富集度最高（P<0.001）

讨论
该研究首次揭示刚度通过E-cadherin-YAP轴调控hESCs分级的力学机制：高刚度基质削弱E-cadherin介导的细胞间连接，释放胞质YAP进入核内，激活内胚层特异性基因转录。值得注意的是，YAP同时反馈抑制E-cadherin表达，形成促进DE分化的正反馈循环。这些发现为理解胚胎发育中力学-生化信号耦合提供了新视角，也为基于基质刚度设计的类器官培养体系提供了理论依据。

应用前景

1. 疾病建模：利用刚度梯度平台模拟糖尿病胰腺发育异常
2. 再生医学：优化肝/胰前体细胞分化培养基质参数
3. 药物筛选：靶向E-cadherin-YAP界面开发促分化小分子