整合理论建模与高分辨率成像揭示核纤层相关域形成的生物物理学机制及其在干细胞命运调控中的作用

本研究通过整合相场理论模型与STORM超分辨成像技术，揭示了染色质-核纤层相互作用强度(VLAD)的双峰分布特征及其受组蛋白去乙酰化酶3(HDAC3)调控的分子机制。团队发现微环境力学信号通过细胞收缩性调控HDAC3核质穿梭，进而影响H3K9me2/3和H3K27me3修饰动力学，最终决定间充质干细胞(MSCs)中核纤层相关域(LADs)的形态学特征。该研究为理解肌腱病等基质软化疾病中的表观遗传调控提供了新视角。

　　

在细胞命运决定过程中，三维基因组结构的动态重组一直是个未解之谜。特别是核纤层相关域(LADs)作为基因沉默的关键结构，其形成机制与力学调控规律尚未阐明。传统研究面临两大瓶颈：一是染色质-核纤层相互作用强度的定量描述缺失，二是单细胞水平异质性难以捕捉。这项发表于《Nature Communications》的研究通过多学科交叉方法，首次建立了力学-表观遗传耦合调控LADs形态的定量框架。

研究团队创新性地结合了三种关键技术：基于相场理论的数学模型（描述染色质相分离动力学）、STORM超分辨成像（分辨率达20nm）和人类间充质干细胞(hMSCs)模型系统（包含健康供体与肌腱病患者来源细胞）。通过Voronoi镶嵌算法量化染色质密度分布，实现了从单细胞图像中反演组蛋白甲基化速率(Γ_me)和染色质-核纤层亲和力(V_LAD)的空间异质性图谱。

染色质组织特征揭示双尺度结构

STORM成像显示染色质形成特征性双尺度结构：核内异染色质(HC)域平均半径约50nm，而核周LADs平均厚度约200nm。相场模型成功预测了这种双尺度结构的形成，揭示其由染色质-染色质相互作用能与表观遗传反应动力学的平衡决定。值得注意的是，核孔等核膜异质性导致V_LAD呈现双峰分布——部分区域结合强度高达8-16pN·nm（相当于染色质自身相互作用能），而约30%区域几乎无结合。

表观遗传-力学耦合调控机制

研究发现HDAC3的核质穿梭是连接微环境力学与表观遗传的关键枢纽：软基质（3kPa）促进HDAC3核内聚集，使Γ_me提升17%，V_LAD增强14.5%；而ROCK抑制剂Y27632处理模拟此效应，使LADs增厚19.4%。相反，硬基质（30kPa）通过增强细胞收缩性促使HDAC3外排，导致染色质解聚。这种调控具有病理相关性——肌腱病患者的肌腱细胞呈现典型的"软基质表型"，其LADs厚度比健康对照增加28%。

药理干预的差异化效应

理论框架成功区分了表观遗传药物的特异性作用：GSK343（EZH2抑制剂）仅降低Γ_me36%而不影响V_LAD；而TSA（HDAC抑制剂）同时使Γ_me降低22%且V_LAD减弱26%。这种差异源于HDAC3的双重功能——既催化组蛋白去乙酰化，又通过LAP2β介导染色质-核纤层锚定。

该研究建立了首个能定量预测LADs形态的理论框架，揭示了力学信号通过HDAC3空间分布调控基因组三维组织的分子路径。这不仅为理解干细胞分化中的表观遗传重编程提供了新范式，更为肌腱病等基质软化疾病的治疗提供了潜在靶点。特别值得注意的是，研究者开发的参数反演方法仅需STORM图像即可推断内在生物物理参数，这种"以形定参"的策略为单细胞组学研究开辟了新思路。