核压缩介导的DNA损伤通过ATR依赖性Lamin表达调控小鼠胚胎干细胞分化

本研究揭示了基质刚度通过核压缩诱导DNA损伤，进而激活ATR/CHK1通路调控Lamin A/C表达的新机制。研究人员发现机械适应导致的核压缩会引发单链DNA断裂(SSBs)，通过ATR依赖性途径抑制Lamin A/C磷酸化(Ser22)从而稳定其表达，最终驱动mESCs向中胚层分化。该发现为理解机械力-基因组互作在干细胞命运决定中的作用提供了新视角。

　　

在生命最初的舞台上，胚胎干细胞(ESCs)如同全能的演员，能够分化为任何角色。然而这场精妙的"细胞变形记"背后，隐藏着一个鲜为人知的力学密码：微环境的物理特性如何影响干细胞的命运选择？传统研究多聚焦于化学信号的作用，而对机械力如何通过核膜传递并改写遗传程序的认知仍存在大片空白。更令人困惑的是，快速增殖的ESCs本身就面临DNA损伤的高风险，它们如何在机械力与基因组稳定性之间保持精妙平衡？

这项发表在《Nucleic Acids Research》的研究揭开了这个双重谜题。研究人员发现，培养基质的刚度会通过"核压缩"这种物理方式直接损伤DNA，而这场基因组危机竟意外成为驱动分化的关键开关。就像用折纸塑造不同形状，细胞核的形变程度决定了干细胞的命运轨迹。

为阐明这一机制，研究团队采用了多学科交叉方法：通过聚丙烯酰胺水凝胶构建不同刚度(0.6/4/33 kPa)的培养体系；原子力显微镜(AFM)定量细胞力学特性；碱性/中性彗星实验区分DNA损伤类型；RNA测序分析全基因组表达谱；结合免疫荧光和Western blot追踪关键蛋白动态；并利用斑马鱼模型验证ATR的发育功能。所有实验均使用E14 Tg2a野生型和Lamin A/C敲除(LMNA-KO)小鼠ESCs，在去LIF条件下进行。

【Stiffness-mediated mechanoadaptation is associated with DNA damage in mESCs】

研究发现，mESCs在较硬基质(33 kPa)上铺展更充分，伴随肌球蛋白轻链(pMLC)磷酸化增强和皮层刚度增加。有趣的是，这种机械适应与DNA损伤呈正相关，通过γH²AX焦点计数和彗星实验证实。特别值得注意的是，碱性彗星(检测SSBs和DSBs)与中性彗星(仅检测DSBs)结果的差异表明，刚度主要诱导单链断裂。当用MnCl₂增强软凝胶上细胞的铺展时，核高度降低而DNA损伤增加；反之，用blebbistatin抑制硬凝胶上细胞的收缩则产生相反效果，证实核压缩是DNA损伤的直接诱因。

【DNA damage induces loss of pluripotency and Lamin A/C expression】

令人惊讶的是，DNA损伤竟成为分化的"启动开关"。低剂量依托泊苷(ETO)处理可诱导Lamin A/C表达并伴随多能性标志物Oct3/4和Nanog的丢失。时间动力学显示，DNA损伤信号(1小时)早于Lamin A/C诱导(3小时)。同样，视黄酸(RA)和抗坏血酸(AA)诱导分化时，也观察到早期(3小时)DNA损伤和Lamin A/C的瞬时升高。RNA测序显示，72小时后多能性基因完全沉默，中胚层标志物(Brachyury等)表达最为显著。

【Temporal loss of pluripotency is associated with mechanoadaptation mediated differentiation in mESCs】

深入的时间进程分析揭示了Lamin A/C表达的"过山车"式变化：早期(3-6小时)诱导后，72小时出现明显下降，此时约40-50%细胞呈现低Lamin A/C表达。这种波动与细胞周期紊乱(Sub-G1期细胞增加)和存活率下降相关。但培养7天后，Lamin A/C又神奇地恢复，暗示其动态变化可能是分化进程的"计时器"。

【mESC differentiation is associated with ATR activation】

DNA损伤修复的时空分析展现了精妙的调控：早期(24小时内)53BP1焦点增加，72小时则显著减少，伴随RAD51表达下降，提示损伤修复完成。RNA测序显示ATR通路激活而ATM通路抑制。免疫荧光显示磷酸化ATR(pATR-Thr1989)特异性地核富集，且在硬基质上更为显著。斑马鱼实验证实，抑制ATR会导致心脏形态发生缺陷，证明其在发育中的关键作用。

【ATR regulates mESC survival and differentiation by temporal modulation of Lamin A/C】

最精彩的发现在于ATR对Lamin A/C的双重调控：早期通过抑制Ser22磷酸化稳定Lamin A/C，而CHK1则调控其转录水平。ATR抑制剂VE-821处理导致pLamin A/C增加和总蛋白减少，而CHK1抑制剂SB-218078更显著降低LMNA mRNA。LMNA-KO mESCs在软凝胶上就表现出神经外胚层标志物Otx2上调，证实Lamin A/C缺失本身足以改变命运选择。

这项研究构建了"机械力-核变形-基因组不稳定-ATR激活-林蛋白调控-命运决定"的完整信号轴，揭示了物理环境通过核膜介导表观遗传重塑的新范式。特别值得注意的是，DNA损伤这一传统意义上的"危机信号"在ESCs中竟被转化为分化指令，这种"化危为机"的巧妙策略为理解发育编程提供了新视角。在应用层面，该发现为优化干细胞培养体系、提高再生医学安全性提供了理论依据，也为治疗核纤层蛋白病(Laminopathies)提供了新思路——通过调控基质力学特性可能缓解疾病相关的基因组不稳定性。