Cell Reports | 夏舒敏博士等揭示胚胎干细胞皮层细胞骨架的纳米结构学术资讯

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干细胞的利用一直是组织工程和再生医学的热点。得益于干细胞可以无限复制并且分化出特定细胞的独特性，利用治疗性干细胞来重新构建功能性的生物组织甚至器官，将会为治疗目前难以解决的疾病，例如帕金森综合征，阿尔兹海默症，器官衰竭等带来希望。然而，想要引导干细胞分化成理想的细胞并不是一件易事，因为人们目前对干细胞的理解仍然只是冰山一角。

在试图诱导干细胞定向分化的过程上，科学家们发现除了传统认知中的生化信号例如生长因子和化学小分子，细胞所处的物理环境的因素比如细胞周围组织的刚性和弹性，也对干细胞分化有着重要作用。有意思的是干细胞能够感知周围物理环境的特点，从而调整自身及细胞核的软硬度，以及自己的基因表达，进行分化。但是细胞是如何完成这个过程的目前尚不清楚。胚胎干细胞作为一种多能干细胞，理论上可以分化出人体中的任何一种细胞，拥有非常珍贵的应用价值。人们已知胚胎干细胞的细胞核以及整个细胞相比于分化的细胞是更软的，并且这种软度被认为是保持胚胎干细胞多能性的重要条件。那么干细胞是如何保持细胞体的柔软度（softness）的呢？2019年7月30日，新加坡国立大学Pakorn Kanchanawong实验室（第一作者为夏舒敏博士）在Cell Reports杂志上发表长文文章Nanoscale Architecture of the Cortical ActinCytoskeleton in Embryonic Stem Cells，揭示了胚胎干细胞皮层细胞骨架的特殊结构。

细胞骨架（actin cytoskeleton）是构建细胞内部框架的一种重要蛋白，特别是细胞膜下的皮层细胞骨架(cortical actin)，决定了细胞的形状和机械性能，如软硬度。细胞骨架结构的形成受到多类蛋白的影响，是一种自发形成(self-organized)的网络结构。该研究充分利用近年来快速发展的单分子定位超分辨率荧光显微镜和原子力显微镜，开发了针对超分辨率网络结构图像的分析算法，结合对不同细胞骨架相关蛋白的敲减或干扰，观察了小鼠胚胎干细胞(mESCs)在附着状态下的细胞骨架结构和细胞软硬度。通过观察，该研究发现胚胎干细胞拥有比一般分化细胞更稀疏的细胞骨架网络，且这种细胞骨架网络普遍是均匀且各向异性的，很少存在应力纤维(stress fiber)。肌动蛋白(myosin II)作为一种普遍存在于细胞骨架中并且改变细胞骨架结构和张力的蛋白，几乎没有在胚胎干细胞皮层细胞骨架中观察到。该研究发现，胚胎干细胞细胞骨架不同于其他分化细胞的结构源于Arp2/3, formin和 capping protein这三类蛋白的一种精准平衡。在细胞骨架中观察到的星状物(aster)结构正是这三种蛋白协同和竞争产生的热点。

总之，研究结果认为，胚胎干细胞皮层细胞骨架的特殊结构以及疏散的特点，确保了胚胎干细胞自身以及细胞核的柔软度。另外，这种疏散的结构可能会影响肌动蛋白的结合，从而进一步影响细胞的机械性能。该研究通过直接成像观察20纳米分辨率的细胞骨架结构以及对应的细胞机械性能，不仅从力学生物学角度为胚胎干细胞感知物理环境的研究提供了结构基础，也为细胞骨架研究领域提供了一个哺乳动物细胞体内真实简洁的研究模型。

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https://doi.org/10.1016/j.celrep.2019.06.089

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