机械力影响DNA,对心肌细胞发育起关键作用

细胞有时候会“忘记”了自己是谁进而不再正常工作。这种情况在癌症中很常见——成熟细胞失去了自己的部分“身份信息”，更易于不受控制地肆意分裂。

心肌病是一种心脏疾病，它会阻碍心脏正常泵血，影响心肌细胞的形状和功能。细胞核贮存的遗传物质会指导细胞如何正常工作，而疾病带来的改变也会发生在细胞核中，致使细胞功能紊乱。

因为细胞核结构的特定改变可以作为心脏问题的早期预警信号，检测相关变化能帮助临床医生在病情恶化前及时诊断疾病并进行治疗。研究者们了解到，施加在心肌细胞上的机械力改变（包括心肌细胞自身的收缩力）会引起心肌细胞丢失自己的“身份信息”，进而不再正常工作。但是机械力是如何做到这一点的，至今尚未研究清楚。

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我和同事最近完成了一项新的研究，成果发表在《自然·生物医学工程》（NatureBiomedicalEngineering）上。我们发现机械力可以重构心肌细胞核内的遗传物质进而影响它们的发育和功能。更好地理解细胞如何表征和维持自己的“身份”这一问题，可以推动心血管疾病治疗技术和人造心肌技术的进步。

推动细胞朝另一个方向发育

在人类发育早期，未成熟细胞受到的外界压力会影响它们最终分化完成（或者说完全成熟）时的细胞类型。这些外在力量也有助于在衰老过程中维持组织的健康状态。在分化过程中，细胞频繁迁徙并重塑核内的染色质（蛋白和DNA的混合物），通过这种方式来包装和整理它们的遗传信息。了解到外界物理压力能够影响细胞的成熟过程，我和我的研究团队想要探索机械力是如何重塑染色质的，以及这一机制在心肌细胞发育和损伤过程中扮演的角色。

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因此，我们在显微镜下研究成人心肌细胞的收缩过程，观察它们的核在此过程中发生的形变，然后将拍下的照片与早期发育期间正常变化的胚胎心肌细胞核照片进行了比较。结果发现，核内高张力的区域倾向于将染色质塑造成特定的形状，而这种形状可以影响细胞行为。当我们改变核内这些区域的张力时，我们便可以阻止细胞发展成正常心肌细胞。这意味着张力在诱导心肌细胞发育过程中起着关键作用。

我们接着研究机械力重塑心肌细胞染色质结构的机制，样本采自心血管病人和心功能不良小鼠。与正常细胞相比，这些细胞染色体结构都发生了紊乱，它们的“身份”信息也丢失了。这意味着机械力能够影响成熟心肌细胞的功能以及发展为心血管疾病的可能性。

机械力在医学上同样意义重大

尽管我们的研究揭示了染色质重塑在心肌早期发育过程中所起的重要作用，未来仍需要更多的实验来帮助我们理解诱导细胞发育成特定细胞类型的因素。深入探索细胞周围的机械力环境如何影响其成熟过程，有助于研究者们认识人类发育的过程。

另外，了解诱导细胞团分化为完备器官的因素，也能帮助研究者们模拟这些发育过程并设计出新的人造器官。举个例子，理清机械力如何影响组织移植（如心脏移植和肌肉移植）的预后可以帮助生物医学工程专家设计出更有效的人造移植物。这也为器官芯片的研发提供了基础，未来我们就不必再用动物来进行药物筛选了。

撰文：CoreyNeu，美国科罗拉多大学博尔德分校，机械与生物医学工程教授。

翻译：孙正杰

审校：安君

引进来源：Theconversation

原标题：心脏跳动的机械力会对心肌细胞DNA产生影响，这为细胞发育和疾病治疗提供了新的线索

本文来自：中国数字科技馆