研究人員，左起：Ning Wang，機械科學與工程學教授; 博士後研究員Jian Sun; 教授的博士生的 Erfan Mohagheghian ，他們發現機械作用於細胞的力量可以促進細胞核中的基因表達。
圖片來源: l. Brian Stauffer
一項新的研究發現，細胞僅在物理力的作用下就會增強基因表達。基因激活是蛋白質產生的第一步，在細胞被拉伸後不到一毫秒就開始了——比化學信號傳播的速度快了數百倍，研究人員報告說。
科學家們測試了與生物學相關的力量ーー相當於通過呼吸、運動或發聲施加在人體細胞上的力量。他們的研究結果發表在《Science Advances》雜誌上。
領導這項研究的伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校機械科學和工程學教授 Ning Wang 說: “我們發現，沒有中間產物，沒有酶，也沒有細胞質中的信號分子，力就可以激活基因。” “我們還發現了為什麼有些基因可以被外力激活，而有些則不能。”
之前的研究顯示，一些基因容易受到細胞物理操作的影響，但Wang和他的同事們是第一個發現，僅拉伸細胞就可以影響這些基因的表達方式。研究小組首先用他們植入細胞的基因證明了這一現象。目前的研究發現，拉伸也可以激活自然產生的基因。
在這項新的研究中，研究人員觀察到，一種被稱為組蛋白的特殊DNA相關蛋白在基因表達是否隨著拉伸細胞的力量而增加方面起著關鍵作用。組蛋白調節DNA，將其包裹在細胞核內。
有一類組蛋白被稱為組蛋白H3，當賴氨酸9被甲基化時，組蛋白似乎可以阻止力反應基因的表達。甲基化是指在分子上添加一個稱為甲基的分子標記。
科學家們觀察到 H3K9甲基化在細胞核的外圍最高，而在細胞內部基本上不存在，這使得細胞內部的基因對拉伸更加敏感。
Wang說：“即使你拉伸它們，靠近核邊緣的基因也無法被激活，而靠近中心的基因可以通過拉伸被激活。” “這是因為周圍的H3K9組蛋白被高度甲基化了。”
研究人員發現，他們可以通過增加或減少 H3K9組蛋白甲基化來抑制或增強力量反應基因的表達。 科學家們還測試了施加外力的頻率是否會影響基因表達。 他們發現細胞對頻率高達10-20赫茲的力量反應最敏感。
研究人員寫道: “人體內的活細胞會經歷各種頻率的力量(例如呼吸、心跳、走路、跑步、跳躍和唱歌) ，通常從0.2赫茲到數百赫茲不等。”。 研究小組發現，在最高頻率下，細胞變得更加僵硬，引導基因轉錄的酶無法與 DNA 結合。
從進化的角度來看，細胞對外力直接反應是有道理的，王說。
他說: “細胞必須能夠對周圍環境中的事物做出快速反應，這樣它們才能生存。”。
"Force-induced gene up-regulation does not follow the weak power law but depends on H3K9 demethylation" Science Advances (2020).
https://advances.sciencemag.org/content/6/14/eaay9095
https://phys.org/news/2020-04-physical-spurs-gene-reveals.html
作者：Diana Yates, University of Illinois at Urbana-Champaign
譯文校稿：LuLu
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