细胞核作为真核细胞最重要的细胞器，对细胞功能如增殖、分化等起重要作用。其结构（主要由核纤层和染色质等构成）对基因表达有重要影响。大多数情况下，体外培养的细胞具有扁平的椭圆形的细胞核，然而在体内细胞核则更具有三维结构。并且在一些生理过程中，如干细胞归巢、癌细胞转移等过程，会伴随细胞核的剧烈形变。利用微图案技术，研究人员已成功制备出微柱结构（micropillar）以产生细胞核形变[1]，从而研究此现象与细胞迁移[2]、分化[3]等过程的关联。以干细胞分化为例，世界多个独立课题组已相继报道了细胞核形变可促进间充质干细胞（MSC）的成骨分化[4，5]。然而其作用机理，尤其针对于细胞核形貌和染色质结构、基因转录等的关联尚未可知。于此同时，如何将体外基底结构应用于体内组织修复仍十分具有挑战性。
图1. 实验设计示意图
研究人员首先利用methacrylated poly (octamethylene citrate) (mPOC)制备了多种微柱结构并研究了基底拓扑结构对细胞核形貌的影响。mPOC是一种可降解的生物活性材料，具有抗氧化，抗炎症等作用。其名为CITREFIXTM及CITRELOCKTM的产品已于近年正式获得美国食品药品监督管理局（FDA）许可，应用于肌肉骨骼组织（musculoskeletal tissue）修复。实验结果表明5x5微米结构能使MSC在二维和三维结构上产生明显的细胞核形变。同时，其对细胞形貌、细胞贴附等均产生明显影响。通过对比不同细胞骨架抑制剂的影响，研究人员发现导致细胞在微柱结构上产生形变的主要作用力来自于肌动蛋白纤维和中间纤维（图2）。
图2. 微柱结构对细胞核形貌的影响
接下来实验人员着重研究了细胞核形变对其结构的影响。首先，通过特定抗体的选择，研究人员发现细胞核形变会导致其核纤蛋白(lamin a/c)的分布与多聚化产生明显变化。核纤层不仅影响细胞核结构，同时为染色质提供了锚定位。因此，其分布的变化可能引起染色质的分布变化。利用ChromTEM摄影术，研究人员发现在细胞核周边100-175纳米范围内，形变的细胞核具有更高的染色质密度，表明类异染色质结构 (heterochromatin-like domains) 的分布受细胞核形貌影响 (图3) 。
图3. 形变对细胞核结构的影响
Chromatin packing scaling (D)是一个与基因转录 (transcription) 和表型可塑性 (phenotypic plasticity) 密切相关的物理量[6]。相较于未分化的MSC, 成骨分化的细胞也具有更低的D值[7]。研究人员通过partial-wave spectroscopic (PWS) microscopy发现形变细胞核同样具有更低的D值，表明其可能更倾向于促进MSC成骨分化。结合RNA测序技术(RNA-seq) 以及之前的CPMC (chromatin packing macromolecular crowding) 理论模型[8]，研究人员引入了一个新的概念lineage-specific responsiveness coefficient (RLS)来表征基因转录受外界环境的影响。实验与模拟数据均显示形变后的细胞核对成骨诱导的响应更为明显。体外实验结果也印证了由微柱结构引起的细胞核形变能促进MSC的成骨分化(图4) 。
图4. 染色质组装对细胞分化的作用
为更深入揭示染色质结构与基因转录的关系，研究人员结合了RNA-seq与 ATAC-seq (Assay for Transposase-Accessible Chromatin with high-throughput sequencing)。首先，RNA-seq结果显示细胞核形变使信号通路如histone modification、 response to external stimulus等均有所上调，从而证实了RLS的正确性。另外RNA-seq与ATAC-seq的关联结果显示，上调与下调的信号通路与染色质的可及性 (accessibility)相符，从而证明了由细胞核形变而引起的基因转录调控，是通过其对染色质结构的影响而产生的（图5）。至此，研究人员详细阐述了从细胞核形变到细胞分化的主要机理。
图5. 染色质结构与基因转录调控的关系
为更进一步推进研究的生物医学应用，研究人员制备了可植入的平面(flat)及微柱(micropillar)支架材料，并利用小鼠颅骨缺损模型研究了由植入材料表面结构引起的细胞核形变对体内骨组织修复的影响。通过CT，组化染色等结果分析，证实了微柱结构可以在体内促进骨生成(图6、7) 。同时，组织切片PWS成像显示体内形变细胞核仍具有较低的D值，证明微柱结构在体内环境下仍可影响染色质结构，进而影响骨分化 (图7) 。
图6. 微柱植入体促进体内骨修复
图7. 微柱植入体通过维持体内细胞染色质的结构变化影响骨生成
