По словам профессора механики и инженерии Нин Ван, который руководил исследованием с профессором клеточной биологии и биологии развития Эндрю Белмонтом, определение того, как механические силы посылают сигналы внутри клеток, имеет применение не только в фундаментальной клеточной биологии, но также и для рака, стволовых клеток и регенеративной медицины. . Исследователи опубликовали свою работу в журнале Nature Materials.«Каждая клетка вашего тела имеет одинаковую ДНК, но ткани ведут себя по-разному, потому что гены экспрессируются по-разному», — сказал Ван. «Мы так много не знаем об экспрессии генов.
Я думаю, что эта работа — начало раскрытия некоторых неизвестных».Исследователям давно известно, что силы, как внешние, так и внутренние, могут влиять на поведение клеток. Но возник вопрос, вызывают ли сами эти силы изменения в экспрессии генов или же силы запускают химический сигнальный путь внутри клетки.«У клеток есть только два« чувства », чтобы взаимодействовать с окружающей средой», — сказал Ван. «Они не могут видеть или слышать, но они могут« чувствовать »механические силы и« ощущать вкус »химических сигналов.
Во многих исследованиях подробно описаны пути передачи химических сигналов, но важно понимать, как механические силы также влияют на клетку. важен как химическая сигнализация, и это исследование показывает, что это прямой путь ».Исследователи прикрепили крошечные магнитные шарики к белкам, прикрепленным к внешним мембранам клеток хомяка.
Они смогли изменить направление и угол силы, оказываемой шариками, при этом сохраняя постоянную величину силы, и обнаружили, что внешняя сила напрямую заставляет участки хроматина в ядре растягиваться. Хроматин — это конденсированная смесь ДНК и белков, из которой состоят хромосомы. Используя передовые методы визуализации, исследователи обнаружили усиление транскрипции генов в растянутых областях.
«Работы, проводившиеся несколько десятилетий назад, коррелировали деконденсацию хромосом с повышенной экспрессией генов, но было чрезвычайно трудно различить причину и следствие», — сказал Бельмонт. «Вызывает ли активность гена деконденсация хроматина, или деконденсация действительно приводит к увеличению экспрессии генов? Здесь мы увидели, что растяжение хроматина напрямую вызывает усиление экспрессии генов, что обеспечивает механический механизм, позволяющий клеткам ощущать свое окружение».Степень растяжения и, следовательно, экспрессия генов варьировалась в зависимости от направления силы по отношению к цитоскелету клетки, внутреннему каркасу белковых трубок, который поддерживает клетку.«Актин в цитоскелете образует пучки.
Когда сила перпендикулярна пучкам, это похоже на перещипывание струн скрипки», — сказал Ван. «Это невероятно напряженно, и сигнал передается через цитоскелет к ядру и растягивает хроматин. Если сделать это в другом направлении, вдоль направления струны, вибрации будет не так много, поэтому сила такой же величины будет иметь меньший эффект. Эффект тем сильнее, чем ближе угол к 90 градусам ".
Исследователи смогли проследить за силой и определить путь, по которому она движется вдоль цитоскелета к хроматину в ядре. По словам Ванга, знание этого пути важно, потому что теперь исследователи могут более подробно изучить механическую передачу сигналов и, возможно, разработать способы их использования для регуляции генов или определения целей для лечения рака.Например, группа Вана опубликовала несколько исследований, в которых подробно описаны уникальные механические свойства репопулирующих опухоль клеток — раковых клеток, которые избегают стандартной лекарственной терапии и имеют тенденцию ускользать и метастазировать в новых местах.
Он надеется, что это исследование откроет новые возможности для атаки, чтобы вывести из строя репопуляционные клетки опухоли с меньшим количеством побочных эффектов, чем традиционные методы лечения рака.Теперь, когда они подробно описали, как силы влияют на растяжение хроматина, исследователи начинают смотреть, как силы влияют на сжатие хроматина и что это означает для экспрессии генов. Они также исследуют другие факторы, регулирующие экспрессию генов при растяжении хроматина.
«Когда мы применяем эти силы, почему некоторые гены активируются, а некоторые нет? Мы думаем, что есть факторы, которые тормозят, поэтому некоторые гены не готовы к принудительной активации», — сказал Ван.