研究人员，左起：Ning Wang，机械科学与工程学教授; 博士后研究员Jian Sun; 教授的博士生的 Erfan Mohagheghian ，他们发现机械作用于细胞的力量可以促进细胞核中的基因表达。
图片来源: l. Brian Stauffer
一项新的研究发现，细胞仅在物理力的作用下就会增强基因表达。基因激活是蛋白质产生的第一步，在细胞被拉伸后不到一毫秒就开始了——比化学信号传播的速度快了数百倍，研究人员报告说。
科学家们测试了与生物学相关的力量ーー相当于通过呼吸、运动或发声施加在人体细胞上的力量。他们的研究结果发表在《Science Advances》杂志上。
领导这项研究的伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校机械科学和工程学教授 Ning Wang 说: “我们发现，没有中间产物，没有酶，也没有细胞质中的信号分子，力就可以激活基因。” “我们还发现了为什么有些基因可以被外力激活，而有些则不能。”
之前的研究显示，一些基因容易受到细胞物理操作的影响，但Wang和他的同事们是第一个发现，仅拉伸细胞就可以影响这些基因的表达方式。研究小组首先用他们植入细胞的基因证明了这一现象。目前的研究发现，拉伸也可以激活自然产生的基因。
在这项新的研究中，研究人员观察到，一种被称为组蛋白的特殊DNA相关蛋白在基因表达是否随着拉伸细胞的力量而增加方面起着关键作用。组蛋白调节DNA，将其包裹在细胞核内。
有一类组蛋白被称为组蛋白H3，当赖氨酸9被甲基化时，组蛋白似乎可以阻止力反应基因的表达。甲基化是指在分子上添加一个称为甲基的分子标记。
科学家们观察到 H3K9甲基化在细胞核的外围最高，而在细胞内部基本上不存在，这使得细胞内部的基因对拉伸更加敏感。
Wang说：“即使你拉伸它们，靠近核边缘的基因也无法被激活，而靠近中心的基因可以通过拉伸被激活。” “这是因为周围的H3K9组蛋白被高度甲基化了。”
研究人员发现，他们可以通过增加或减少 H3K9组蛋白甲基化来抑制或增强力量反应基因的表达。 科学家们还测试了施加外力的频率是否会影响基因表达。 他们发现细胞对频率高达10-20赫兹的力量反应最敏感。
研究人员写道: “人体内的活细胞会经历各种频率的力量(例如呼吸、心跳、走路、跑步、跳跃和唱歌) ，通常从0.2赫兹到数百赫兹不等。”。 研究小组发现，在最高频率下，细胞变得更加僵硬，引导基因转录的酶无法与 DNA 结合。
从进化的角度来看，细胞对外力直接反应是有道理的，王说。
他说: “细胞必须能够对周围环境中的事物做出快速反应，这样它们才能生存。”。
文献来源:
"Force-induced gene up-regulation does not follow the weak power law but depends on H3K9 demethylation" Science Advances ().
/content/6/14/eaay9095
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作者：Diana Yates, University of Illinois at Urbana-Champaign
译文校稿：LuLu
