在衰老過(guò)程或衰老相關(guān)疾病中，細(xì)胞或細(xì)胞骨架的力學(xué)性能會(huì)發(fā)生深刻變化，但細(xì)胞核力學(xué)性質(zhì)和相關(guān)調(diào)控機(jī)制的潛在變化仍然知之甚少。核包膜（NE）和位于核包膜下方的層狀網(wǎng)絡(luò)是細(xì)胞核力學(xué)性能的關(guān)鍵決定因素。細(xì)胞將機(jī)械應(yīng)力從細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）正確傳遞到細(xì)胞核的能力對(duì)于保護(hù)細(xì)胞核和基因組免受異常機(jī)械應(yīng)力的損傷至關(guān)重要。細(xì)胞核上機(jī)械應(yīng)力的增加至少通過(guò)兩種機(jī)制促進(jìn)細(xì)胞衰老：（1）作用在細(xì)胞核上的異常機(jī)械應(yīng)力可能導(dǎo)致DNA損傷和基因組不穩(wěn)定，這長(zhǎng)期以來(lái)一直被認(rèn)為是細(xì)胞衰老的主要致病因素；（2）核包膜結(jié)構(gòu)和完整性的損傷增加可導(dǎo)致釋放到細(xì)胞質(zhì)中的核DNA（ncDNA）增加，從而導(dǎo)致先天免疫信號(hào)的過(guò)度激活和先天免疫相關(guān)的細(xì)胞衰老。

研究表明，來(lái)自ECM的機(jī)械應(yīng)力通過(guò)定位于核膜上的 LINC（核骨架-細(xì)胞骨架連接物）復(fù)合物從細(xì)胞骨架傳遞到細(xì)胞核。細(xì)胞核通過(guò)LINC復(fù)合物緊密整合到細(xì)胞質(zhì)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中。含有Sad1和UNC84結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)（Suns），主要是Sun1和Sun2，是LINC復(fù)合物的關(guān)鍵成分，也是將機(jī)械應(yīng)力從細(xì)胞骨架傳遞到細(xì)胞核的關(guān)鍵介質(zhì)。然而，目前Sun 蛋白對(duì)涉及DNA保護(hù)的核形態(tài)/結(jié)構(gòu)或核內(nèi)功能的潛在影響尚不清楚。

基于此，中國(guó)山東第一醫(yī)科大學(xué)及美國(guó)斯蒂德曼·菲利蓬研究所、休斯頓德克薩斯大學(xué)健康科學(xué)中心麥戈文醫(yī)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)假設(shè)Sun蛋白可能在將機(jī)械應(yīng)力傳遞到細(xì)胞核中發(fā)揮關(guān)鍵功能，并參與機(jī)械應(yīng)力誘導(dǎo)的細(xì)胞衰老過(guò)程。核軟化和核解耦是細(xì)胞抵抗機(jī)械應(yīng)力誘導(dǎo)的核損傷的兩種主要保護(hù)機(jī)制，他們推測(cè)Sun2表達(dá)的調(diào)節(jié)可能會(huì)潛在地改變?cè)缢ゼ?xì)胞中核軟化和核解耦的狀態(tài)，這與細(xì)胞抵抗機(jī)械應(yīng)力誘導(dǎo)的核損傷和細(xì)胞衰老的能力有關(guān)。在最近的研究中，通過(guò)研究Zmpste24?/?（一種早衰小鼠模型）肌肉和間充質(zhì)基質(zhì)/干細(xì)胞（MSCs），進(jìn)一步探索了機(jī)械應(yīng)力下Sun2表達(dá)的潛在變化及其與早衰細(xì)胞核異常/損傷的相關(guān)性，以及抑制Sun2在調(diào)節(jié)機(jī)械應(yīng)力誘導(dǎo)的核異常（即核起泡和DNA損傷）、核軟化和核解耦的狀態(tài)以及先天免疫激活相關(guān)的細(xì)胞衰老方面的潛在作用和機(jī)制。相關(guān)內(nèi)容發(fā)表在 Cell Death Discovery  期刊題為“Nuclear softening mediated by Sun2 suppression delays mechanical stress-induced cellular senescence"。

首先，通過(guò)免疫熒光染色發(fā)現(xiàn)Z24?/? 小鼠肌肉中Sun2高表達(dá)的陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)量顯著增加，而且大多位于膠原-I沉積增加的區(qū)域，這應(yīng)該是老化肌肉中纖維化的ECM。眾所zhou知，纖維化的ECM或組織的機(jī)械硬度通常高于正常ECM或組織，這可能表明Z24?/? 小鼠肌肉中纖維化區(qū)域的細(xì)胞通過(guò)產(chǎn)生更高的Sun2表達(dá)來(lái)適應(yīng)ECM更僵硬的機(jī)械微環(huán)境。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述肌肉組織中觀察到的ECM底物力學(xué)性能與Sun2表達(dá)之間的潛在相關(guān)性，從WT和Z24?/? 小鼠肌肉中分離MSCs，并在不同基質(zhì)硬度（低：~50?kPa；高：~50,000?kPa）的平板中培養(yǎng)。結(jié)果表明，在更高的基質(zhì)硬度中培養(yǎng)的細(xì)胞，Sun2的表達(dá)和F-actin的聚合明顯增加（圖1 A）。而且Z24?/? MSCs中帶有核泡的細(xì)胞比例增加（圖1 A、B），在核泡部分特異性存在較高水平的Sun2蛋白，而不是Sun1蛋白（圖1 C）。Nesprin蛋白與LINC復(fù)合物中的Sun蛋白連接，并將該復(fù)合物與細(xì)胞質(zhì)中的肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架物理連接。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步觀察到，Nesprin2和Sun2蛋白在核泡部分共定位（圖1 C），表明核泡部分核膜處的LINC復(fù)合物主要含有Sun2（而不是Sun1），含有Sun2的LINC復(fù)合物可能對(duì)核泡的形成起作用。

圖1     在較硬基質(zhì)培養(yǎng)的MSCs中，Sun2蛋白表達(dá)和f -肌動(dòng)蛋白聚合增加，且在核泡中富集。

作為機(jī)械響應(yīng)性LINC復(fù)合物的關(guān)鍵成分，Sun2也可能對(duì)機(jī)械敏感。因此，接下來(lái)研究了外部機(jī)械應(yīng)力對(duì)Z24?/? MSCs 中Sun2表達(dá)的潛在影響，通過(guò)細(xì)胞拉伸生物反應(yīng)器在體外施加循環(huán)機(jī)械拉伸（10% 單軸循環(huán)拉伸，頻率為0.5Hz）持續(xù)24小時(shí)。免疫熒光染色結(jié)果顯示，RhoA GTP酶（F-肌動(dòng)蛋白組裝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子）和F-actin聚合的激活明顯增加，同時(shí)，Sun2蛋白的表達(dá)明顯升高。這一結(jié)果表明，Z24?/? MSCs 在異常機(jī)械應(yīng)力的刺激下，Sun2表達(dá)升高可能與RhoA激活和細(xì)胞骨架硬度的增加相結(jié)合。

由于Sun2表達(dá)升高與核起泡密切相關(guān)，因此繼續(xù)研究了Sun2抑制對(duì)核泡形成的潛在影響。結(jié)果顯示，抑制Sun2表達(dá)導(dǎo)致循環(huán)拉伸處理的Z24?/? MSCs 的核起泡水平降低（圖2 A）。這一結(jié)果表明，抑制Sun2在拯救早衰細(xì)胞核免受ji端機(jī)械應(yīng)力損傷方面具有有益的作用。

此外，在循環(huán)拉伸處理的Z24?/? MSCs 中抑制Sun2表達(dá)導(dǎo)致γ-H2AX（DNA損傷指標(biāo)）水平降低（圖2 B），SASP（衰老相關(guān)分泌表型）因子、衰老標(biāo)志物（p16和p21）和cGAS-Sting先天免疫信號(hào)效應(yīng)因子（IFN-β和IFN-γ）的表達(dá)下調(diào)（圖2 C），提示先天免疫相關(guān)細(xì)胞衰老的進(jìn)展延遲。

圖2     抑制Z24?/? MSCs中Sun2的表達(dá)可減少循環(huán)機(jī)械拉伸促進(jìn)f -肌動(dòng)蛋白聚合和核起泡。

隨后，實(shí)驗(yàn)研究了在ji端機(jī)械應(yīng)力下降低Sun2表達(dá)導(dǎo)致核和DNA損傷減少的潛在細(xì)胞機(jī)制。核解耦，即細(xì)胞骨架與細(xì)胞核的解離，可以保護(hù)細(xì)胞核免受機(jī)械應(yīng)力引起的損傷。圖2 A 中拉伸下的Z24?/? MSCs中的F-actin聚合隨著Sun2的抑制而減少，包括與核形狀變化密切相關(guān)的核周位置的F-actin。這一結(jié)果表明，F(xiàn)-actin聚合的減少可能是由早衰細(xì)胞中Sun2抑制引起的核解耦的細(xì)胞機(jī)制的一部分。繼續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，抑制Sun2可能通過(guò)降低RhoA激活來(lái)促進(jìn)核解耦，RhoA是F-actin細(xì)胞骨架的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。然后通過(guò)調(diào)節(jié)RhoA活性，有效地改變了Sun2的表達(dá)，進(jìn)一步驗(yàn)證了RhoA信號(hào)作為Sun2抑制機(jī)制的一部分參與減少機(jī)械應(yīng)力誘導(dǎo)的核損傷。此外，還檢查了核軟化是否也可能是導(dǎo)致ji端機(jī)械應(yīng)力誘導(dǎo)的核和DNA損傷水平降低的Sun2表達(dá)減少的細(xì)胞機(jī)制的一部分。采用Bruker AFM探針對(duì)核硬度進(jìn)行了測(cè)試（圖3 A、B），發(fā)現(xiàn)機(jī)械拉伸后Z24?/?MSCs 的核硬度顯著升高，而抑制Sun2可以有效降低循環(huán)機(jī)械拉伸引起的核硬度升高（圖3 C、D）。

圖3    抑制Z24?/?MSCs中Sun2的表達(dá)降低了循環(huán)機(jī)械拉伸引起的核硬度。

細(xì)胞核變形能力是細(xì)胞對(duì)機(jī)械力、細(xì)胞骨架組織和動(dòng)力學(xué)、細(xì)胞極化和細(xì)胞遷移做出適當(dāng)反應(yīng)所必需的。核變形產(chǎn)生的核壓縮可導(dǎo)致核膜破裂、DNA損傷和細(xì)胞凋亡增加。有趣的是，Sun2被發(fā)現(xiàn)可能參與調(diào)節(jié)正常細(xì)胞的核變形。最后，實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了Z24?/? MSCs中Sun2的抑制是否能夠挽救早衰細(xì)胞受損的核變形能力。結(jié)果表明，與WT MSCs相比，Z24?/? MSCs在通過(guò)Transwell的過(guò)濾器遷移后幾乎無(wú)法存活，這表明Z24?/? MSCs的核變形能力受損導(dǎo)致核損傷和凋亡水平增加。然而，抑制Sun2可以有效地提高Z24?/? MSCs通過(guò)transwell過(guò)濾器的狹窄基質(zhì)空間遷移后的存活率，這表明Sun2蛋白在調(diào)節(jié)早衰細(xì)胞的核變形能力方面可能具有關(guān)鍵作用。

圖4   Sun2在年輕和衰老細(xì)胞中介導(dǎo)細(xì)胞核對(duì)機(jī)械應(yīng)力的反應(yīng)的潛在作用和機(jī)制的模型。

核骨架與細(xì)胞骨架（LINC）復(fù)合物的連接物將細(xì)胞核物理連接到細(xì)胞質(zhì)。核層直接連接到內(nèi)核膜上的Sun1和Sun2。Sun 蛋白穿透膜間隙，結(jié)合外核膜上與細(xì)胞骨架相連的蛋白。在機(jī)械應(yīng)力較低的情況下，Sun1和Sun2在細(xì)胞核中的表達(dá)水平相對(duì)較低；而在機(jī)械應(yīng)力較高的情況下，Sun2的表達(dá)明顯升高。高Sun2表達(dá)可能伴隨著肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架組裝增加、RhoA活化、核硬度和核起泡，以及細(xì)胞衰老加速。研究結(jié)果還表明，抑制早衰細(xì)胞中的Sun2能夠促進(jìn)核解耦、細(xì)胞核軟化并減少機(jī)械應(yīng)力引起的核損傷，從而延緩細(xì)胞衰老的過(guò)程。

綜上所述，該研究目前的結(jié)果表明，升高的Sun2表達(dá)在介導(dǎo)早衰細(xì)胞中機(jī)械應(yīng)力誘導(dǎo)的核損傷中有很大關(guān)系，抑制Sun2表達(dá)可有效減少機(jī)械應(yīng)力誘導(dǎo)的核損傷，這可能是治療早衰衰老或衰老相關(guān)疾病的新型治療策略。

參考文獻(xiàn)：Yue X, Cui J, Sun Z, Liu L, Li Y, Shao L, Feng Q, Wang Z, Hambright WS, Cui Y, Huard J, Mu Y, Mu X. Nuclear softening mediated by Sun2 suppression delays mechanical stress-induced cellular senescence. Cell Death Discov. 2023 May 17;9(1):167. doi: 10.1038/s41420-023-01467-1. PMID: 37198162; PMCID: PMC10192198.

原文鏈接：pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37198162/

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