Nature Portfplio:细胞和组织的力学

这本来自《自然研究》 期刊的文章集中 关注了解机械力在动物细胞和组织中的作用的最新努力。它强调了机械力在不同生物环境中的广泛参与，它们在发育、生理学和疾病中的作用，并讨论了如何感知和转换这些力以产生生物学相关的反应。该系列还展示了研究和调节机械生物学的新技术方法，这些方法在未来可用于控制细胞命运和行为以获得治疗效果。该集合面向来自广泛学科的研究人员——生物学家、物理学家和理论家——我们希望它将促进研究生物系统的跨学科举措。

评论

力转导和新陈代谢之间的串扰

机械力是细胞功能和行为的重要调节剂。这一作用部分是通过调节细胞代谢来实现的，细胞代谢反过来又影响组织力学。揭示这种串扰的机制将增加我们对细胞如何与其微环境相互作用的理解。

• 帕特里夏·罗马尼
• 洛雷亚·瓦尔卡塞尔·希门尼斯
• 西里奥·杜邦

评论文章 2020 年 11 月 13 日 自然评论分子细胞生物学

https://doi.org/10.1038/s41580-020-00306-w

细胞核作为细胞机械传感器的新观点

机械力影响细胞质和核事件。柯比和拉默丁讨论了最近的证据，表明细胞核本身就是一种机械传感器和研究核机械转导的方法。

• 泰勒·J·柯比
• 简·拉默丁

评论文章 2018 年 2 月 21 日 自然细胞生物学

https://www.nature.com/articles/s41556-018-0038-y

利用生物学的进步来设计生物材料

生物材料的进步使得能够控制所需的细胞反应。在这里，作者重点介绍了关键的分析和生物加工技术，概述了将这些工具纳入设计功能最佳生物材料的框架。

• 马克斯·达内尔
• 大卫·J·穆尼

看法 2017 年 12 月 1 日 自然材料

https://www.nature.com/articles/nmat4991

集体细胞行为的力学生物学

细胞集体的协调运动对于形态发生、组织再生和癌细胞传播非常重要。最近的研究主要使用新颖的 体外 方法，为控制这种多细胞协调的机制提供了新的见解，强调了粘附连接的机械敏感性和机械细胞间耦合在集体细胞行为中的关键作用。

• 伯努瓦·拉杜
• 勒内-马克·梅热

评论文章 2017 年 11 月 8 日 自然评论分子细胞生物学

https://www.nature.com/articles/nrm.2017.98

细胞迁移中的机械互易性

弗里德尔和合著者讨论了迁移细胞如何感知组织力学并做出反应，以及细胞如何反过来改变它们的周围环境。

• 舍尔德·范·赫尔维特
• 科内利斯风暴
• 彼得·弗里德尔

评论文章 2017 年 12 月 21 日 自然细胞生物学

https://www.nature.com/articles/s41556-017-0012-0

用于 机械力和电场 体内成像的纳米材料

机械力和电场对于细胞信号传导至关重要，既可以是疾病的诱导物，也可以是疾病的指标。本综述重点介绍了纳米级 体内 光学探针 的进展，讨论了生物成像中的空间和时间分辨率、稳定性和刺激敏感性。

• 兰迪·D·梅伦巴赫
• 雷亚·科尔布尔
• 詹妮弗·A·迪翁

评论文章 2017 年 12 月 19 日 自然评论材料

https://www.nature.com/articles/natrevmats201780

机械力指导干细胞的发育和再生行为

物理信号在胚胎发育和成体组织中调节干细胞的命运和功能。干细胞微环境的生物物理和生化特性可以使用合成生态位进行精确操控，这为机械刺激如何调节干细胞功能提供了关键见解，并可用于维持和引导干细胞进行再生治疗。

• 凯尔·H·维宁
• 大卫·J·穆尼

评论文章 2017 年 11 月 8 日 自然评论分子细胞生物学

https://www.nature.com/articles/nrm.2017.108

通过核力转导调节基因组组织和基因表达

来自微环境的机械信号可以有效地传递到细胞核，参与基因组组织和基因表达的调节。最近的技术和理论进展为细胞力学、核和染色体结构与基因转录之间的关系提供了新的线索。

• 卡罗琳·尤勒
• GV 希瓦尚卡尔

评论文章 2017 年 10 月 18 日 自然评论分子细胞生物学

https://www.nature.com/articles/nrm.2017.101

压电在压力下蓬勃发展：健康和疾病中的机械激活离子通道

压电通道于 2010 年被发现后不久，就成为研究机械敏感离子通道的范例。这些通道对不同细胞环境中的生理相关力做出反应，它们的功能障碍与各种疾病有关。我们现在开始了解压电通道的门控机制及其在生理学中的关键作用。

• 斯韦塔·E·穆尔蒂
• 艾德丽安·E·杜宾
• 阿德姆·帕塔普蒂安

评论文章 2017 年 10 月 4 日 自然评论分子细胞生物学

https://www.nature.com/articles/nrm.2017.92

YAP 和 TAZ 在生理和疾病中的力学生物学

转录因子 YAP 和 TAZ 最近被发现是细胞机械信号的保守转导器，也是增殖、迁移和细胞命运决定等过程的介导者。 YAP 介导和 TAZ 介导的机械转导的作用现已在许多生理和病理环境中得到记录，为细胞机械反应及其后果提供了新的见解。

• 蒂托·潘谢拉
• 卢卡·阿佐林
• 斯特凡诺·短笛

评论文章 2017 年 9 月 27 日 自然评论分子细胞生物学

https://www.nature.com/articles/nrm.2017.87

免疫系统中的机械力

当白细胞在血流中移动、穿过组织并介导效应器功能时，它们的行为受到机械力的影响。在这篇综述中，Morgan Huse 解释了机械力如何调节受体激活、细胞迁移、细胞内信号传导和细胞间通讯。

• 摩根胡斯

评论文章 2017 年 7 月 31 日 自然评论免疫学

https://www.nature.com/articles/nri.2017.74

材料科学和细胞生物学之间的活性物质

活性物质领域研究内部驱动的运动成分如何自组织成大规模的动态状态和模式。本综述讨论了活性物质概念对于理解细胞生物学的重要性，以及生化成分的使用如何能够创造出具有独特性质的新的固有非平衡材料，而迄今为止，这些材料大多仅限于活生物体。

• 丹尼尔·尼德曼
• 兹沃尼米尔·多吉奇

评论文章 2017 年 7 月 20 日 自然评论材料

https://www.nature.com/articles/natrevmats201748

B 细胞对抗原反应的细胞骨架控制

B 细胞的肌动蛋白细胞骨架与 B 细胞受体 (BCR) 信号通路广泛耦合。本综述总结了最近的证据，表明肌动蛋白在质膜上协调 BCR 信号传导，并讨论了细胞骨架在抗原呈递、亲和力成熟和 B 细胞功能特化中的作用。

• 帕维尔·托拉尔

评论文章 2017 年 7 月 10 日 自然评论免疫学

https://www.nature.com/articles/nri.2017.67

量化细胞生物学中的力

物理力量影响所有生物体的生长和发育。在机械生物学系列的第二篇评论中，Trepat 和合著者描述了测量细胞产生的力的技术，并讨论了它们的用途和局限性。

• 佩雷·罗卡·库萨克斯
• 维托·孔特
• 泽维尔·特里帕特

评论文章 2017 年 6 月 19 日 自然细胞生物学

https://www.nature.com/articles/ncb3564

开发中的多尺度力传感

在这篇综述中，我们将讨论机械信号和生化信号之间的相互作用和反馈如何控制胚胎发育中的组织形态发生和细胞命运规范。

• 尼科莱塔·彼得里杜
• 佐尔坦·斯皮罗
• 卡尔·菲利普·海森堡

评论文章 2017 年 5 月 31 日 自然细胞生物学

https://www.nature.com/articles/ncb3524

整合素作为微环境的生物力学传感器

整合素细胞外基质受体在细胞内部和细胞微环境之间建立联系。整合素受到复杂的生化和机械调节，使细胞能够对具有不同理化性质的细胞外基质做出反应，并微调细胞行为。

• 珍妮·Z·克查吉亚
• 约翰娜·伊瓦斯卡
• 佩雷·罗卡·库萨克斯

评论文章 2019 年 6 月 10 日 自然评论分子细胞生物学

https://doi.org/10.1038/s41580-019-0134-2

初步研究

细胞几何依赖的质膜变化直接影响干细胞信号传导和命运

据报道，细胞几何形状调节细胞信号传导的机制是由质膜内的脂筏调节的，现在表明脂筏负责几何依赖性间充质干细胞的分化。

• 托马斯·冯·埃拉赫
• 塞尔吉奥·贝尔塔佐
• 莫莉·史蒂文斯

信 2018 年 2 月 12 日 自然材料

https://www.nature.com/articles/s41563-017-0014-0

拉伸激活压电通道对干细胞分化的机械调节

果蝇 中肠的干细胞 通过拉伸激活的离子通道 Piezo感知 体内的 机械信号，该离子通道在先前未识别的肠内分泌前体细胞上表达。

• 李赫
• 光伟司
• 诺伯特·佩里蒙

信 2018 年 2 月 7 日 自然

https://www.nature.com/articles/nature25744

纳米柱力测量揭示肌动蛋白帽介导的 YAP 机械转导

Shiu 等人使用具有更高空间分辨率的纳米柱。识别源自跨核且依赖于核纤层蛋白 A 和 LINC 复合体的收缩性顶端肌动蛋白丝的高核周力。

• 萧昭业
• 莉娜·艾利斯
• 维奥拉·沃格尔

文章 2018 年 2 月 5 日 自然细胞生物学

https://www.nature.com/articles/nature25744

机械敏感的 miRNA 通过 mTOR 信号传导偏向人类间充质干细胞的命运

间充质干细胞 (MSC) 的命运可以通过基质硬度进行机械调节，但这在 3D 水凝胶中很难控制。在这里，作者鉴定了可响应基底硬度和 RhoA 信号传导而改变表达的 miRNA，并表明它们可以在 3D 软水凝胶中偏向 MSC 的命运。

• 杰西卡·E·弗里斯
• 吉娜·D·库苏马
• 贾斯汀·J·库珀-怀特

文章 开放获取 2018 年 1 月 17 日 自然通讯

DOI:10.1038/s41467-017-02486-0

机械激活离子通道 Piezo1 的结构

全长小鼠 Piezo1 的冷冻电子显微镜结构揭示了 6 个压电重复序列和每个原聚体 26 个跨膜螺旋，并显示扭结的螺旋束和锚定域将压电重复序列与孔连接并控制变构门控。

• 早乙女圭
• 斯韦塔·E·穆尔蒂
• 安德鲁·沃德

文章 2017 年 12 月 20 日 自然

https://www.nature.com/articles/nature25453

机械线索通过甲羟戊酸-RhoA轴控制突变体p53的稳定性

英加利纳等人。显示突变体 p53 受到保护，免于响应基质刚度而降解，其方式依赖于 RhoA 香叶基香叶基化和肌动球蛋白动力学。

• 埃莉奥诺拉·英加利娜
• 乔瓦尼·索伦蒂诺
• 贾尼诺·德尔·萨尔

信 2017 年 12 月 18 日 自然细胞生物学

https://www.nature.com/articles/s41556-017-0009-8

粘附力和皮质张力耦合细胞增殖和分化以驱动表皮分层

表皮分化机制 Miroshnikova 等人。发现在胚胎发育过程中，表皮基底层拥挤会产生细胞形状、皮质张力和粘附力的局部变化，从而引发分化和分层

• 叶卡捷琳娜·米罗什尼科娃
• 休·Q·勒
• 萨拉·A·维克斯特罗姆

文章 2017 年 12 月 11 日 自然细胞生物学

https://www.nature.com/articles/s41556-017-0005-z

抑制机械敏感压电通道的蛋白质相互作用机制

机械敏感压电通道对于各种机械传导过程都很重要。在此，作者表明 Piezos 与肌浆/内质网 Ca ²⁺ ATP 酶 (SERCA) 相互作用，并对 Piezo1 的机械控制和 SERCA2 介导的调节提供了机制见解。

• 张廷欣
• 迟少鹏
• 萧白龙

文章 开放获取 2017 年 11 月 27 日 自然通讯

https://www.nature.com/articles/s41467-017-01712-z

纤连蛋白结合的 α5β1 整合素感知负载和信号，在不到一秒的时间内增强粘附力

整合素在细胞与其基质的粘附中发挥重要作用。在这里，作者研究了在细胞粘附纤连蛋白的开始时，成纤维细胞如何在整合素调节的不同阶段对机械负荷做出反应。

• 尼科·斯特罗梅耶
• 米塔莎·巴拉德瓦吉
• 丹尼尔·J·穆勒

文章 2017 年 11 月 6 日 自然材料

https://www.nature.com/articles/nmat5023

E-钙粘蛋白整合机械转导和 EGFR 信号传导来控制连接组织极化和紧密连接定位

在多层上皮中，紧密连接（TJ）仅限于最有活力的基底上层。在这里，作者表明，这是通过无处不在的局部 E-钙粘蛋白调节连接张力和 EGFR 活性来调节的，以抑制下层中的 TJ 形成，同时促进颗粒层 2 中的 TJ 稳定性。

• 马蒂亚斯·鲁萨姆
• 亚伦·默茨
• 卡里安·M·尼森

文章 开放获取 2017 年 11 月 1 日 自然通讯

https://www.nature.com/articles/s41467-017-01170-7

逆孔隙弹性作为生物力学和力学生物学的基本机制

软组织如何响应机械负荷对其生物功能至关重要。在这里，作者发现，与孔隙弹性的预测相反，胶原组织中的流体流动性会随着拉伸载荷和明显的化学机械耦合而导致体积急剧减小。

• 亚历山大·埃雷特
• 凯文·伯彻
• 爱德华多·马扎

文章 开放获取 2017 年 10 月 17 日 自然通讯

https://www.nature.com/articles/s41467-017-00801-3

细胞外基质硬度和细胞收缩性控制 RNA 定位以促进细胞迁移

腺瘤性结肠息肉病 (APC) 调节细胞突起处某些 mRNA 的定位，但其潜在机制和功能作用尚不清楚。在这里，作者表明，APC 依赖性 RNA 通过去酪氨酸化微管在收缩突起中富集，并增强细胞迁移。

• 王天红
• 苏珊·哈米拉
• 斯塔夫鲁拉·米利

文章 开放获取 2017 年 10 月 12 日 自然通讯

https://www.nature.com/articles/s41467-017-00884-y

机械限制调节软骨细胞形成软骨基质

生物材料的机械性能通过力传导信号影响细胞生长。在这里，开发了具有快速应力松弛的水凝胶，并且与慢速松弛水凝胶相比，软骨细胞显示出增加的软骨基质形成。

• 李洪杓
• 洛古
• 奥维吉特·乔杜里

文章 2017 年 10 月 2 日 自然材料

https://www.nature.com/articles/nmat4993

排斥上皮边界处的长寿命力模式和变形波

在组织边界，细胞排斥事件表现为变形波，这是由牵引力和细胞内应力的振荡模式引起的，将细胞粘附拉离边界。

• 皮拉尔·罗德里格斯·佛朗哥
• 阿古斯蒂·布鲁格斯
• 泽维尔·特里帕特

文章 2017 年 9 月 11 日 自然材料

https://www.nature.com/articles/nmat4972

肌原纤维收缩和交联驱动核运动到骨骼肌外围

罗曼 等人。 证明肌原纤维的交联和收缩介导细胞核向肌纤维外围的运动，并描述了 Arp2/3 在组织结蛋白中的作用。

• 威廉·罗曼
• 若昂·P·马丁斯
• 埃德加·R·戈麦斯

文章 2017 年 9 月 11 日 自然细胞生物学

https://www.nature.com/articles/ncb3605

主动张力网络模型表明上皮组织中实现了一种奇异的机械状态

确定细胞活动如何影响生长组织的集体特性是理解形态发生的关键。上皮组织模型显示主动张力如何引起实验中观察到的惊人机械行为。

• 尼古拉斯·诺尔
• 马达夫·马尼
• 鲍里斯·I·沙莱曼

文章 2017 年 8 月 7 日 自然物理学

https://www.nature.com/articles/nphys4219

皮质力和 CDC-42 控制 秀丽隐杆线虫 胚胎极化中 PAR 蛋白的聚集

Wang 等人研究 线虫受精卵 的极性建立。 通过对 GFP 标记的蛋白进行成像，我们发现 PAR-3 极性蛋白簇会响应肌动球蛋白收缩性产生的膜张力而进行组装。

• 王诗琪
• 特里西娅·玉峰·洛
• 茂木文雄

信 2017 年 7 月 24 日 自然细胞生物学

https://www.nature.com/articles/ncb3577

无序光纤网络中生物力学传感的物理限制

结缔组织中的细胞被生物聚合物的异质网络包围。在这里，作者通过模拟实验和建模生物聚合物网络对局部施加力的变形响应，研究了这种异质性如何影响细胞机械传感。

• 法尔赞·贝罗兹
• 路易丝·M·贾沃斯
• 内德·S·温格林

文章 开放获取 2017 年 7 月 18 日 自然通讯

https://www.nature.com/articles/ncomms16096

人类细胞年龄的生物物理和生物分子测定

细胞的生物物理特性可用于预测人类的细胞年龄，其准确性比传统的生物分子标记更高。

• 裘德·M·菲利普
• 吴佩勋
• 丹尼斯·维尔茨

文章 2017 年 7 月 11 日 自然生物医学工程

https://www.nature.com/articles/s41551-017-0093

CIB2 与 TMC1 和 TMC2 相互作用，对于听毛细胞的机械转导至关重要

内耳毛细胞通过含有机械门控通道的静纤毛的偏转来检测声音。作者在此表明，导致 Usher 综合征的蛋白质 CIB2 与这些通道相互作用，并且对于小鼠的这些通道的功能和听力至关重要。

• 阿诺·PJ·吉斯
• 唐一泉
• 祖拜尔·M·艾哈迈德

文章 开放获取 2017 年 6 月 29 日 自然通讯

https://www.nature.com/articles/s41467-017-00061-1

力转导通道 NOMPC 的电子冷冻显微镜结构

对机械转导通道 NOMPC 的单粒子电子冷冻显微镜分析表明，它包含一束四个螺旋弹簧状锚蛋白重复结构域，这些结构域会进行运动，可能允许细胞骨架的机械运动与通道的开口耦合。

• 彭金
• 大卫·巴尔克利
• 程一凡

信 2017 年 6 月 26 日 自然

https://www.nature.com/articles/nature22981

张力刺激驱动无支架系统中的组织形成

在自组装关节软骨模型中施加张力导致形成具有与天然组织相似的拉伸特性的组织。

• 詹妮弗·K·李
• 勒·W·休
• 基里亚科斯·A·阿塔纳西乌

文章 2017 年 6 月 12 日 自然材料

https://www.nature.com/articles/nmat4917

通过力介导的 AMPK 激活将 E-钙粘蛋白机械转导与细胞代谢联系起来

贝斯 等人。 证明对 E-钙粘蛋白施加力会导致 LKB1 依赖性 AMPK 激活，并将 AMPK 募集到 E-钙粘蛋白复合物，以增加葡萄糖摄取和 ATP 产生，并加强细胞与细胞的连接。

• 詹妮弗·L·贝斯
• 汉娜·K·坎贝尔
• 克里斯·A·德马利

信 2017 年 5 月 29 日 自然细胞生物学

https://www.nature.com/articles/ncb3537

肌动蛋白皮质结构调节细胞表面张力

皮质张力被认为是由肌球蛋白 II 产生的，但对于肌动蛋白网络特性的作用知之甚少。楚格 等人。 证明由肌动蛋白丝长度决定的肌动蛋白皮质厚度影响皮质张力。

• 普里亚姆瓦达·丘格
• 安德鲁·克拉克
• 埃瓦·K·帕鲁奇

文章 2017 年 5 月 22 日 自然细胞生物学

https://www.nature.com/articles/ncb3525

YAP/TAZ 将细胞机制与 Notch 信号联系起来以控制表皮干细胞的命运

Notch信号传导是表皮干性的基本负调节因子。在这里，作者表明，细胞力学通过 YAP/TAZ 活性通过抑制细胞自主 Notch 信号来阻止原代人类角质形成细胞分化。

• 安东尼奥·托塔罗
• 玛蒂娜·卡斯特兰
• 斯特凡诺·短笛

文章 开放获取 2017 年 5 月 17 日 自然通讯

https://www.nature.com/articles/ncomms15206

YAP 通过控制粘着斑组装来调节细胞力学

已知转录共激活因子 YAP 在细胞生态位产生的机械信号下游发挥作用。作者在此证明，YAP 通过促进与粘着斑相关的基因转录来控制细胞力学、力的发展和粘附强度。

• 乔治亚·纳尔多内
• 豪尔赫·奥利弗·德拉克鲁斯
• 吉安卡洛·福特

文章 开放获取 2017 年 5 月 15 日 自然通讯

https://www.nature.com/articles/ncomms15321

EGFR 和 HER2 仅在刚性基质上激活刚性传感

表皮生长因子受体及其亚型 HER2 被募集到新生细胞粘附位点，并在坚硬基质上细胞的刚性感应中发挥重要作用，这种活性依赖于 Src 介导的磷酸化。

• 马尤尔·萨克塞纳
• 刘帅民
• 迈克尔·P·希茨

文章 2017 年 5 月 1 日 自然材料

https://www.nature.com/articles/nmat4893

摩擦力定位神经原基

斑马鱼神经外胚层形态发生受中胚层胚层的影响。斯穆特尼 等人。 现在表明，由 E-钙粘蛋白粘附介导的细胞之间沿相反方向移动的摩擦力决定了神经原基的位置。

• 迈克尔·斯穆特尼
• 祖萨·阿科斯
• 卡尔·菲利普·海森堡

文章 2017 年 3 月 27 日 自然细胞生物学

https://www.nature.com/articles/ncb3492

通过 E-钙粘蛋白稀释和肌动球蛋白流传递胞质分裂力

在胞质分裂产生的生理力作用下，粘附连接的机械敏感性由 E-钙粘蛋白浓度的局部降低引起，并导致肌动球蛋白流动。

• 戴安娜·皮涅罗
• 爱德华·汉内佐
• 约翰斯·贝莱什

信 2017 年 3 月 15 日 自然

https://www.nature.com/articles/nature22041

微管蛋白乙酰化可保护长寿命微管免受机械老化

α-微管蛋白 40 位赖氨酸的乙酰化与微管稳定性相关。 Portran 等人的 体外 实验 。