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发表我校信息学院教师重大研究成果,汪宁教授

2019-11-21 作者:国际学校   |   浏览(189)

   8月22日,《自然•材料》发表了生命学院汪宁教授领衔的重要研究成果。在这篇题为《力通过直接拉伸染色质上调基因表达》的文章中,汪宁团队发现:在细胞膜表面加一个生理范围值内大小的力,这个力可以通过整合素和细胞骨架直接传递到细胞核中,拉伸染色质,打开其折叠的结构,进而直接诱导基因表达。这一重大发现解决了力是否可以直接诱导基因表达这个细胞生物力学领域几十年来悬而未解的难题。

2016年8月22日,国际顶级学术期刊《自然•材料》(Nature Materials)(影响因子:38.891)发表了我校信息学院张跃进副教授博士期间的重大研究成果《力通过直接拉伸染色质上调基因表达》(Transcription upregulation via force-induced direct stretching of chromatin)。文章发现力可以通过整合素和细胞骨架直接传递到细胞核中,拉伸染色质,打开其折叠的结构,进而直接诱导基因表达,这一重大发现解决了几十年来细胞生物力学悬而未解的难题。

  

  汪宁自从2010年回母校建立实验室以来,培养毕业了4名博士生、6名硕士生。至今以我校为第一作者单位和通讯作者单位在著名杂志上共发表了10篇文章,《自然·材料》 4篇 (2篇原创文章, 2篇受邀短评)、《自然·通讯》 2篇原创文章、 《自然·实验手册》 1篇原创文章、《细胞·干细胞》 1篇综述文章、 自然出版集团杂志《科学报道》 1篇原创文章、《肿瘤发生》 1篇原创文章。

  研究团队运用他们发明的新的三维细胞磁力扭曲技术,发现在与细胞长轴不同的方向施加同样大小的力会对细胞产生不同的效果,在垂直于细胞长轴的方向,染色质拉伸的程度最大,基因表达水平最高;在平行于细胞长轴的方向,染色质拉伸程度最小,基因表达水平最低;在给细胞加力15秒后就可测量到基因表达过程,这些实验结果表明力学信号不需要依赖细胞质内的生物化学信号通道就可以直接诱导基因表达。研究团队进一步发现HP1和BAF这两个核蛋白是从细胞核膜传递力学信号到染色质的关键蛋白;将这2个蛋白分别敲除后,力学信号就不能传递到染色质,基因也无法表达。

张跃进副教授于2002年本科毕业来我校工作,2008年在我校信息学院获硕士学位,2012年于华中科技大学生命科学与技术学院细胞生物力学实验室攻读博士学位,是我校培养成长的青年骨干教师,现为我校信息学院实验室主任。博士期间,张跃进师从国家“千人计划”入选者、华中科技大学生命科学与技术学院汪宁教授,经过四年多的艰苦努力,以第一作者的身份发表了这篇高水平文章,是我校教师取得的标志性科研成果和重大科研突破。

  我校生命学院博士研究生张跃进和韦富香为该文章共同第一作者,汪宁为文章通讯作者,生命学院研究生贾琼、陈军见、陈俊威、罗君雨、姚文婷、周文文、黄薇、杨方、张姚也参与了这项工作。我校为文章第一单位和通讯作者单位。

  《自然·材料》杂志在同期也重点推荐了汪宁团队在力学生物学领域已发表的原创研究成果。20多年来的进展表明细胞所处的微环境产生的力学信号对细胞的结构和功能起着关键性的影响。越来越多的科学家开始关注并加入力学生物学的研究队伍中。力学生物学是研究力学信号在细胞中的传导途径和力学信号感应方式及生物力在细胞、组织、器官、生命体的作用的学科。《自然·材料》杂志在2017年12月的期刊上,对力学生物学领域进行了专题报道,邀请了力学生物学领域的5位世界权威专家对领域的最新进展撰写了评论和综述,集中刊发了4篇力学生物学领域的最新原创文章,并重点遴选了3篇力学生物学领域的高被引原创论文进行报道。作为世界力学生物学的领军人物,汪宁是本次《自然·材料》杂志特邀的5位权威专家之一。汪宁课题组2010年在《自然·材料》杂志发表的力学信号可直接诱导小鼠胚胎干细胞分化的原创文章Material properties of the cell dictate stress-induced spreading and differentiation in embryonic stem cells (被引近400次) 以及2012年与黄波教授课题组合作发表在《自然·材料》的三维纤维蛋白软胶筛选恶性肿瘤再生细胞的原创文章Soft fibrin gels promote selection and growth of tumorigenic cells (被引160次) 在此次《自然·材料》杂志重点推荐的3篇力学生物学领域高被引原创文章中占了2篇。

  生命学院细胞生物力学实验室博士生张跃进和韦富香和汪宁教授在伊利诺伊大学实验室的博士后Arash与孙建为文章共同第一作者。生命学院博士生贾琼和研究生周文文也参与了该工作。汪宁教授和伊利诺伊大学的Belmont教授为文章共同通讯作者。我校为文章第一作者单位及通讯作者单位。

生物力医学(Mechanomedicine)是一个正在迅速发展、令人振奋的新领域。美国生物医学工程学会已于2012年将生物力医学列为生物医学工程重点发展新领域。力学信号可直接改变染色质结构并诱导基因表达这一重大发现将对细胞生物力学和生物力医学具有非常重要的理论意义和现实意义。

  该研究工作获得科技部国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费专项资金资助。

  生命学院院长汪宁教授受著名杂志《自然·材料》邀请, 在该杂志2017年12月份期刊上的“News & Views”栏目,发表了一篇标题为“整合素蛋白对力的快速感应”的短评,评价了《自然·材料》发表的瑞士联邦理工学院Daniel Muller 教授领导的团队在分子细胞力学生物学领域的一篇重要原创文章。

  生物力医学(Mechanomedicine)是一个正在迅速发展、令人振奋的新领域。它是运用力学和工程的基本原理,研究开发可在体外和体内运用的新技术和新方法,用来调控人体生理微环境,从而达到早期症断、治疗、和治愈某些复杂疾病的目的。美国生物医学工程学会已于2012年将生物力医学列为生物医学工程重点发展新领域。2014年汪宁教授团队发现生物力在单个胚胎干细胞形成有序的三胚层的过程中起着关键的作用,为生物力医学的发展提供了新的方向。今年汪宁教授团队发现恶性肿瘤再生细胞的柔软度是其有效穿出血管转移的主要因素,这一研究成果提示有可能在临床应用生物力医学技术来防止癌症转移。汪宁教授团队计划今后开发新的药物用来控制特定的力学信号通路,通过调控癌细胞基因表达,来阻止已经转移的恶性肿瘤的增生,进而达到治疗转移瘤的目的。因此力学信号可直接改变染色质结构并诱导基因表达这一重大发现对生物力医学具有非常重要的理论意义和临床意义。

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乐白家手机客户端,  2010年,汪宁回国在我校建立细胞生物力学与再生医学实验室后,引进了受激发射损耗纳米显微镜,意在建立具有超高结构分辨的三维细胞磁力扭曲系统。细胞生物力学实验室的博士研究生张跃进和韦富香在汪宁教授的指导下承担了这项工作。经过多年的努力,他们运用专门的接口板构建了三维细胞磁力扭曲仪与STED纳米显微镜交互的硬件平台,自主编写了驱动程序和应用软件,成功的构建了三维细胞磁力扭曲仪和STED纳米显微镜交互的具有超高分辨率的三维细胞磁力扭曲系统,并将其用于细胞生物力学研究,发现力学信号可以直接拉伸染色质并诱导基因表达,这部分工作于2016年8月发表于《自然·材料》。该工作发表后引起了巨大的关注,《科学》杂志编辑Guy Riddihough在在《编辑选择》栏目重点推荐了这篇文章;F1000Prime评委、康奈尔大学Jan Lammerding教授认为“这篇文章具有非常重要的意义,因为它提供了非常有力的证据,证明力学刺激可以直接通过细胞骨架和核膜传递到细胞核内并直接激活基因的表达”,并推荐它为2016年度F1000Prime文章;《自然·材料》杂志邀请美国康奈尔大学Jan Lammerding教授在同期杂志上评论该文章;细胞杂志2017年5月发表的一篇综述正面引用了该论文的观点;此外,The Scientist Magazine,Phys.org,Technology.org,EurekAlert!,Bioportfolio,GEN,Health Medicine等知名杂志或网站也对该文章进行了点评或报道。

  汪宁在该评论中,首先介绍了80年代中期发现的跨膜粘附蛋白整合素。整合素是细胞与外界进行信号交换传导最重要的蛋白质分子之一。汪宁回顾了他和他在哈佛的同事在1993年发现整合素蛋白是生物力的传感器的开创性工作,这项工作开辟了细胞力学生物学领域 (Cellular Mechanobiology)。生物力是由活细胞内肌球蛋白产生的力,是一种电磁力。整合素对生命体发育和正常生理起着不可替代的作用。整合素信号传导失常导致许多疾病 (如癌症转移)。但是多年来学术界一直不清楚整合素蛋白对力的感应速度和机理。Muller教授团队发现整合素蛋白对力的感应速度快到只需0.5秒, 而且感应是双相曲线形的。他们并发现不同的整合素蛋白亚型反应不一样。Muller团队发现Focal Adhesion Kinase (点状黏附激酶)和Src 蛋白对双相曲线形的感应起着关键的调节作用。Muller团队的发现对研究生物力通过整合素调节癌细胞粘附和干细胞在发育过程中的作用有重要意义。这项工作将推动力学生物学(Mechanobiology) 领域和生物力医学领域的发展。“News & Views”栏目是众多领域的研究人员了解科学进展和新闻的一个重要平台,具有很高的权威性,是《自然·材料》最受读者欢迎的栏目。我校为此短评的第一作者单位。

  长期以来,人们主要是通过研究细胞的化学信号通路来研究细胞和生物体,而忽略了物理因素特别是力对生命的影响。但是越来越多的证据表明力与生命和健康是息息相关的,比如恶性肿瘤的转移、动脉粥样硬化、哮喘等都与力有关。20世纪80年代以来,科学家们开始关注并探索力是如何对细胞产生影响的。1993年,汪宁等在《Science》杂志上发表了他们的发明-细胞磁力扭曲仪,并用此仪器实现定量测量力对单个细胞的影响。他们发现细胞与细胞外基质的联接蛋白-整合素是传递力的传感器,进而开辟了细胞生物力学(Cell Mechanobiology)的研究。但力如何影响基因表达仍然是没有解决的科学难题。

  《自然·实验手册》于6月22日发表了生命学院汪宁教授课题组关于三维细胞磁力扭曲仪和受激发射损耗纳米显微镜交互的超高分辨三维细胞磁力扭曲系统开发方案的文章。该方案不仅可以建立超高分辨的三维细胞磁力扭曲系统,还可以向下兼容普通的共聚焦显微镜和宽场显微镜,具有广阔的应用前景。

  

  《自然·实验手册》是实验方法方面的国际权威期刊,2016年影响因子为10.032。

  细胞生物力学的一项重要任务就是研究细胞精细微观结构在力学信号作用下的反应。三维细胞磁力扭曲仪是目前唯一能够在三维空间内的任意方向上给细胞施加作用力的设备,其位移分辨率可达~4 nm。但受到常规光学显微镜分辨极限定律的限制,其x-y方向的空间结构分辨率只能达到~250纳米,这限制了三维细胞磁力扭曲仪在亚细胞精细结构研究中的运用。

  汪宁1993年开发了细胞磁力扭曲仪,利用非破坏性的磁场来驱动黏附在细胞表面的磁球,给细胞施加作用力,并利用显微镜记录细胞结构在力学作用下的反应。利用细胞磁力扭曲仪,汪宁发现细胞黏附蛋白——整合素是细胞力学感受器。这项开创性的工作1993年发表于《科学》杂志,目前已被引用2740多次。2004年,汪宁发明了三维细胞磁力扭曲仪,实现了在三维空间的任意方向上给细胞施加作用力。

  越来越多的证据表明,力学信号与化学小分子、蛋白质信号转导一样对细胞的功能、命运起着决定性的作用。与化学信号相比,力学信号具有发生速度快、作用时间短、作用效果易变等特点。如何实时定量的测量分析力学信号对细胞结构和功能的影响一直是细胞生物力学领域的难点问题。开发能够实时定量测量力学信号作用效果的仪器设备,是解决限制力学信号研究瓶颈的关键因素。

  本次在《自然·实验手册》发表的文章详细介绍了超高分辨三维细胞磁力扭曲系统的开发过程和实验指南。运用该系统,在给活细胞加力的情况下,对细胞内部精细结构成像的分辨率可以达到118纳米。

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