杜克大學(xué)的研究團隊在《科學(xué)》雜志發(fā)表的最新研究中，借助 CRISPR 技術(shù)在占基因組 98% 的 "暗基因組" 中，發(fā)現(xiàn)了一類能感知環(huán)境機械特性的特殊 DNA 片段——機械增強子（mechanoenhancers）。這些此前未被深入標注的序列，能精準調(diào)控細胞對周圍組織剛度的響應(yīng)，為纖維化、癌癥等與組織機械特性異常相關(guān)的疾病開辟了全新治療路徑。

細胞的功能與命運不僅由基因本身決定，更深受周圍微環(huán)境的影響。此前，科學(xué)家已明確激素、細胞因子等化學(xué)信號可通過表觀遺傳調(diào)控基因表達，但組織剛度、外力等物理機械信號如何影響細胞功能，其深層機制始終模糊不清。"機械刺激是細胞生長、死亡、分化等基礎(chǔ)過程的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，在組織發(fā)育、衰老及纖維化、腫瘤形成等病理過程中至關(guān)重要，" 杜克大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系教授 Charlie Gersbach 指出，"但這些物理信號如何轉(zhuǎn)化為細胞內(nèi)的基因調(diào)控指令，一直是未解之謎。"

基因組中僅 1%-2% 的序列負責(zé)編碼蛋白質(zhì)，其余 98% 的 "暗基因組" 曾被認為是 "無用片段"。如今研究證實，這些區(qū)域中藏有大量基因 "增強子"，能像開關(guān)一樣調(diào)控基因表達強度。"問題在于，我們一直缺乏工具定位這些增強子的位置、明確它們調(diào)控的基因，以及它們?nèi)绾雾憫?yīng)細胞與環(huán)境的相互作用，" 杜克大學(xué)兒科教授 Gregory E. Crawford 補充道。

為破解這一難題，Gersbach 與 Crawford 團隊聯(lián)合機械生物學(xué)專家 Brent Hoffman 副教授，在博士后 Brian Cosgrove 的帶領(lǐng)下展開研究。他們制備了彈性模量分別為 1 kPa（模擬柔軟結(jié)締組織）和 50 kPa（模擬肌肉組織或纖維化病灶）的聚酰胺水凝膠，將人包皮成纖維細胞（HFF）和肺上皮癌細胞（A549）分別培養(yǎng)在這些凝膠上，僅 20 小時后就觀察到顯著變化：HFF 細胞中有 4009 個基因表達改變，A549 細胞中有 221 個基因表達改變，同時基因組中近 5 萬個區(qū)域的染色質(zhì)可及性發(fā)生變化，其中約 23% 的變化出現(xiàn)在 HFF 細胞中，15% 出現(xiàn)在 A549 細胞中。更關(guān)鍵的是，兩種細胞共有的 76 個差異表達基因中，包含 CYR61、CTGF 等已知受機械信號調(diào)控的經(jīng)典基因，證實了機械環(huán)境對基因組的直接影響。

為鎖定 "暗基因組" 中發(fā)揮作用的片段，團隊利用 CRISPR 干擾（CRISPRi）技術(shù)，通過dCas9KRAB蛋白沉默不同 DNA 區(qū)域的活性，再結(jié)合細胞生長、遷移等表型分析，最終篩選出一類特殊增強子——機械增強子。這類增強子具有三大特征：能隨環(huán)境剛度改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)、直接影響細胞生長或遷移、精準調(diào)控特定靶基因表達。

研究團隊進一步揭示了機械增強子的工作機制：在 stiff 基質(zhì)上，TEAD、SRF 等機械敏感轉(zhuǎn)錄因子會結(jié)合到特定增強子區(qū)域激活其功能；而在 soft 基質(zhì)中，CEBP 等因子則主導(dǎo)增強子活性調(diào)節(jié)。以非肌肉肌球蛋白基因MYH9為例，其內(nèi)含子 3 中的一個機械增強子在 stiff 環(huán)境中被激活，通過結(jié)合 SRF/CArG 和 HLTF 等 motifs 上調(diào)

MYH9

BMF

更具臨床價值的是，機械增強子在疾病模型中表現(xiàn)出明確的功能相關(guān)性。研究人員分析了特發(fā)性肺纖維化（IPF）患者和健康人的肺成纖維細胞，發(fā)現(xiàn)

SKP2

CTGF

MYH9

此外，團隊通過單細胞 CRISPRi 篩選和 HiCAR（染色質(zhì)相互作用分析）技術(shù)，明確了機械增強子與靶基因的調(diào)控關(guān)系。有趣的是，這些增強子并不總是調(diào)控最近的基因，約 37% 的增強子會 "跳過" 至少一個基因調(diào)控更遠的靶點，部分甚至能調(diào)控相距 900 kb 的基因。例如，

MYH9

APOL2

RAC2

目前，團隊正進一步研究機械增強子在不同細胞類型、疾病階段及年齡中的差異，探索其序列中的遺傳變異與環(huán)境適應(yīng)能力的關(guān)聯(lián)。更值得期待的是，這些 "暗基因組" 片段有望成為基因治療的直接靶點。"這項研究是工程、科學(xué)與醫(yī)學(xué)跨學(xué)科合作的典范，"Gersbach 強調(diào)，"它不僅揭示了機械信號調(diào)控細胞的全新機制，更為難以治療的機械相關(guān)疾病提供了精準干預(yù)的可能。"

參考資料：

[1]Brian D. Cosgrove et al, Mechanosensitive genomic enhancers potentiate the cellular response to matrix stiffness, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adl1988.

來源 | 生物谷

撰文 | 生物谷

編輯 | 木白

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