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.2018年12月1日；29(25):3039-3051.
doi:10.1091/mbc。E18-04-0256。 Epub 2018年9月26日。

压缩力诱导可逆染色质凝聚和细胞几何结构依赖性转录反应

卡西克·达莫达兰 1, 萨拉达·文卡塔查拉病 1, 法里德·阿里萨菲 2, A V拉达克里什南 1, Doorgesh Sharma Jokhun 1, 维维克·谢诺伊 2, G V Shivashankar公司 1 三
附属公司

压力诱导可逆染色质凝聚和细胞几何依赖性转录反应

卡西克·达莫达兰等。 分子生物学细胞. .

摘要

成纤维细胞在组织中表现出异质的细胞几何结构，并在其局部微环境中整合机械和生化信号，通过染色质重塑来调节基因组程序。虽然在结缔组织中，成纤维细胞承受拉伸和压缩力（CF），但压缩力在调节细胞行为中的作用，尤其是细胞几何形状在调节对这种外部机械力的转录反应中的影响尚不清楚。在这里，我们显示几何定义明确的小鼠成纤维细胞上的CF降低了肌动球蛋白的收缩性，并将组蛋白去乙酰化酶3（HDAC3）穿梭到细胞核中。然后，HDAC3通过去除组蛋白尾部的乙酰化标记，触发异染色质含量的增加。这表明，作为对CF的反应，成纤维细胞浓缩其染色质，进入转录活性较低和静止状态，转录组分析也显示了这一点。去除CF后，染色质凝集的变化被逆转。我们还提出了一个定量模型，将肌动球蛋白收缩力中CF依赖性变化与染色质凝聚联系起来。此外，转录组分析还表明，细胞对CF的转录反应具有几何依赖性。总之，我们的研究结果表明，CF在成纤维细胞中诱导染色质浓缩和几何结构依赖性差异转录反应，从而维持组织稳态。

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数字

图1：
图1：
压缩力导致染色质凝结。（A） 压缩力实验的实验装置。（B） 核共焦图像的最大强度投影。DNA DAPI染色（绿色）。（C） 基于细胞核DAPI染色的染色质浓缩百分比。N： 矩形（C#=83，升#= 83); 圆形（C#=93和L#= 90). （D） 核共焦图像的最大强度投影。DNA DAPI染色（绿色）。（E） 基于细胞核DAPI染色的染色质浓缩百分比。C类#=138，升#=144，R#= 124. 在10%到90%的范围内绘制晶须盒。学生的t吨测试***第页< 0.0001, **第页<0.01*第页<0.05，ns=不显著。比例尺：5µm#C=对照；L=负载，R=负载+恢复。
图2：
图2：
CF引起的异染色质标记增加和常染色质标记减少。（A）细胞核的单个横切面。DNA染色采用DAPI（绿色）和IF染色H3K27me3（红色）。（B） 基于IF染色的每个核体积的相对H3K27me3强度水平。N： C类#=107，升#= 99. （C） 核共焦图像的最大强度投影。DNA染色采用DAPI（绿色）和IF染色H3K9me3（红色）。（D） 基于IF染色的每个细胞核体积的相对H3K9me3强度水平。N： C类#=86，升#= 111. （E） 细胞核的单个横截面切片。DNA染色采用DAPI（绿色）和IF染色H3K9ac（红色）。（F） 基于IF染色的每个核体积的相对H3K9ac强度水平。N： C类#=103，升#= 102. 在10%到90%的范围内绘制晶须盒。学生的t吨测试***第页< 0.0001. 比例尺：5µm#C=控制，L=负载。
图3：
图3：
HDAC3是压力诱导异染色质的关键调节因子。（A） 细胞共焦图像的最大强度投影。DNA染色采用DAPI（绿色）和IF染色HDAC3（红色）。Nuc=细胞核部分和Cyt=细胞质部分（B）基于IF染色的HDAC3的细胞核与总蛋白的比率。N： C类#=124，升#= 132. （C） 用曲古菌素a处理的细胞的细胞核共焦图像的最大强度投影。DNA用DAPI染色（绿色）。比例尺：5µm。（D） 基于细胞核DAPI染色的染色质浓缩百分比。N： C类#=33，TSA_ C#=55，TSA_升#= 53. （E） 细胞共焦图像的最大强度投影。DNA染色采用DAPI（绿色）和IF染色HDAC3（红色）。Si-C=转染对照siRNA的细胞，Si-H3=转染siHDAC3的细胞。（F） 基于细胞核DAPI染色的染色质浓缩百分比。N： si-C_C=96，si-C_L=125，si-H3_C=114，si-H_3_L=131。在10%到90%的范围内绘制晶须盒。学生的t吨测试***第页<0.0001，ns=不显著。比例尺：5µm#C=对照；L=荷载；TSA_C=经TSA处理的对照；TSA_L=TSA处理荷载；si-C_C=控制siRNA-创建的矩形控制；si-C_L=控制siRNA-处理的矩形荷载；si-H3_C=HDAC3 siRNA处理的矩形控制；si-H3_L=HDAC3 siRNA处理的矩形荷载。
图4：
图4：
HDAC3在肌动球蛋白收缩力降低时穿梭至细胞核，导致染色质浓缩增加。（A） 细胞共焦图像的最大强度投影。阳萎素染色肌动蛋白。根据高度进行颜色编码。底部（蓝色）到顶部（红色）。（B） 相对F-actin强度水平。N： C类#=53，升#=60。（C） 细胞共焦图像的最大强度投影。F-actin用卵磷脂染色（绿色）和pMLC-2的IF染色（ser 19）（红色）。（D） 基于IF染色的Ser-19水平的相对磷酸化MLC-2。N： C类#=59，升#= 46. （E） 细胞共焦图像的最大强度投影。顶部：DNA用DAPI染色（绿色），pMLC用IF染色（红色），F-actin用卵磷脂染色（majenta）。底部：用DAPI染色的DNA（绿色）和HDAC3的IF染色（红色）。（F） 基于IF染色的HDAC3核蛋白与总蛋白比率。N： C类#=145，Y#=157，升#= 165. （G） 基于细胞核DAPI染色的染色质浓缩百分比。N： C类#=150，Y#=150，升#= 150. 在10%到90%的范围内绘制晶须盒。学生的t吨测试***第页< 0.0001, **第页<0.01。比例尺：5µm#C=对照；L=荷载，Y=Y-27632。
图5：
图5：
描述压力对心尖肌动蛋白和核形态作用的机械化学模型的模拟结果。从各向同性收缩性（磷酸化肌球蛋白马达在各个方向的浓度相同）开始，我们的模型预测沿着细胞长轴（即极化收缩）磷酸化肌球蛋白马达的密度（力偶极子的密度）会增加。极化收缩导致沿细胞极化方向的较高拉伸应力，随后沿细胞长轴（A、C）形成肌动蛋白丝，如我们的实验所示（见图4A）。如F所示，2.5µN的压缩力会导致顶端区域的细胞收缩性显著降低（磷酸化肌球蛋白马达密度降低）。收缩性的降低导致顶端区域的拉伸应力降低，随后顶端肌动蛋白丝解聚，如B和D所示。我们的模型还预测，与G相比，H中描述的压力会导致与顶端肌动蛋白丝解聚相关的细胞刚度降低。
图6：
图6：
压缩力诱导的染色质凝聚导致转录活性降低和细胞静止。（A） 一个堆叠条形图，用于量化不同样本中基因表达的频率等级。秩1代表最高表达，秩4代表最低表达。注：这只是一个排名z（z）-分值和等级并不表示基因表达的显著差异。（B） 基因组中所有基因在矩形和圆形细胞中相对表达的概率密度图（有负载和无负载）。（C） 细胞核的单个横截面切片。DNA染色采用DAPI（绿色）和磷酸化Pol2（pS5）IF染色（红色）。（D） 基于IF染色的每核体积相对磷酸化Pol2（pS5）强度水平。N： C类#=61，升#= 59. （E） 细胞共焦图像的最大强度投影。用DAPI染色的DNA（绿色）和MRTF-A的IF染色（红色）。（F） 基于IF染色的MRTF-A核蛋白与总蛋白比率。N： C类#=81，升#= 85. （G） MRTF-A靶基因的热图。静止（H）和增殖（I）相关基因的热图。在10%到90%的范围内绘制晶须盒。学生的t吨测试***第页< 0.0001, **第页<0.01。比例尺：5μm#C=控制，L=负载。
图7：
图7：
几何特异性的全局基因表达随着压力的变化而变化。（A） 绘制圆形细胞和矩形细胞之间的基因表达比率log2（折叠变化）之间的曲线，有无压力暴露。（B） 维恩图表示与负载相似或不同的基因数量。（C） 绘制圆形和矩形细胞中暴露与不暴露于压力的基因的表达比率log2（折叠变化）之间的曲线。（D） 文氏图表示基因数量，其表达对于两种几何形状中的任何一种都是唯一的。（E） 在矩形细胞上施加压力前后的基因表达比率log2（折叠变化）与圆形和矩形细胞之间的表达比率之间绘制曲线。（F） 文氏图表示基因数量，其表达是压缩力或改变几何形状所特有的。C=控制，L=负载。
图8：
图8：
几何相关的压缩力响应模型。
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