细胞力学——新方法可预测干细胞分化过程

sunsong7

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伊利诺大学香槟分校机械科学与工程学院，细胞与生物发育学院，印第安纳大学-普渡大学生物医学工程学院的科学家在生物物理交叉学方面取得新的研究进展，相关成果发表在最新的《Nature Materials》在线版上。; d. [3 ?* \9 Z: ]! g
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生物通报道，伊利诺大学香槟分校机械科学与工程学院，细胞与生物发育学院，印第安纳大学-普渡大学生物医学工程学院的科学家在生物物理交叉学方面取得新的研究进展，相关成果发表在最新的《Nature Materials》在线版上。: [: _; p/ q( ?4 t0 z
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文章通讯作者是伊利诺大学的华人科学家汪宁教授，早年毕业于华中科技大学，90年代赴美，在哈佛大学获得生理学博士学位。其后留任哈佛大学，2006年赴任伊利诺大学任教。他所在实验室主要从事细胞力学，机械生物学，干细胞生物学，分子机械医学等方面的研究。第一作者是汪宁教授的博士生Farhan Chowdhury（3年级）。& `) I7 {: u2 L' S4 v

& o" \7 d- M, q! U; F# q: o7 ?" n6 m在这篇最新的文章中，汪宁教授研究小组发现，胚胎干细胞有一个独特固有的性能-即细胞软性质(Cell softness)-这个性能决定了为什么很小的机械力能够促进胚胎干细胞的伸展与分化。3 G: H: ]5 D! g! H

% t5 t' L/ i( Y2 y7 M课题组将直径4微米的磁珠置于活的胚胎干细胞表面，然后施加一个微小的震荡磁场，使磁珠在磁场中来回震荡。通过精确测量磁场以及磁珠震荡的距离，可以计算出对细胞施加的机械力以及细胞软性质。) S  r$ n" {6 [( J; K" O+ a+ F

$ @8 W1 k# w1 m& J) Y" c研究发现，机械力的周期性非常重要，它能够刺激细胞内部的力的产生，如肌球蛋白周期性运动。研究人员发现小鼠的胚胎干细胞相比其分化为其他类型的细胞要更柔软，对局部周期性的力更敏感。此外，研究人员利用这种周期性的力对人类的肌肉细胞进行研究，得到类似的结果。
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研究还发现一个很小的局部力能够改变单个胚胎干细胞Oct3/4基因的表达，也许其他基因的表达也可以被改变。
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这个新颖的课题可能弥补拟补化学刺激方法的某些不足：例如无法调节单个细胞的基因表达。
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sunsong7

《The Scientist》封面报道 汪宁 干细胞领域乘风破浪   M- \& w" @$ e' ]' Z. m; S
Friday, 16 July 2010 22:57 Chunyang Xiong    http://www.ebiotrade.com/newsf/2009-12/2009122174147809.htm
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摘要： 生物通报道，最新一期的The Scientist发表了一篇关于干细胞新领域的评述性文章Full Speed Ahead，这个新领域的研究领导者是一名华裔科学家，汪宁教授，他首次发现干细胞的一个独特的性能，机械力信号可刺激干细胞的分化与发育，甚至可能影响基因的表达情况。3 w* ^# V3 t" M5 f  i! C
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生物通报道，最新一期的The Scientist发表了一篇关于干细胞新领域的评述性文章Full Speed Ahead，这个新领域的研究领导者是一名华裔科学家，汪宁教授，他首次发现干细胞的一个独特的性能，机械力信号可刺激干细胞的分化与发育，甚至可能影响基因的表达情况。6 M: p. b8 I. _( x* ~( r* r
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The Scientist这篇评述性的文章首次全面细致的报道了汪宁团队的研究成果。
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据汪宁教授介绍，机械力信号的研究让人十分吃惊，在研究过程中，他们发现，机械力信号传导速度比预想的快很多，达到了30米/秒，比常规的家庭用快艇要快，只比神经传导速度慢一点。相比之下，化学信号的传递速度慢很多，仅为2微米/秒。( ~1 L. ^/ p4 H: N& d
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据汪宁教授介绍，在细胞活动中，若对比研究我们会发现，机械力信号比化学信号的传导速度快40倍，一些低分辨率的技术甚至无法捕捉到这一信号的传导过程。
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4 X2 u; Y- n1 h8 o' E加州大学生物医学工程学专家Mohammad Mofrad评论道：长期以来，生物学家都忽略了机械力对生物活动的相关作用，随着科技的进步，生物机械力的研究越来越被人接受，它对生命体的发育、细胞、组织甚至是疾病的影响开始受到人们的关注。
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) l, v% L/ V! {5 F+ H“von Willebrand因子”与血小板表面上“糖蛋白Ib a”的结合调控血小板的交联，是血液凝固中的一个重要因素。利用将一个受体与其配体在单个分子中联系起来以测定结合和断开过程的一种新方法，Kim等人识别出一个以前没有被识别处的键行为类型。
. G9 D- V4 b8 }" q+ W; s) k# a“受体-配体”键存在于两种截然不同的状态：一种是所谓的“轻力”(low force)状态，另一种是更为稳定的状态——该状态是当施加张力时出现的，使该键相对于所施加的力保持稳定。这种“柔性键”行为——它涉及两组“滑动键”（键寿命随负载增加而缩短）而不是“逆锁键”（键寿命随所施加的力增加）之间的切换——的发现，对于了解与“von Willebrand因子”结合在一起的血小板何以能够抵抗外力、对于血流的增加何以会激发血小板栓子的形成都有意义。（Letter p. 992）% B6 s/ y7 p  Z7 J8 T* n

& a# L, _: g/ m" Z8 Mhttp://news.sciencenet.cn/htmlnews/2010/8/236360.shtm
" V" t* v" o5 `, y! a. n( thttp://www.nature.com/nature/jou ... bs/nature09295.html$ {& l2 n" T: r+ F9 J0 ^; a; S* ^. x# v
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A mechanically stabilized receptor–ligand flex-bond important in the vasculature
0 o( I1 v; z6 s: J3 wJongseong Kim, Cheng-Zhong Zhang, Xiaohui Zhang & Timothy A. Springer
+ Z/ b. N5 Y. hNature, 466, Pages: 992–995 Date published: (19 August 2010) DOI: doi:10.1038/nature09295* N  N- Q3 R6 N1 \
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Haemostasis in the arteriolar circulation mediated by von Willebrand factor (VWF) binding to platelets is an example of an adhesive interaction that must withstand strong hydrodynamic forces acting on cells. VWF is a concatenated, multifunctional protein that has binding sites for platelets as well as subendothelial collagen1, 2. Binding of the A1 domain in VWF to the glycoprotein Ib α subunit (GPIbα) on the surface of platelets mediates crosslinking of platelets to one another and the formation of a platelet plug for arterioles3, 4. The importance of VWF is illustrated by its mutation in von Willebrand disease, a bleeding diathesis1. Here, we describe a novel mechanochemical specialization of the A1–GPIbα bond for force-resistance. We have developed a method that enables, for the first time, repeated measurements of the binding and unbinding of a receptor and ligand in a single molecule (ReaLiSM). We demonstrate two states of the receptor–ligand bond, that is, a flex-bond. One state is seen at low force; a second state begins to engage at 10 pN with a ~20-fold longer lifetime and greater force resistance. The lifetimes of the two states, how force exponentiates lifetime, and the kinetics of switching between the two states are all measured. For the first time, single-molecule measurements on this system are in agreement with bulk phase measurements. The results have important implications not only for how platelets bound to VWF are able to resist force to plug arterioles, but also how increased flow activates platelet plug formation.
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& Z: @; V/ c: x6 [2 s; a- O1 pLast Updated on Friday, 20 August 2010 10:31