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物理力也可以影响细胞。这包括力、几何形状和基质弹性对细胞和组织功能、形态和再生的影响,进而有可能影响生理学和病理学。
例如,细胞外基质提供的形状和物理信息会影响细胞的生长、分化和移动方式。理解这一点很重要,因为细胞外基质物理特性的变化与癌症和纤维化等疾病有关。
机械生物学研究这些物理力如何影响细胞和组织,以及这些物理力如何通过机械传感影响蛋白质构象来控制细胞功能。当生物物理学/生物力学应用于生物学问题时,这个领域就开始了。
物理力如何影响细胞和组织?
细胞的形状和运动性受其组织方式的影响,而细胞的组织方式会受到物理力的影响。这反过来又会影响组织或器官的功能。
例如,构象变化影响蛋白质-蛋白质相互作用,进而控制基因转录,或移动细胞、促进细胞粘附或细胞间离子传输的蛋白质将决定组织的形状和功能。
事实上,这些力有助于塑造细胞与细胞外基质相互作用的方式,从而塑造整个组织,并结合微环境中的生化因素,进而影响组织分化等因素。因此,机械生物学可能也在癌症的进展及其转移方式中发挥作用。
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更具体地说,间充质干细胞的分化取决于它要形成的组织的弹性;即,较软的细胞外基质已显示可促进分化为神经元,较硬的细胞外基质已显示可促进分化为肌肉细胞,而刚性细胞外基质已显示可促进分化为骨细胞。
机械传感如何工作?
如上所述,机械传感是机械生物学的一个重要方面。那么,这是如何工作的呢?
整合素
整合素是重要的蛋白质,因为它们具有连接细胞骨架和细胞外基质的功能。这种连接发生在称为“粘着斑”的簇中。整合素是由两个亚基 α 和 β 组成的跨膜蛋白。迄今为止,已发现18个α亚基和8个β亚基,它们形成了24种不同的异二聚体。大多数这些整合素识别具有共同基序的多种靶蛋白,如 RGD 和 LDV。
不同的整合素与细胞外基质结合的“寿命”不同;有些,例如αIIbβ3,在增加负载的情况下寿命较短,而另一些例如α5β1则相反。后者,α5β1,已知具有“捕捉键”行为,理论上已证明可作为自主机械传感器,这是对粘附分子的常见反应行为。
细胞骨架
细胞骨架是蛋白质丝的网络,它为细胞提供支持,从而使组织能够维持其结构。细胞骨架还为组织提供强度,确保外部压力不会损坏组织。然而,它也允许组织改变形状。在哺乳动物组织中,细胞骨架由三种不同的蛋白质组成;肌动蛋白、微管和中间丝,它们都是半柔性的;肌动蛋白和中间丝被认为提供刚度,而微管被认为提供抗压支撑。
肌动蛋白成分已被证明可以产生牵引力,但zui近的研究表明,细胞骨架的成分之间存在相互作用,使其能够感知组织微环境的物理特性。
细胞外基质
细胞外基质是细胞粘附的蛋白质网络。这也为组织提供支持,并提供生长因子、细胞因子和蛋白水解酶的储存库。细胞外基质可分为基底膜和结缔组织。
基底膜是由层粘连蛋白 IV 型胶原蛋白、巢蛋白和硫酸乙酰肝素蛋白聚糖等蛋白质构成的二维结构。这就是允许ji化细胞附着的原因,例如上皮细胞和内皮细胞。
另一方面,结缔组织是 3D 的,主要由纤维状胶原蛋白、蛋白聚糖和糖胺聚糖组成。这些组件的组织方式取决于组织;例如,这些原纤维在需要抗拉强度的组织(如肌腱)中很厚。
研究表明,在二维细胞外基质上培养的细胞会对基质的特性做出反应,并且细胞行为(例如粘附、扩散、迁移,甚至基因表达和细胞间相互作用)都由细胞外基质模拟。然而,目前尚不清楚传感是通过施加恒定应力还是通过传感发生了多少变形
