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  以往的生物材料學(xué)、化學(xué)生物學(xué)、細胞生物學(xué)與再生醫(yī)學(xué)的交叉學(xué)科研究表明，材料表面拓撲結(jié)構(gòu)能夠調(diào)控細胞行為。最近，丁建東課題組的研究則進一步揭示，特定的材料表面拓撲結(jié)構(gòu)還可以導(dǎo)致細胞核的顯著變形、染色體在核內(nèi)的“領(lǐng)地”移動以及基因表達譜的變化。

  結(jié)合微電子制造技術(shù)制備的模板，丁建東教授課題組獲得了重要的高分子材料PLGA的微柱陣列，并且發(fā)現(xiàn)合適的微柱參數(shù)可以導(dǎo)致細胞核的嚴重變形，而細胞仍然處于存活的狀態(tài)（圖1）。

圖1  PLGA微柱陣列上細胞核變形

(A) PLGA微柱陣列SEM圖；(B) HeLa細胞在PLGA微柱陣列和光滑表面上細胞核熒光顯微照片

  丁建東課題組進一步探索了聚合物PLGA微柱陣列上HeLa細胞的核變形是否伴隨染色體定位以及基因表達是否發(fā)生變化。人類18號和19號染色體由于DNA含量相近而基因密度截然不同，成為染色體定位的研究對象。采用熒光原位雜交技術(shù)觀察了HeLa細胞18號和19號染色體細胞核定位（圖2）。結(jié)果表明，HeLa細胞在微柱陣列上18號和19號染色體都向細胞核邊緣發(fā)生了移動，且18號染色體比19號染色體明顯更靠近細胞核邊緣。

圖2  熒光原位雜交技術(shù)檢測微柱陣列和光滑表面上HeLa細胞核內(nèi)18號和19號染色體位置

(A) 熒光原位雜交技術(shù)（Fluorescence in situ hybridization，F(xiàn)ISH）原理圖； (B) 18號和19號染色體3D和2D熒光圖像（每號染色體包含一對，因此顯示兩條）。采用帶有橙紅色熒光基團的全染色體熒光探針與染色體雜交，細胞核采用DAPI染色（顯示藍色熒光）

  丁建東課題組還運用DNA芯片技術(shù)研究了細胞的基因表達譜（圖3），檢測到相比于在平整的PLGA膜表面，微柱陣列上全部23對染色體共有188個基因發(fā)生了上調(diào)、255個基因發(fā)生了下調(diào)。隨后通過GO和KEGG等手段進行了轉(zhuǎn)錄組的生物信息學(xué)分析。

圖3 采用DNA微陣列檢測HeLa細胞在PLGA微柱陣列上的差異表達基因

(A) DNA微陣列檢測細胞總RNA的流程圖； (B) 微柱陣列上HeLa細胞差異表達基因的火山圖（n = 3）。基因表達倍數(shù)變化p值小于0.05 (-log₁₀ p-value 大于1.3)，表達倍數(shù)變化低于1/1.5 (log₂ fold change < -0.6) 表示基因下調(diào)，用藍色表示；p值小于0.05 (-log₁₀ p-value 大于1.3)，表達倍數(shù)變化大于1.5 (log₂ fold change >0.6) 表示基因上調(diào)，用紅色表示；(C) 微柱陣列上HeLa細胞差異表達基因熱圖(fold change > 1.5, p < 0.05)，紅色比表示高表達，藍色表示低表達。標尺中1.5， 0 ，-1.5分別表示差異表達基因信號強度最大值、中間值和最小值。每一列表示一個樣品，每一行表示一個基因。

  該基礎(chǔ)研究揭示，微柱陣列上細胞核變形伴隨著染色體定位和基因表達的變化。由此可見，在生物材料設(shè)計過程中，尤其是在癌癥治療、組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，應(yīng)當(dāng)考慮材料表面拓撲結(jié)構(gòu)對于染色體定位和基因表達的調(diào)控作用。

  以上相關(guān)成果在ACS Applied Materials & Interfaces發(fā)表。Ruili Liu, Jiandong Ding*, Chromosomal repositioning and gene regulation of cells on a micropillar array. ACS Appl. Mater. Interfaces, 12, 32: 35799 - 35812 (2020)。 論文的第一作者是復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系、聚合物分子工程國家重點實驗室項目制研究人員劉瑞麗博士，通訊作者為該國重主任丁建東教授。

  論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c05883