在衰老過程或衰老相關疾病中，細胞或細胞骨架的力學性能會發生深刻變化，但細胞核力學性質和相關調控機制的潛在變化仍然知之甚少。核包膜（NE）和位于核包膜下方的層狀網絡是細胞核力學性能的關鍵決定因素。細胞將機械應力從細胞外基質（ECM）正確傳遞到細胞核的能力對于保護細胞核和基因組免受異常機械應力的損傷至關重要。細胞核上機械應力的增加至少通過兩種機制促進細胞衰老：（1）作用在細胞核上的異常機械應力可能導致DNA損傷和基因組不穩定，這長期以來一直被認為是細胞衰老的主要致病因素；（2）核包膜結構和完整性的損傷增加可導致釋放到細胞質中的核DNA（ncDNA）增加，從而導致先天免疫信號的過度激活和先天免疫相關的細胞衰老。

研究表明，來自ECM的機械應力通過定位于核膜上的 LINC（核骨架-細胞骨架連接物）復合物從細胞骨架傳遞到細胞核。細胞核通過LINC復合物緊密整合到細胞質的結構網絡中。含有Sad1和UNC84結構域的蛋白質（Suns），主要是Sun1和Sun2，是LINC復合物的關鍵成分，也是將機械應力從細胞骨架傳遞到細胞核的關鍵介質。然而，目前Sun 蛋白對涉及DNA保護的核形態/結構或核內功能的潛在影響尚不清楚。

基于此，中國山東第一醫科大學及美國斯蒂德曼·菲利蓬研究所、休斯頓德克薩斯大學健康科學中心麥戈文醫學院的研究團隊假設Sun蛋白可能在將機械應力傳遞到細胞核中發揮關鍵功能，并參與機械應力誘導的細胞衰老過程。核軟化和核解耦是細胞抵抗機械應力誘導的核損傷的兩種主要保護機制，他們推測Sun2表達的調節可能會潛在地改變早衰細胞中核軟化和核解耦的狀態，這與細胞抵抗機械應力誘導的核損傷和細胞衰老的能力有關。在最近的研究中，通過研究Zmpste24?/?（一種早衰小鼠模型）肌肉和間充質基質/干細胞（MSCs），進一步探索了機械應力下Sun2表達的潛在變化及其與早衰細胞核異常/損傷的相關性，以及抑制Sun2在調節機械應力誘導的核異常（即核起泡和DNA損傷）、核軟化和核解耦的狀態以及先天免疫激活相關的細胞衰老方面的潛在作用和機制。相關內容發表在 Cell Death Discovery  期刊題為“Nuclear softening mediated by Sun2 suppression delays mechanical stress-induced cellular senescence"。

首先，通過免疫熒光染色發現Z24?/? 小鼠肌肉中Sun2高表達的陽性細胞數量顯著增加，而且大多位于膠原-I沉積增加的區域，這應該是老化肌肉中纖維化的ECM。眾所zhou知，纖維化的ECM或組織的機械硬度通常高于正常ECM或組織，這可能表明Z24?/? 小鼠肌肉中纖維化區域的細胞通過產生更高的Sun2表達來適應ECM更僵硬的機械微環境。

為了進一步驗證上述肌肉組織中觀察到的ECM底物力學性能與Sun2表達之間的潛在相關性，從WT和Z24?/? 小鼠肌肉中分離MSCs，并在不同基質硬度（低：~50?kPa；高：~50,000?kPa）的平板中培養。結果表明，在更高的基質硬度中培養的細胞，Sun2的表達和F-actin的聚合明顯增加（圖1 A）。而且Z24?/? MSCs中帶有核泡的細胞比例增加（圖1 A、B），在核泡部分特異性存在較高水平的Sun2蛋白，而不是Sun1蛋白（圖1 C）。Nesprin蛋白與LINC復合物中的Sun蛋白連接，并將該復合物與細胞質中的肌動蛋白細胞骨架物理連接。實驗進一步觀察到，Nesprin2和Sun2蛋白在核泡部分共定位（圖1 C），表明核泡部分核膜處的LINC復合物主要含有Sun2（而不是Sun1），含有Sun2的LINC復合物可能對核泡的形成起作用。

圖1     在較硬基質培養的MSCs中，Sun2蛋白表達和f -肌動蛋白聚合增加，且在核泡中富集。

作為機械響應性LINC復合物的關鍵成分，Sun2也可能對機械敏感。因此，接下來研究了外部機械應力對Z24?/? MSCs 中Sun2表達的潛在影響，通過細胞拉伸生物反應器在體外施加循環機械拉伸（10% 單軸循環拉伸，頻率為0.5Hz）持續24小時。免疫熒光染色結果顯示，RhoA GTP酶（F-肌動蛋白組裝的關鍵調節因子）和F-actin聚合的激活明顯增加，同時，Sun2蛋白的表達明顯升高。這一結果表明，Z24?/? MSCs 在異常機械應力的刺激下，Sun2表達升高可能與RhoA激活和細胞骨架硬度的增加相結合。

由于Sun2表達升高與核起泡密切相關，因此繼續研究了Sun2抑制對核泡形成的潛在影響。結果顯示，抑制Sun2表達導致循環拉伸處理的Z24?/? MSCs 的核起泡水平降低（圖2 A）。這一結果表明，抑制Sun2在拯救早衰細胞核免受ji端機械應力損傷方面具有有益的作用。

此外，在循環拉伸處理的Z24?/? MSCs 中抑制Sun2表達導致γ-H2AX（DNA損傷指標）水平降低（圖2 B），SASP（衰老相關分泌表型）因子、衰老標志物（p16和p21）和cGAS-Sting先天免疫信號效應因子（IFN-β和IFN-γ）的表達下調（圖2 C），提示先天免疫相關細胞衰老的進展延遲。

圖2     抑制Z24?/? MSCs中Sun2的表達可減少循環機械拉伸促進f -肌動蛋白聚合和核起泡。

隨后，實驗研究了在ji端機械應力下降低Sun2表達導致核和DNA損傷減少的潛在細胞機制。核解耦，即細胞骨架與細胞核的解離，可以保護細胞核免受機械應力引起的損傷。圖2 A 中拉伸下的Z24?/? MSCs中的F-actin聚合隨著Sun2的抑制而減少，包括與核形狀變化密切相關的核周位置的F-actin。這一結果表明，F-actin聚合的減少可能是由早衰細胞中Sun2抑制引起的核解耦的細胞機制的一部分。繼續研究發現，抑制Sun2可能通過降低RhoA激活來促進核解耦，RhoA是F-actin細胞骨架的關鍵調節因子。然后通過調節RhoA活性，有效地改變了Sun2的表達，進一步驗證了RhoA信號作為Sun2抑制機制的一部分參與減少機械應力誘導的核損傷。此外，還檢查了核軟化是否也可能是導致ji端機械應力誘導的核和DNA損傷水平降低的Sun2表達減少的細胞機制的一部分。采用Bruker AFM探針對核硬度進行了測試（圖3 A、B），發現機械拉伸后Z24?/?MSCs 的核硬度顯著升高，而抑制Sun2可以有效降低循環機械拉伸引起的核硬度升高（圖3 C、D）。

圖3    抑制Z24?/?MSCs中Sun2的表達降低了循環機械拉伸引起的核硬度。

細胞核變形能力是細胞對機械力、細胞骨架組織和動力學、細胞極化和細胞遷移做出適當反應所必需的。核變形產生的核壓縮可導致核膜破裂、DNA損傷和細胞凋亡增加。有趣的是，Sun2被發現可能參與調節正常細胞的核變形。最后，實驗進一步研究了Z24?/? MSCs中Sun2的抑制是否能夠挽救早衰細胞受損的核變形能力。結果表明，與WT MSCs相比，Z24?/? MSCs在通過Transwell的過濾器遷移后幾乎無法存活，這表明Z24?/? MSCs的核變形能力受損導致核損傷和凋亡水平增加。然而，抑制Sun2可以有效地提高Z24?/? MSCs通過transwell過濾器的狹窄基質空間遷移后的存活率，這表明Sun2蛋白在調節早衰細胞的核變形能力方面可能具有關鍵作用。

圖4   Sun2在年輕和衰老細胞中介導細胞核對機械應力的反應的潛在作用和機制的模型。

核骨架與細胞骨架（LINC）復合物的連接物將細胞核物理連接到細胞質。核層直接連接到內核膜上的Sun1和Sun2。Sun 蛋白穿透膜間隙，結合外核膜上與細胞骨架相連的蛋白。在機械應力較低的情況下，Sun1和Sun2在細胞核中的表達水平相對較低；而在機械應力較高的情況下，Sun2的表達明顯升高。高Sun2表達可能伴隨著肌動蛋白細胞骨架組裝增加、RhoA活化、核硬度和核起泡，以及細胞衰老加速。研究結果還表明，抑制早衰細胞中的Sun2能夠促進核解耦、細胞核軟化并減少機械應力引起的核損傷，從而延緩細胞衰老的過程。

綜上所述，該研究目前的結果表明，升高的Sun2表達在介導早衰細胞中機械應力誘導的核損傷中有很大關系，抑制Sun2表達可有效減少機械應力誘導的核損傷，這可能是治療早衰衰老或衰老相關疾病的新型治療策略。

參考文獻：Yue X, Cui J, Sun Z, Liu L, Li Y, Shao L, Feng Q, Wang Z, Hambright WS, Cui Y, Huard J, Mu Y, Mu X. Nuclear softening mediated by Sun2 suppression delays mechanical stress-induced cellular senescence. Cell Death Discov. 2023 May 17;9(1):167. doi: 10.1038/s41420-023-01467-1. PMID: 37198162; PMCID: PMC10192198.

原文鏈接：pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37198162/

小編旨在分享、學習、交流生物科學等領域的研究進展。如有侵權或引文不當請聯系小編修正。如有任何的想法以及建議，歡迎聯系小編。感謝各位的瀏覽以及關注！

微信搜索公眾號“Naturethink"，了解更多細胞體外仿生培養技術及應用。