丁建东课题组发现材料表面拓扑形貌可调节细胞核形状、染色体定位和基因表达

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以往的生物材料学、化学生物学、细胞生物学与再生医学的交叉学科研究表明，材料表面拓扑结构能够调控细胞行为。最近，丁建东课题组的研究则进一步揭示，特定的材料表面拓扑结构还可以导致细胞核的显著变形、染色体在核内的“领地”移动以及基因表达谱的变化。
结合微电子制造技术制备的模板，丁建东课题组获得了重要的高分子材料PLGA的微柱阵列，并且发现合适的微柱参数可以导致细胞核的严重变形，而细胞仍然处于存活的状态（图1）。

图1  PLGA微柱阵列上细胞核变形(A) PLGA微柱阵列SEM图；(B) HeLa细胞在PLGA微柱阵列和光滑表面上细胞核荧光显微照片

      丁建东课题组进一步探索了聚合物PLGA微柱阵列上HeLa细胞的核变形是否伴随染色体定位以及基因表达是否发生变化。人类18号和19号染色体由于DNA含量相近而基因密度截然不同，成为染色体定位的研究对象。采用荧光原位杂交技术观察了HeLa细胞18号和19号染色体细胞核定位（图2）。结果表明，HeLa细胞在微柱阵列上18号和19号染色体都向细胞核边缘发生了移动，且18号染色体比19号染色体明显更靠近细胞核边缘。

图2  荧光原位杂交技术检测微柱阵列和光滑表面上HeLa细胞核内18号和19号染色体位置

(A) 荧光原位杂交技术（Fluorescence in situ hybridization，FISH）原理图； (B) 18号和19号染色体3D和2D荧光图像（每号染色体包含一对，因此显示两条）。采用带有橙红色荧光基团的全染色体荧光探针与染色体杂交，细胞核采用DAPI染色（显示蓝色荧光）

丁建东课题组还运用DNA芯片技术研究了细胞的基因表达谱（图3），检测到相比于在平整的PLGA膜表面，微柱阵列上全部23对染色体共有188个基因发生了上调、255个基因发生了下调。随后通过GO和KEGG等手段进行了转录组的生物信息学分析。

图3 采用DNA微阵列检测HeLa细胞在PLGA微柱阵列上的差异表达基因

(A) DNA微阵列检测细胞总RNA的流程图； (B) 微柱阵列上HeLa细胞差异表达基因的火山图（n = 3）。基因表达倍数变化p值小于0.05 (-log10 p-value 大于1.3)，表达倍数变化低于1/1.5 (log2 fold change < -0.6) 表示基因下调，用蓝色表示；p值小于0.05 (-log10 p-value 大于1.3)，表达倍数变化大于1.5 (log2 fold change >0.6) 表示基因上调，用红色表示；(C) 微柱阵列上HeLa细胞差异表达基因热图(fold change > 1.5, p < 0.05)，红色比表示高表达，蓝色表示低表达。标尺中1.5， 0 ，-1.5分别表示差异表达基因信号强度最大值、中间值和最小值。每一列表示一个样品，每一行表示一个基因。

       该基础研究揭示，微柱阵列上细胞核变形伴随着染色体定位和基因表达的变化。由此可见，在生物材料设计过程中，尤其是在癌症治疗、组织工程和再生医学领域，应当考虑材料表面拓扑结构对于染色体定位和基因表达的调控作用。
       以上相关成果在ACS Applied Materials & Interfaces发表。Ruili Liu, Jiandong Ding*, Chromosomal repositioning and gene regulation of cells on a micropillar array. ACS Appl. Mater. Interfaces, 12, 32: 35799 - 35812 (2020)。 论文的第一作者是复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室项目制研究人员刘瑞丽博士，通讯作者为该国重主任丁建东教授。
       论文链接：https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c05883


      文章来源：复旦大学
     丁建东现为复旦大学高分子科学系教授，生物医用高分子材料课题组长，复旦大学药学院兼职教授，以及聚合物分子工程教育部重点实验室主任。主要研究领域是生物医用高分子材料的应用基础研究和开发和大分子和细胞的基础研究。1998年获得国家杰出青年科学基金，1999年获得教育部科学技术进步一等奖，2000年获得教育部首届“青年教师奖”，2001年荣获第七届“上海市科技精英提名奖”，2002年获得中国高校自然科学一等奖。2000年起先后担任国家高技术研究发展计划“新型蛋白质药物控制释放载体”负责人，国家重点基础研究发展规划项目 “组织工程学重要基础科学问题研究”有关生物材料的子课题负责人，以及科技部纳米重大科学研究计划“面向组织修复与替代的纳米生物材料的研究”首席科学家。已在Chemical Society Reviews、Angewandte Chemie-International Edition、Nano Letters、Biomaterials、Macromolecules、Biomacromolecules、等学术刊物上发表论文116篇，其中89篇在国际核心刊物上发表。