細胞核作為細胞內重要的遺傳與調控中心，不但是細胞內生化信號的終端效應器，還能在細胞感知并應答力學刺激后，通過直接或間接的核力學信號調節對細胞的功能與表型產生重要影響。細胞核依靠染色質—核膜—細胞骨架等基礎結構將其與其他胞內、外的物理微環境耦合，響應力學刺激并做出應答。該力學響應級聯中，細胞核形態結構的變化是最直觀的表現，也是細胞核直接響應力學刺激的基礎。基于此類細胞核與細胞行為、表型的聯系，核的異常形態變化被作為疾病診斷工具廣泛用于臨床實踐。本文回顧了細胞核形變如何響應和適應力學刺激的證據，并著重綜述了細胞核形變的力學調控因素，以及核形變涉及到的包括腫瘤在內的生理病理過程及其力學調控機制和研究進展，為深入理解細胞核力學參與的疾病發展調控機制和作為潛在靶點用于診療提供新的思路。
引用本文： 嚴然, 陳祥燕, 張譯兮, 王夢, 李順, 劉貽堯. 細胞核力學生物學及其調控機制的研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2023, 40(4): 617-624. doi: 10.7507/1001-5515.202304036 復制
0 引言
機械刺激與響應在細胞、組織、器官、整體等多尺度水平的生物學行為調控中扮演著重要角色，如微觀水平的細胞鋪展、遷移、增殖、分化等行為，介觀、宏觀水平的胚胎發育、組織形成、疾病發展等進程都涉及到機械刺激與響應[1]。長期以來，人們通常認為細胞對機械刺激的響應方式是通過激活一系列由外及內或由內及外的機械轉導行為，并進一步調節基因表達水平來實現相應的功能或行為調節。直到20世紀90年代，人們逐漸認識到施加于細胞上的外源性力學作用可以導致細胞核形變，從而提出作用于細胞核的機械力可以直接調節基因表達的假說。
細胞是生物行為的基本單位，其中的細胞核作為最大和最堅硬的細胞器，是細胞的力學特性的重要提供者和力學刺激的直接響應者。細胞核在受到細胞內或外部力學刺激后，會通過改變核的形態結構等方式保護遺傳物質的完整性與適應新環境[2]。近期研究發現，作用于細胞邊界和細胞骨架的機械力可以在短時間內引起細胞核形變并影響染色質組織，誘導染色質結構改變以調控基因表達，通過轉錄、翻譯及翻譯后調控影響細胞表型和生物學行為，以應答力學刺激[3]。然而，細胞核如何感知與響應力學刺激，進而調節細胞關鍵功能的具體機制仍不清晰。目前核形態調控觀點認為，微環境與細胞核物理耦合的染色質—核膜—細胞骨架是一個整體的力學單位，是力學信號轉導調控基因表達所必需的機械元件。力學信號轉導紊亂的最直觀表現是核形態的異常，在某些情況下核形態變化可能比疾病的其他生物特征出現得更早、更顯著。因此，細胞核的形態異常也在臨床被廣泛地用作一種疾病診斷工具[4]，但其潛在機制尚不清楚，細胞核力學特性的相關變化仍未得到充分研究。近年來，力學刺激引起的細胞核形變所導致的生物效應和調控機制受到越來越多的關注，本文綜合近年文獻報道，闡述并深入探討細胞核形變的動力學及其在腫瘤進程中的調節作用，嘗試為以力學生物學為基礎的機制研究和臨床決策提供新的思路和方案。
1 生理和病理過程中的細胞核形變與作用
真核細胞中，細胞核在細胞分裂、分化或遷移等不同生物學過程中，展現出與細胞功能和狀態密切相關的形態特征與位置特征，這些形態與位置特征通常由其所受到的外力作用與其自身的力學性能決定。一方面，精確調控的細胞骨架網絡將細胞核與細胞其他組分連接起來，為細胞核提供了力學信號轉導的通道。另一方面，細胞核的力學性質由多因素共同決定，除了聯系細胞膜—核膜的細胞骨架網絡外，還與核纖層（nuclear lamina）網絡的組成與完整性、染色質中DNA的結構與狀態有關。其中，染色質是一個熵增的體系，其向核膜施加一個向外膨脹的壓力，組蛋白的翻譯后修飾可以通過促進染色質濃縮來平衡這個壓力，并可以通過不同種類的修飾（如甲基化、乙酰化等）將DNA重構為不同的開放或者濃縮區域，其中某些濃縮區域可以通過一些連接蛋白與核纖層蛋白（nuclear lamins）連接定位到核內膜上。因此，核膜和細胞骨架的協同調節與染色質的濃縮程度共同決定了細胞核的形態結構和其物理性質[5]。
1.1 發育、增殖和衰老過程中的細胞核形變
細胞核除行使遺傳作用外，在組織發育或生理、病理進程的特定時期，其可通過調整其內部結構和多動態成分的力學性能在多時間尺度上適應所受到力的擾動，并協調細胞形狀、黏附和細胞骨架結構的變化來調控細胞周期、分化、炎癥等不同細胞行為[1-2]。
細胞核形變介導炎癥與免疫反應。在胚胎細胞、免疫細胞和腫瘤細胞中，核膜的拉伸可以引起胞漿型磷脂酶A2（cytoplasmic phospholipase A2，cPLA2）轉移至核膜并刺激釋放花生四烯酸（arachidonic acid，AA），導致核內鈣離子（Ca2+）外流以啟動細胞起泡和運動[6-7]。斑馬魚組織損傷模型中也發現了核膜拉伸作為力學激活信號，可以在核周肌動蛋白網絡與核纖層蛋白A/C的協同調節下，促進cPLA2和5脂加氧酶（5-lipoxygenase，5-LOX）將組織受損后的核腫脹轉化為促炎的二十烷酸信號，以快速吸引免疫細胞，啟動傷口的免疫趨化作用[8]。
細胞核形變參與細胞周期調控。Aureille等[9]發現在人宮頸癌細胞HeLa的增殖周期中，G1/S期轉化以核膜的扁平化為特征，肌球蛋白II（Myosin II）依賴的收縮力是該細胞周期轉換的動力。抑制肌球蛋白II后，細胞核形態變圓，細胞G1/S期轉化被阻礙。然而，向細胞核施加的外源壓縮力可以引起相似的細胞核扁平化，并激活轉錄增強相關結構域（transcriptional enhanced associate domain，TEAD）和激活蛋白1（activator protein 1，AP1）等轉錄因子，恢復因肌球蛋白II抑制而停滯的G1/S期轉化。該研究提示肌球蛋白II或外力引起的核形變才是細胞周期轉換調控的重要因素，而非收縮力本身。細胞核膜張力與轉錄因子的核、質穿梭密切相關，較大的張力可以使位于核膜上的核孔打開，促進轉錄因子進入細胞核。上皮樣細胞培養在較硬的三維基質中時，細胞核膜張力的變化可以促進轉錄因子Yes相關蛋白（yes-associated protein，YAP）進入細胞核，并結合轉錄因子TEAD以調控機械信號依賴的S期激酶關聯蛋白2（s-phase kinase-associated protein 2，Skp2）轉錄，促進細胞進入G0期。
細胞核形變除了通過影響重要轉錄因子入核或活性等方式參與基因表達調控之外，影響表觀遺傳也是其參與細胞表型與生物學行為的重要手段。Song等[3]發現將成纖維細胞限制在微流體通道內可以引起細胞核毫秒級變形、起皺和核纖層蛋白A/C崩解，染色質中核纖層蛋白相關結構域（lamin-associated domains，LADs）從核膜解離、組蛋白H3賴氨酸9三甲基化（histone 3 lysine 9 trimethylation，H3K9me3）減少與DNA甲基化，最終導致細胞重編程，成纖維細胞向神經元細胞轉化。此外，Seelbinder等[10]研究發現細胞外基質（extracellular matrix，ECM）的硬度可通過調控細胞核形變介導的染色質H3K9me3的核內位置重構，以調節心肌細胞去分化過程，并影響分化后功能。細胞核的形態結構由其內部的染色質組分提供向外的膨脹與由細胞核骨架（核纖層蛋白等）和細胞骨架（肌動蛋白等）提供的支撐共同決定。在受到外界力學刺激并可能造成遺傳物質損傷時，染色質組分會通過“軟化”等調節方式保護細胞核不致破壞[2]。在保護遺傳物質完整性的同時，細胞核形變也可以實現對細胞分化的調節。例如，小鼠胚胎干細胞為避免喪失分化潛能，會維持染色質去凝集狀態以軟化細胞核。此外，核纖層蛋白的類型和含量可調節干細胞分化潛能，未分化的小鼠和人胚胎干細胞中只表達核纖層蛋白B，當細胞核內核纖層蛋白由B型轉化為A/C型則預示著小鼠和人胚胎干細胞全能性的喪失與分化的開始，且在間充質干細胞中敲低或過表達核纖層蛋白A/C對其成脂或成骨分化有促進作用[11]。
組織中存在的衰老細胞，其也可通過細胞骨架—核骨架的力學信號傳導影響細胞惡性轉化進程，調控細胞功能。Aifuwa等[12]研究發現，培養在含有衰老相關分泌表型因子（senescence-associated secretory phenotype，SASP）的條件培養基中的人乳腺癌導管細胞T47D，其核分葉增加、核體積收縮、染色質凝結。這一改變主要源于皮質張力喪失及核纖層蛋白A/C水平的降低，導致細胞收縮力、粘連性和力學順應性降低并且抑制了細胞形態調節、運動和增殖相關基因表達。SASP所誘發細胞質與核膜力學信號轉導異常，會促進細胞惡性轉化級聯效應的發生，推進腫瘤進程。
1.2 運動中的核形變
細胞在體內環境中的遷移或侵入需要通過不同的屏障，由于細胞核是細胞結構中最硬的細胞器且具有相當的體積，故而成為了該跨屏障運動中最主要的限制。細胞為了克服這些障礙，主要采用兩種策略來實現跨屏障運動：其一，動態調節細胞核自身的特性包括改變其形狀，降低核硬度，提高柔韌性，做出相應的變形來適應運動。如白細胞自我調控核硬度和核形態，使得遷移中的細胞核位于轉移前沿，可感受細胞外基質的力學特性，幫助其選擇遷移路徑[13]。其二，調節細胞外基質以增加孔隙的大小，如腫瘤細胞能分泌蛋白降解酶類，通過降解細胞外基質成分，形成局部溶解區，構成或擴大轉移通道。
細胞核是細胞“本體感覺”的中心樞紐，細胞形狀變化可通過細胞核轉化為調節細胞行為的生理信號。Venturini等[14]研究發現，胚泡階段斑馬魚胚胎中分離的原代祖細胞在高度方向受到擠壓時，細胞通過核膜拉伸和內核膜伸展，增加花生四烯酸代謝產物，增加皮質肌球蛋白II水平與活性，增強細胞快速收縮力和遷移能力，使細胞從狹窄擁擠的空間中擠出。此外，調節細胞核位于細胞中的特定空間位置，也可幫助細胞核針對不同類型的細胞形變調節鈣離子信號，以適應不同生態位的變形。類似的，有研究將人宮頸癌細胞HeLa培養于微通道中，高度的限制促進了肌球蛋白II從胞質快速募集到細胞皮層，抑制Ras同源蛋白（ras homologous protein，Rho）/Rho激酶（rho-associated kinase，ROCK）信號通路，刺激細胞的軸向收縮。去除高度限制后，肌球蛋白II則快速重定位至胞質，這表明單個細胞可感知細胞體不同高度的變化，并在達到一定高度閾值時觸發持續但可逆的主動收縮反應[6]。
細胞遷移過程中的細胞核變形必須與細胞骨架動力學相協調。核－細胞骨架耦合是細胞核變形和細胞運動所必需，對遷移過程中的細胞極化至關重要。例如，與細胞二維遷移相反，三維遷移過程中，核纖層蛋白A/C的表達與細胞遷移效率呈負相關，這可能是由于核纖層蛋白A/C具有更硬的絲狀網絡并為細胞核提供剛性支撐有關[15]。不同于核纖層蛋白A/C，核纖層蛋白B1與各種類型腫瘤的形成和進展呈正相關，但核纖層蛋白B1促腫瘤遷移的分子機制尚不明確。Fracchia等[16]研究發現，過表達核纖層蛋白B1可阻止細胞核周外肌動蛋白網絡的形成，并可通過抑制核膜與肌動蛋白骨架的連接來加速細胞遷移。
對于腫瘤細胞，腫瘤轉移期間其必須發生變形以穿過血管內皮細胞間的狹窄縫隙，細胞核硬度也是細胞跨內皮遷移的重要決定因素。有研究顯示，人乳腺癌細胞MDA-MB-231、人肺腺癌細胞A549和人惡性黑色素瘤細胞A375在經內皮細胞遷移過程中會出現細胞核軟化現象[17]。腫瘤細胞進入循環系統后成為循環腫瘤細胞亞群（circulating tumor cells，CTCs），會承受血流剪切應力并大量凋亡，Xu等[18]研究發現剪切應力促進人乳腺癌細胞株SK-BR-3和MCF-7中組蛋白乙酰轉移酶（histone acetyltransferase，HAT）活性和組蛋白乙酰化，從而介導懸浮腫瘤細胞的核擴張，促CTCs凋亡。
此外，跨屏障運動中的細胞核形變還可能帶來細胞遺傳性狀的改變。細胞在遷移通過較小孔隙時，即使在核膜沒有破裂的情況下，核形變也足以引起DNA損傷。Shah等[19]發現在人乳腺癌細胞MDA-MB-231、人乳腺管癌細胞BT-549中核形變引起的DNA損傷與核膜破裂后核—質分子交換所導致的DNA損傷不同。核膜非破裂時，核變形通過改變DNA構象，使得DNA復制叉失速和復制應力增加，引起S/G2階段的DNA損傷，這種機械誘導的DNA損傷不僅可以增加轉移性腫瘤細胞的基因組不穩定性，還可以在非遷移細胞中引起DNA損傷和腫瘤發生。
2 核形變相關的細胞元件
作用于細胞核上的機械力主要來自于細胞骨架，核膜與細胞骨架建立物理連接，以傳遞力學信號到細胞核。細胞核的力學性能由構成核結構的各種組分共同調節，賦予了細胞核可通過最小程度變形來保持核形狀和核完整性的能力。因此，細胞核形態結構由細胞核自身的力學性能與細胞骨架蛋白網絡轉導的力之間的平衡所決定，如圖1所示。
圖1
核機械變形過程中力學調控相關的細胞元件
Figure1.
Cellular components implicated in the mechanical regulation of nuclear deformation
2.1 細胞質機械敏感組份
2.1.1 肌動球蛋白
細胞外基質通過激活細胞膜上的整合素，與肌動蛋白微絲相連接。肌動蛋白與肌球蛋白II交聯組成肌動球蛋白（actomyosin）骨架絲束，并產生牽引力以響應機械力的變化，從而調控細胞黏附、運動等功能。
肌動球蛋白收縮使得橫跨細胞核的肌動球蛋白骨架產生張力，張力的變化可引起以核膜褶皺或扁平擴張為特征的核變形。肌動球蛋白骨架通過核骨架—細胞骨架連接體（linker of nucleoskeleton and cytoskeleton，LINC）復合物和核骨架與核內DNA相連，是核機械轉導的物理基礎。極化的貼壁細胞（如成纖維細胞）中，位于細胞核頂端、貫穿細胞極性方向的肌動球蛋白纖維依靠LINC復合物與細胞核相連，會對細胞核產生垂直方向的壓力，使細胞核呈扁平的橢球體。這種細胞核形態的可調性，對于細胞運動，特別是一些狹窄環境中的運動提供了重要的策略。有研究發現，改變細胞骨架對細胞核施加側向壓力，也可以使得細胞核出現拉長或扁平的形態。細胞通過狹窄孔隙遷移的過程中，細胞核“感受”并變形為“沙漏”樣通過孔隙，一旦細胞通過窄隙后鋪展，應力纖維又恢復排布到細胞核頂端使核扁平[2]。此外，肌動球蛋白通過調節細胞核形態對細胞穿過狹窄孔隙運動的影響并非一定是增強的。肌動球蛋白收縮力的增強會增加細胞質靜水壓力，導致細胞質內容物流入細胞核，引起細胞核體積膨脹和泡變，反過來阻礙細胞運動。
2.1.2 微管
微管（microtubule）與肌動蛋白纖維共同參與細胞核長、短軸的變形，協同調節細胞核受限遷移中的核各向異性。單層上皮細胞的短期雙軸拉伸實驗中發現，微管抗長軸變形，而肌動蛋白抗短軸變形。微管和肌動蛋白網絡也被認為可以調節細胞體積，從而動態改變核形態。Bone等[20]發現秀麗隱桿線蟲皮下p細胞遷移時，細胞利用核纖層蛋白A/C網絡的重組調整細胞核形狀，通過招募驅動蛋白和動力蛋白來增強LINC復合物的力傳導作用，促肌動蛋白和微管幫助收縮擠壓細胞核，最終拉動細胞核沿微管移動以通過狹窄間隙。
2.1.3 中間絲
除微絲與微管外，中間絲也是胞質內調節細胞和細胞核變形性的重要結構。中間絲環繞細胞核形成一個籠狀網絡，在細胞鋪展的早期階段或當細胞在較軟基質上生長時最為明顯，被作為上皮—間充質轉化的標記，與多種癌癥的進展相關[21]。波形蛋白中間絲可通過核膜血影重復蛋白3（nuclear envelope spectrin repeat protein 3，Nesprin 3）與外核膜建立間接物理連接，Pogoda等[22]研究表明波形蛋白中間絲通過對局域力提供剛性、彈性響應以維持核穩態。波形蛋白中間絲是三種細胞骨架聚合物中硬度最低但具有彈性的聚合物。與肌動蛋白或微管不同，波形蛋白中間絲在大應變下變硬，能夠承受極端變形而不發生斷裂。缺失波形蛋白中間絲的小鼠胚胎成纖維細胞中，細胞核更圓，核泡和DNA雙鏈斷裂灶增多，皮質剛度和肌動蛋白纖維牽引力變小。因此波形蛋白中間絲可能為細胞核提供了一種保護結構以抵抗極端變形。此外，波形蛋白中間絲還可與肌動蛋白相互協同以維持三維遷移過程中細胞核的結構完整性。
2.1.4 核骨架—細胞骨架連接體復合物
LINC復合物作為介導細胞質骨架與細胞核骨架連接的跨膜蛋白復合體，可通過傳導力學信號影響細胞核形狀。LINC復合物由定位于外核膜的核膜血影重復蛋白（nuclear envelope spectrin repeat protein，Nesprin）家族通過其C-末端的KASH（Klarsicht/ANC-1/Syne homology）結構域與位于內核膜上的SUN（Sad-1/UNC-84）結構域家族蛋白結合。哺乳動物有Nesprin 1～4和KASH 5在內的五種KASH結構域蛋白。其中，Nesprin 1、Nesprin 2與肌動蛋白纖維結合，并通過驅動蛋白和動力蛋白與微管結合；Nesprin 3通過網格蛋白（plectin）與中間絲結合； Nesprin 4則存在于極化的上皮細胞中。LINC復合物通過SUN結構域與內核膜蛋白Emerin結合能增強肌動蛋白纖維聚合[23]。因此，當細胞在穿過狹窄孔隙時，LINC復合物聚集在細胞核前端增強拉力，以幫助變形的細胞核快速通過。此外，由于LINC復合物平衡了部分細胞骨架施加在核外膜的拉力，它還可通過影響核內核纖層蛋白A調節細胞核硬度，以維持核結構穩定。
2.2 細胞核內的機械敏感組分
2.2.1 核纖層蛋白
核纖層蛋白是一種位于核膜內表面的結構蛋白，其聚集形成長300～400 nm、厚約3.5 nm的非極性絲，并可編織成約14～30 nm厚的致密纖維狀網絡。核纖層蛋白由A型和B型組成，可以通過改變其分子組成與構象來調節細胞核力學性質，并對張力做出動態響應。有研究顯示，核纖層蛋白在腫瘤細胞核中不均勻的空間分布，可能會導致核表面形成“斑塊狀”的機械性質分布差異，在細胞核受到機械刺激后其響應的差別導致異常的核變形現象[24]。核纖層蛋白對細胞核機械性質的調節與細胞運動行為密切相關。通常核纖層蛋白A/C的高表達使細胞核變硬，會阻礙三維環境中細胞核穿過狹窄縫隙[25-26]；但也有研究發現過低的核纖層蛋白A/C可能會降低細胞核表面張力，導致核與障礙物糾纏，細胞難以遷移[27]。另一方面，編碼核纖層蛋白A/C的基因突變可導致以核形態異常為特征的，涉及肌肉、脂肪、骨骼、神經和皮膚細胞的肌營養不良、早期衰老綜合征等核纖層蛋白病。
2.2.2 核膜
核膜由內核膜和外核膜兩部分同心脂質雙分子膜構成。內核膜與內質網相連，因核膜在低張力下是褶皺或折疊的，所以核變形時可利用內質網的脂質來擴增核表面積以適應變形。核膜的拉伸可激活內質網上的力敏感離子通道，如機械激活性離子通道Piezo 1蛋白和肌醇三磷酸受體，提升鈣離子核內濃度，對核膜張力或曲率的變化做出反應。內核膜含有與核纖層蛋白和染色質相互作用的適配器蛋白，如具有力學敏感性的Emerin，可通過改變其磷酸化狀態和核膜定位來響應力學刺激。核變形過程中，嵌合在細胞核膜上的核孔復合體可通過增大孔徑來響應膜張力的升高，增大的核孔可以調節轉錄因子的核輸入來調節基因表達與細胞功能[28-29]。
2.2.3 染色質
核內的染色質本身具有的粘彈性也有助于細胞核變形以響應力學刺激。染色質據其緊實程度、轉錄活性和組蛋白修飾類型，可分為轉錄活性強的常染色質與轉錄活性弱且包裝更緊密的異染色質。其中異染色質傾向定位于細胞核周邊與核小體周圍，為細胞核提供結構支撐。染色質組蛋白修飾狀態會影響細胞核硬度，使用組蛋白去乙酰化酶抑制劑，如丙酮酸、曲古抑菌素A或組蛋白甲基轉移酶抑制劑改變組蛋白修飾狀態，可增加常染色質或減少異染色質，使細胞核變軟[30]。最近研究發現，對細胞表面施加壓應力會導致瞬時的染色質變形，引起組蛋白甲基化狀態改變，并迅速影響基因的轉錄[31]。此外，核內染色質液—液相分離現象可能有助于核的力學信號傳導。核小體和異染色質表現出類似固體蛋白凝聚體的性質，因此在染色質密度低的區域如核孔復合物或核內部，染色質可能通過發生液—液相分離從而抑制蛋白質凝集物的形成，并使染色質向外膨脹以抵抗異染色質凝集物向內的收縮力[32]。
2.3 細胞核形變的其他調控因素
除細胞骨架、核骨架及其連接體以外，細胞體積和核體積之間的比例調整也與細胞核形變密切相關。細胞核體積由核內染色質及液體向外的膨脹力與核纖層向內的收縮力平衡所決定。細胞核中染色質組織結構、DNA含量變化與胞質內的大分子膠體滲透壓差共同參與細胞核體積調控。細胞處于低黏附狀態時核體積減小，核表面起皺；而處于高黏附狀態時，細胞核需要利用“內壓”膨脹使核膜不會在增強的肌動蛋白和微管作用下屈曲。當細胞從二維貼壁生長轉變為三維懸浮生長時，肌動蛋白應力纖維轉換為肌動蛋白皮層，不再包裹細胞核，核體積隨之變小，核外的滲透壓變大，核膜通過產生表面褶皺來應對增加的滲透壓[2]。
3 細胞核形變與腫瘤
長期以來，病理學家通過檢測惡變組織中細胞核結構變化，將核形態異常、核膜不規則或染色質分布的改變作為腫瘤鑒別、診斷的依據。盡管此類細胞核特征的病理分析可根據靜態圖像來判斷腫瘤良/惡性、分期等疾病狀況，但無法評估腫瘤細胞侵襲和轉移等動態特性，直到一些針對乳腺癌等腫瘤細胞的動態核變形性研究揭示了細胞核形變特性與腫瘤惡性進展之間的規律，即具有高轉移性和侵襲性的腫瘤細胞會表現出較強的核變形性[33]。因此，研究腫瘤細胞核的形變特性與規律對于臨床預測腫瘤轉移潛能、開展輔助治療和制定手術策略具有重要意義。
細胞核的形變特性與腫瘤微環境和細胞轉移特性相關。腫瘤細胞在侵入組織、經血管內滲、細胞外滲以轉移遠離原發部位時，需要穿過細胞間、細胞外基質或基底膜間孔徑大小約1～20 μm的微小間隙。因此，腫瘤細胞遷移要求細胞核需要經歷適應性變形以通過受限空間。細胞核的形變過程通常是通過自主改變其物理性質來實現的，如乳腺癌細胞、肺癌細胞和黑色素瘤細胞在遷移過程中細胞核會發生軟化變形，以穿過小于核直徑的內皮細胞間隙。Antmen等[34]通過分析具有4 μm間隙微柱陣列上具不同侵襲能力的人正常乳腺上皮細胞MCF-10、人乳腺癌細胞株MCF-7和MDA-MB-231遷移過程中細胞核變形情況，發現核形變程度與細胞惡性程度及遷移能力呈正相關，而與核纖層蛋白A/C和Nesprin基因表達水平呈負相關。腫瘤微環境剛度可以通過影響細胞核結構調節腫瘤細胞表型。相較之下，硬基質中細胞的細胞核褶皺更多，核纖層蛋白及其相關染色質水平增加，染色質開放性增加，從而增強轉錄因子SP1與DNA的結合，誘導乳腺上皮細胞致瘤表型[35]。
細胞核組分的物理性質也與細胞核形變密切相關。作為細胞核骨架中提供形狀支撐的重要組分，核纖層蛋白A的過表達會導致黑色素瘤細胞核形變能力降低、細胞核硬化，從而降低腫瘤細胞侵襲能力[36]。除了細胞核膜結構提供的物理支撐作用外，染色質也可通過核糖體組蛋白修飾情況影響DNA的濃縮程度從而參與細胞核力學性質的調節。乳腺癌細胞中，高遷移率族蛋白A1（high mobility group-proteinA1，HMGA1）與組蛋白1（histone 1，H1）競爭性結合DNA，促染色質去凝集，從而影響細胞核剛度。此外，HMGA1可與非編碼RNA結合，增強H1磷酸化相關染色質的募集以降低H1對DNA親和力，促進染色質去凝集并使核軟化，從而提高核形變與侵襲潛力[37]。
細胞質成分是細胞核形態調節的重要動力。肌球蛋白II提供的收縮力是細胞核形變的主要動力。細胞核移位和變形過程中，肌動球蛋白的收縮力通過肌動蛋白纖維推/拉細胞核引起核的壓縮或拉伸，是細胞核形狀的主要決定因素。限制性遷移過程中，細胞通過肌動蛋白相關蛋白2/3復合體（actin-related protein 2/3 complex，Arp2/3）調控核周肌動蛋白網絡以聚集在收縮部位周圍，并通過對細胞核施加橫向推力來改變細胞核形態，保護細胞核及其內的遺傳物質[16、18]。此外，腫瘤細胞形變遷移時，肌動蛋白和LINC復合物的耦合狀態也決定了細胞會以核變形為前提的收縮遷移方式通過狹窄縫隙。骨肉瘤細胞中，利用聚乳酸微柱陣列模擬細胞核形變過程，發現引起核形變的收縮力主要由肌球蛋白II提供；降低Nesprin 2蛋白表達或破壞LINC復合物會降低核形變程度，增加細胞核穿越狹窄間隙的時間，然而核纖層蛋白A/C表達水平不影響核形變[38]。
反過來，細胞核力學性能的變化也會影響整體的細胞骨架力學。使用曲古抑菌素A降低乳腺癌細胞核剛度后，細胞在較高剛度細胞外基質上展現出較高的侵襲能力。隨著曲古抑菌素A引起的細胞核變軟，首先細胞骨架剛度增加為細胞核提供支撐，隨后細胞核自身逐漸變硬，形成新的平衡。進一步，在曲古抑菌素A誘導細胞核軟化后，使用肌動蛋白聚合抑制劑紅海海綿素A阻止新的細胞骨架形成，可以保持細胞核持續處于較軟狀態[39]。以上現象表明，在參與調節細胞核力學性能的同時，細胞骨架本身也受到細胞核力學性能的調控。總之，細胞自身力學性質（核力學和細胞骨架力學）與細胞外微環境共同調節腫瘤細胞核形態、形變能力，并且與腫瘤細胞運動、侵襲密切相關。細胞自身力學性質則由核力學特性與細胞骨架特性互作協調調控。
4 結語
細胞核的形態結構、力學性能與位置等物理特性受到細胞質與細胞核內結構中多種組分的調控，在多種細胞行為過程中表現出動態特征的重構，幫助細胞完成分裂、分化或遷移等重要細胞功能。本文對近期實驗與臨床證據所支撐的細胞核形變與其力學信號轉導調控機制研究進行了總結。特別是在腫瘤中，病變細胞核的力學性質和形態均發生了特征性的改變，并可能通過對核內遺傳物質的調節，調控基因表達從而影響腫瘤細胞行為。由此可見，腫瘤發生發展過程中除了生化因素的影響，也存在諸多復雜的微觀或介觀的力學因素，力學—生物學相互耦合，相互影響，共同決定著腫瘤動態演進過程。然而目前研究中仍存在較多難點與挑戰：例如，如何體外還原真實的腫瘤微環境，定量化研究單一力學因素對腫瘤發生發展過程中核形變的影響；如何全局觀測機械力影響染色質—核膜—細胞骨架力學轉導以響應核形變；如何在分子層面上觀察和分析力學因素及力學—生物學耦合關系對核形變的影響等。綜上，針對細胞核形變的力學調控效應進行干預、探索細胞核生物力學調控機制，可能為腫瘤等疾病篩選關鍵致病因素及其調控靶點，提供基于生物力學的診療疾病的新手段。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：嚴然為綜述主要撰寫人，完成相關文獻資料的收集和分析及論文稿件的寫作；陳祥燕、張譯兮、王夢參與文獻資料的分析、整理及論文修改；李順參與論文的設計、核改與指導；劉貽堯參與論文的指導與審校。
0 引言
機械刺激與響應在細胞、組織、器官、整體等多尺度水平的生物學行為調控中扮演著重要角色，如微觀水平的細胞鋪展、遷移、增殖、分化等行為，介觀、宏觀水平的胚胎發育、組織形成、疾病發展等進程都涉及到機械刺激與響應[1]。長期以來，人們通常認為細胞對機械刺激的響應方式是通過激活一系列由外及內或由內及外的機械轉導行為，并進一步調節基因表達水平來實現相應的功能或行為調節。直到20世紀90年代，人們逐漸認識到施加于細胞上的外源性力學作用可以導致細胞核形變，從而提出作用于細胞核的機械力可以直接調節基因表達的假說。
細胞是生物行為的基本單位，其中的細胞核作為最大和最堅硬的細胞器，是細胞的力學特性的重要提供者和力學刺激的直接響應者。細胞核在受到細胞內或外部力學刺激后，會通過改變核的形態結構等方式保護遺傳物質的完整性與適應新環境[2]。近期研究發現，作用于細胞邊界和細胞骨架的機械力可以在短時間內引起細胞核形變并影響染色質組織，誘導染色質結構改變以調控基因表達，通過轉錄、翻譯及翻譯后調控影響細胞表型和生物學行為，以應答力學刺激[3]。然而，細胞核如何感知與響應力學刺激，進而調節細胞關鍵功能的具體機制仍不清晰。目前核形態調控觀點認為，微環境與細胞核物理耦合的染色質—核膜—細胞骨架是一個整體的力學單位，是力學信號轉導調控基因表達所必需的機械元件。力學信號轉導紊亂的最直觀表現是核形態的異常，在某些情況下核形態變化可能比疾病的其他生物特征出現得更早、更顯著。因此，細胞核的形態異常也在臨床被廣泛地用作一種疾病診斷工具[4]，但其潛在機制尚不清楚，細胞核力學特性的相關變化仍未得到充分研究。近年來，力學刺激引起的細胞核形變所導致的生物效應和調控機制受到越來越多的關注，本文綜合近年文獻報道，闡述并深入探討細胞核形變的動力學及其在腫瘤進程中的調節作用，嘗試為以力學生物學為基礎的機制研究和臨床決策提供新的思路和方案。
1 生理和病理過程中的細胞核形變與作用
真核細胞中，細胞核在細胞分裂、分化或遷移等不同生物學過程中，展現出與細胞功能和狀態密切相關的形態特征與位置特征，這些形態與位置特征通常由其所受到的外力作用與其自身的力學性能決定。一方面，精確調控的細胞骨架網絡將細胞核與細胞其他組分連接起來，為細胞核提供了力學信號轉導的通道。另一方面，細胞核的力學性質由多因素共同決定，除了聯系細胞膜—核膜的細胞骨架網絡外，還與核纖層（nuclear lamina）網絡的組成與完整性、染色質中DNA的結構與狀態有關。其中，染色質是一個熵增的體系，其向核膜施加一個向外膨脹的壓力，組蛋白的翻譯后修飾可以通過促進染色質濃縮來平衡這個壓力，并可以通過不同種類的修飾（如甲基化、乙酰化等）將DNA重構為不同的開放或者濃縮區域，其中某些濃縮區域可以通過一些連接蛋白與核纖層蛋白（nuclear lamins）連接定位到核內膜上。因此，核膜和細胞骨架的協同調節與染色質的濃縮程度共同決定了細胞核的形態結構和其物理性質[5]。
1.1 發育、增殖和衰老過程中的細胞核形變
細胞核除行使遺傳作用外，在組織發育或生理、病理進程的特定時期，其可通過調整其內部結構和多動態成分的力學性能在多時間尺度上適應所受到力的擾動，并協調細胞形狀、黏附和細胞骨架結構的變化來調控細胞周期、分化、炎癥等不同細胞行為[1-2]。
細胞核形變介導炎癥與免疫反應。在胚胎細胞、免疫細胞和腫瘤細胞中，核膜的拉伸可以引起胞漿型磷脂酶A2（cytoplasmic phospholipase A2，cPLA2）轉移至核膜并刺激釋放花生四烯酸（arachidonic acid，AA），導致核內鈣離子（Ca2+）外流以啟動細胞起泡和運動[6-7]。斑馬魚組織損傷模型中也發現了核膜拉伸作為力學激活信號，可以在核周肌動蛋白網絡與核纖層蛋白A/C的協同調節下，促進cPLA2和5脂加氧酶（5-lipoxygenase，5-LOX）將組織受損后的核腫脹轉化為促炎的二十烷酸信號，以快速吸引免疫細胞，啟動傷口的免疫趨化作用[8]。
細胞核形變參與細胞周期調控。Aureille等[9]發現在人宮頸癌細胞HeLa的增殖周期中，G1/S期轉化以核膜的扁平化為特征，肌球蛋白II（Myosin II）依賴的收縮力是該細胞周期轉換的動力。抑制肌球蛋白II后，細胞核形態變圓，細胞G1/S期轉化被阻礙。然而，向細胞核施加的外源壓縮力可以引起相似的細胞核扁平化，并激活轉錄增強相關結構域（transcriptional enhanced associate domain，TEAD）和激活蛋白1（activator protein 1，AP1）等轉錄因子，恢復因肌球蛋白II抑制而停滯的G1/S期轉化。該研究提示肌球蛋白II或外力引起的核形變才是細胞周期轉換調控的重要因素，而非收縮力本身。細胞核膜張力與轉錄因子的核、質穿梭密切相關，較大的張力可以使位于核膜上的核孔打開，促進轉錄因子進入細胞核。上皮樣細胞培養在較硬的三維基質中時，細胞核膜張力的變化可以促進轉錄因子Yes相關蛋白（yes-associated protein，YAP）進入細胞核，并結合轉錄因子TEAD以調控機械信號依賴的S期激酶關聯蛋白2（s-phase kinase-associated protein 2，Skp2）轉錄，促進細胞進入G0期。
細胞核形變除了通過影響重要轉錄因子入核或活性等方式參與基因表達調控之外，影響表觀遺傳也是其參與細胞表型與生物學行為的重要手段。Song等[3]發現將成纖維細胞限制在微流體通道內可以引起細胞核毫秒級變形、起皺和核纖層蛋白A/C崩解，染色質中核纖層蛋白相關結構域（lamin-associated domains，LADs）從核膜解離、組蛋白H3賴氨酸9三甲基化（histone 3 lysine 9 trimethylation，H3K9me3）減少與DNA甲基化，最終導致細胞重編程，成纖維細胞向神經元細胞轉化。此外，Seelbinder等[10]研究發現細胞外基質（extracellular matrix，ECM）的硬度可通過調控細胞核形變介導的染色質H3K9me3的核內位置重構，以調節心肌細胞去分化過程，并影響分化后功能。細胞核的形態結構由其內部的染色質組分提供向外的膨脹與由細胞核骨架（核纖層蛋白等）和細胞骨架（肌動蛋白等）提供的支撐共同決定。在受到外界力學刺激并可能造成遺傳物質損傷時，染色質組分會通過“軟化”等調節方式保護細胞核不致破壞[2]。在保護遺傳物質完整性的同時，細胞核形變也可以實現對細胞分化的調節。例如，小鼠胚胎干細胞為避免喪失分化潛能，會維持染色質去凝集狀態以軟化細胞核。此外，核纖層蛋白的類型和含量可調節干細胞分化潛能，未分化的小鼠和人胚胎干細胞中只表達核纖層蛋白B，當細胞核內核纖層蛋白由B型轉化為A/C型則預示著小鼠和人胚胎干細胞全能性的喪失與分化的開始，且在間充質干細胞中敲低或過表達核纖層蛋白A/C對其成脂或成骨分化有促進作用[11]。
組織中存在的衰老細胞，其也可通過細胞骨架—核骨架的力學信號傳導影響細胞惡性轉化進程，調控細胞功能。Aifuwa等[12]研究發現，培養在含有衰老相關分泌表型因子（senescence-associated secretory phenotype，SASP）的條件培養基中的人乳腺癌導管細胞T47D，其核分葉增加、核體積收縮、染色質凝結。這一改變主要源于皮質張力喪失及核纖層蛋白A/C水平的降低，導致細胞收縮力、粘連性和力學順應性降低并且抑制了細胞形態調節、運動和增殖相關基因表達。SASP所誘發細胞質與核膜力學信號轉導異常，會促進細胞惡性轉化級聯效應的發生，推進腫瘤進程。
1.2 運動中的核形變
細胞在體內環境中的遷移或侵入需要通過不同的屏障，由于細胞核是細胞結構中最硬的細胞器且具有相當的體積，故而成為了該跨屏障運動中最主要的限制。細胞為了克服這些障礙，主要采用兩種策略來實現跨屏障運動：其一，動態調節細胞核自身的特性包括改變其形狀，降低核硬度，提高柔韌性，做出相應的變形來適應運動。如白細胞自我調控核硬度和核形態，使得遷移中的細胞核位于轉移前沿，可感受細胞外基質的力學特性，幫助其選擇遷移路徑[13]。其二，調節細胞外基質以增加孔隙的大小，如腫瘤細胞能分泌蛋白降解酶類，通過降解細胞外基質成分，形成局部溶解區，構成或擴大轉移通道。
細胞核是細胞“本體感覺”的中心樞紐，細胞形狀變化可通過細胞核轉化為調節細胞行為的生理信號。Venturini等[14]研究發現，胚泡階段斑馬魚胚胎中分離的原代祖細胞在高度方向受到擠壓時，細胞通過核膜拉伸和內核膜伸展，增加花生四烯酸代謝產物，增加皮質肌球蛋白II水平與活性，增強細胞快速收縮力和遷移能力，使細胞從狹窄擁擠的空間中擠出。此外，調節細胞核位于細胞中的特定空間位置，也可幫助細胞核針對不同類型的細胞形變調節鈣離子信號，以適應不同生態位的變形。類似的，有研究將人宮頸癌細胞HeLa培養于微通道中，高度的限制促進了肌球蛋白II從胞質快速募集到細胞皮層，抑制Ras同源蛋白（ras homologous protein，Rho）/Rho激酶（rho-associated kinase，ROCK）信號通路，刺激細胞的軸向收縮。去除高度限制后，肌球蛋白II則快速重定位至胞質，這表明單個細胞可感知細胞體不同高度的變化，并在達到一定高度閾值時觸發持續但可逆的主動收縮反應[6]。
細胞遷移過程中的細胞核變形必須與細胞骨架動力學相協調。核－細胞骨架耦合是細胞核變形和細胞運動所必需，對遷移過程中的細胞極化至關重要。例如，與細胞二維遷移相反，三維遷移過程中，核纖層蛋白A/C的表達與細胞遷移效率呈負相關，這可能是由于核纖層蛋白A/C具有更硬的絲狀網絡并為細胞核提供剛性支撐有關[15]。不同于核纖層蛋白A/C，核纖層蛋白B1與各種類型腫瘤的形成和進展呈正相關，但核纖層蛋白B1促腫瘤遷移的分子機制尚不明確。Fracchia等[16]研究發現，過表達核纖層蛋白B1可阻止細胞核周外肌動蛋白網絡的形成，并可通過抑制核膜與肌動蛋白骨架的連接來加速細胞遷移。
對于腫瘤細胞，腫瘤轉移期間其必須發生變形以穿過血管內皮細胞間的狹窄縫隙，細胞核硬度也是細胞跨內皮遷移的重要決定因素。有研究顯示，人乳腺癌細胞MDA-MB-231、人肺腺癌細胞A549和人惡性黑色素瘤細胞A375在經內皮細胞遷移過程中會出現細胞核軟化現象[17]。腫瘤細胞進入循環系統后成為循環腫瘤細胞亞群（circulating tumor cells，CTCs），會承受血流剪切應力并大量凋亡，Xu等[18]研究發現剪切應力促進人乳腺癌細胞株SK-BR-3和MCF-7中組蛋白乙酰轉移酶（histone acetyltransferase，HAT）活性和組蛋白乙酰化，從而介導懸浮腫瘤細胞的核擴張，促CTCs凋亡。
此外，跨屏障運動中的細胞核形變還可能帶來細胞遺傳性狀的改變。細胞在遷移通過較小孔隙時，即使在核膜沒有破裂的情況下，核形變也足以引起DNA損傷。Shah等[19]發現在人乳腺癌細胞MDA-MB-231、人乳腺管癌細胞BT-549中核形變引起的DNA損傷與核膜破裂后核—質分子交換所導致的DNA損傷不同。核膜非破裂時，核變形通過改變DNA構象，使得DNA復制叉失速和復制應力增加，引起S/G2階段的DNA損傷，這種機械誘導的DNA損傷不僅可以增加轉移性腫瘤細胞的基因組不穩定性，還可以在非遷移細胞中引起DNA損傷和腫瘤發生。
2 核形變相關的細胞元件
作用于細胞核上的機械力主要來自于細胞骨架，核膜與細胞骨架建立物理連接，以傳遞力學信號到細胞核。細胞核的力學性能由構成核結構的各種組分共同調節，賦予了細胞核可通過最小程度變形來保持核形狀和核完整性的能力。因此，細胞核形態結構由細胞核自身的力學性能與細胞骨架蛋白網絡轉導的力之間的平衡所決定，如圖1所示。
圖1
核機械變形過程中力學調控相關的細胞元件
Figure1.
Cellular components implicated in the mechanical regulation of nuclear deformation
2.1 細胞質機械敏感組份
2.1.1 肌動球蛋白
細胞外基質通過激活細胞膜上的整合素，與肌動蛋白微絲相連接。肌動蛋白與肌球蛋白II交聯組成肌動球蛋白（actomyosin）骨架絲束，并產生牽引力以響應機械力的變化，從而調控細胞黏附、運動等功能。
肌動球蛋白收縮使得橫跨細胞核的肌動球蛋白骨架產生張力，張力的變化可引起以核膜褶皺或扁平擴張為特征的核變形。肌動球蛋白骨架通過核骨架—細胞骨架連接體（linker of nucleoskeleton and cytoskeleton，LINC）復合物和核骨架與核內DNA相連，是核機械轉導的物理基礎。極化的貼壁細胞（如成纖維細胞）中，位于細胞核頂端、貫穿細胞極性方向的肌動球蛋白纖維依靠LINC復合物與細胞核相連，會對細胞核產生垂直方向的壓力，使細胞核呈扁平的橢球體。這種細胞核形態的可調性，對于細胞運動，特別是一些狹窄環境中的運動提供了重要的策略。有研究發現，改變細胞骨架對細胞核施加側向壓力，也可以使得細胞核出現拉長或扁平的形態。細胞通過狹窄孔隙遷移的過程中，細胞核“感受”并變形為“沙漏”樣通過孔隙，一旦細胞通過窄隙后鋪展，應力纖維又恢復排布到細胞核頂端使核扁平[2]。此外，肌動球蛋白通過調節細胞核形態對細胞穿過狹窄孔隙運動的影響并非一定是增強的。肌動球蛋白收縮力的增強會增加細胞質靜水壓力，導致細胞質內容物流入細胞核，引起細胞核體積膨脹和泡變，反過來阻礙細胞運動。
2.1.2 微管
微管（microtubule）與肌動蛋白纖維共同參與細胞核長、短軸的變形，協同調節細胞核受限遷移中的核各向異性。單層上皮細胞的短期雙軸拉伸實驗中發現，微管抗長軸變形，而肌動蛋白抗短軸變形。微管和肌動蛋白網絡也被認為可以調節細胞體積，從而動態改變核形態。Bone等[20]發現秀麗隱桿線蟲皮下p細胞遷移時，細胞利用核纖層蛋白A/C網絡的重組調整細胞核形狀，通過招募驅動蛋白和動力蛋白來增強LINC復合物的力傳導作用，促肌動蛋白和微管幫助收縮擠壓細胞核，最終拉動細胞核沿微管移動以通過狹窄間隙。
2.1.3 中間絲
除微絲與微管外，中間絲也是胞質內調節細胞和細胞核變形性的重要結構。中間絲環繞細胞核形成一個籠狀網絡，在細胞鋪展的早期階段或當細胞在較軟基質上生長時最為明顯，被作為上皮—間充質轉化的標記，與多種癌癥的進展相關[21]。波形蛋白中間絲可通過核膜血影重復蛋白3（nuclear envelope spectrin repeat protein 3，Nesprin 3）與外核膜建立間接物理連接，Pogoda等[22]研究表明波形蛋白中間絲通過對局域力提供剛性、彈性響應以維持核穩態。波形蛋白中間絲是三種細胞骨架聚合物中硬度最低但具有彈性的聚合物。與肌動蛋白或微管不同，波形蛋白中間絲在大應變下變硬，能夠承受極端變形而不發生斷裂。缺失波形蛋白中間絲的小鼠胚胎成纖維細胞中，細胞核更圓，核泡和DNA雙鏈斷裂灶增多，皮質剛度和肌動蛋白纖維牽引力變小。因此波形蛋白中間絲可能為細胞核提供了一種保護結構以抵抗極端變形。此外，波形蛋白中間絲還可與肌動蛋白相互協同以維持三維遷移過程中細胞核的結構完整性。
2.1.4 核骨架—細胞骨架連接體復合物
LINC復合物作為介導細胞質骨架與細胞核骨架連接的跨膜蛋白復合體，可通過傳導力學信號影響細胞核形狀。LINC復合物由定位于外核膜的核膜血影重復蛋白（nuclear envelope spectrin repeat protein，Nesprin）家族通過其C-末端的KASH（Klarsicht/ANC-1/Syne homology）結構域與位于內核膜上的SUN（Sad-1/UNC-84）結構域家族蛋白結合。哺乳動物有Nesprin 1～4和KASH 5在內的五種KASH結構域蛋白。其中，Nesprin 1、Nesprin 2與肌動蛋白纖維結合，并通過驅動蛋白和動力蛋白與微管結合；Nesprin 3通過網格蛋白（plectin）與中間絲結合； Nesprin 4則存在于極化的上皮細胞中。LINC復合物通過SUN結構域與內核膜蛋白Emerin結合能增強肌動蛋白纖維聚合[23]。因此，當細胞在穿過狹窄孔隙時，LINC復合物聚集在細胞核前端增強拉力，以幫助變形的細胞核快速通過。此外，由于LINC復合物平衡了部分細胞骨架施加在核外膜的拉力，它還可通過影響核內核纖層蛋白A調節細胞核硬度，以維持核結構穩定。
2.2 細胞核內的機械敏感組分
2.2.1 核纖層蛋白
核纖層蛋白是一種位于核膜內表面的結構蛋白，其聚集形成長300～400 nm、厚約3.5 nm的非極性絲，并可編織成約14～30 nm厚的致密纖維狀網絡。核纖層蛋白由A型和B型組成，可以通過改變其分子組成與構象來調節細胞核力學性質，并對張力做出動態響應。有研究顯示，核纖層蛋白在腫瘤細胞核中不均勻的空間分布，可能會導致核表面形成“斑塊狀”的機械性質分布差異，在細胞核受到機械刺激后其響應的差別導致異常的核變形現象[24]。核纖層蛋白對細胞核機械性質的調節與細胞運動行為密切相關。通常核纖層蛋白A/C的高表達使細胞核變硬，會阻礙三維環境中細胞核穿過狹窄縫隙[25-26]；但也有研究發現過低的核纖層蛋白A/C可能會降低細胞核表面張力，導致核與障礙物糾纏，細胞難以遷移[27]。另一方面，編碼核纖層蛋白A/C的基因突變可導致以核形態異常為特征的，涉及肌肉、脂肪、骨骼、神經和皮膚細胞的肌營養不良、早期衰老綜合征等核纖層蛋白病。
2.2.2 核膜
核膜由內核膜和外核膜兩部分同心脂質雙分子膜構成。內核膜與內質網相連，因核膜在低張力下是褶皺或折疊的，所以核變形時可利用內質網的脂質來擴增核表面積以適應變形。核膜的拉伸可激活內質網上的力敏感離子通道，如機械激活性離子通道Piezo 1蛋白和肌醇三磷酸受體，提升鈣離子核內濃度，對核膜張力或曲率的變化做出反應。內核膜含有與核纖層蛋白和染色質相互作用的適配器蛋白，如具有力學敏感性的Emerin，可通過改變其磷酸化狀態和核膜定位來響應力學刺激。核變形過程中，嵌合在細胞核膜上的核孔復合體可通過增大孔徑來響應膜張力的升高，增大的核孔可以調節轉錄因子的核輸入來調節基因表達與細胞功能[28-29]。
2.2.3 染色質
核內的染色質本身具有的粘彈性也有助于細胞核變形以響應力學刺激。染色質據其緊實程度、轉錄活性和組蛋白修飾類型，可分為轉錄活性強的常染色質與轉錄活性弱且包裝更緊密的異染色質。其中異染色質傾向定位于細胞核周邊與核小體周圍，為細胞核提供結構支撐。染色質組蛋白修飾狀態會影響細胞核硬度，使用組蛋白去乙酰化酶抑制劑，如丙酮酸、曲古抑菌素A或組蛋白甲基轉移酶抑制劑改變組蛋白修飾狀態，可增加常染色質或減少異染色質，使細胞核變軟[30]。最近研究發現，對細胞表面施加壓應力會導致瞬時的染色質變形，引起組蛋白甲基化狀態改變，并迅速影響基因的轉錄[31]。此外，核內染色質液—液相分離現象可能有助于核的力學信號傳導。核小體和異染色質表現出類似固體蛋白凝聚體的性質，因此在染色質密度低的區域如核孔復合物或核內部，染色質可能通過發生液—液相分離從而抑制蛋白質凝集物的形成，并使染色質向外膨脹以抵抗異染色質凝集物向內的收縮力[32]。
2.3 細胞核形變的其他調控因素
除細胞骨架、核骨架及其連接體以外，細胞體積和核體積之間的比例調整也與細胞核形變密切相關。細胞核體積由核內染色質及液體向外的膨脹力與核纖層向內的收縮力平衡所決定。細胞核中染色質組織結構、DNA含量變化與胞質內的大分子膠體滲透壓差共同參與細胞核體積調控。細胞處于低黏附狀態時核體積減小，核表面起皺；而處于高黏附狀態時，細胞核需要利用“內壓”膨脹使核膜不會在增強的肌動蛋白和微管作用下屈曲。當細胞從二維貼壁生長轉變為三維懸浮生長時，肌動蛋白應力纖維轉換為肌動蛋白皮層，不再包裹細胞核，核體積隨之變小，核外的滲透壓變大，核膜通過產生表面褶皺來應對增加的滲透壓[2]。
3 細胞核形變與腫瘤
長期以來，病理學家通過檢測惡變組織中細胞核結構變化，將核形態異常、核膜不規則或染色質分布的改變作為腫瘤鑒別、診斷的依據。盡管此類細胞核特征的病理分析可根據靜態圖像來判斷腫瘤良/惡性、分期等疾病狀況，但無法評估腫瘤細胞侵襲和轉移等動態特性，直到一些針對乳腺癌等腫瘤細胞的動態核變形性研究揭示了細胞核形變特性與腫瘤惡性進展之間的規律，即具有高轉移性和侵襲性的腫瘤細胞會表現出較強的核變形性[33]。因此，研究腫瘤細胞核的形變特性與規律對于臨床預測腫瘤轉移潛能、開展輔助治療和制定手術策略具有重要意義。
細胞核的形變特性與腫瘤微環境和細胞轉移特性相關。腫瘤細胞在侵入組織、經血管內滲、細胞外滲以轉移遠離原發部位時，需要穿過細胞間、細胞外基質或基底膜間孔徑大小約1～20 μm的微小間隙。因此，腫瘤細胞遷移要求細胞核需要經歷適應性變形以通過受限空間。細胞核的形變過程通常是通過自主改變其物理性質來實現的，如乳腺癌細胞、肺癌細胞和黑色素瘤細胞在遷移過程中細胞核會發生軟化變形，以穿過小于核直徑的內皮細胞間隙。Antmen等[34]通過分析具有4 μm間隙微柱陣列上具不同侵襲能力的人正常乳腺上皮細胞MCF-10、人乳腺癌細胞株MCF-7和MDA-MB-231遷移過程中細胞核變形情況，發現核形變程度與細胞惡性程度及遷移能力呈正相關，而與核纖層蛋白A/C和Nesprin基因表達水平呈負相關。腫瘤微環境剛度可以通過影響細胞核結構調節腫瘤細胞表型。相較之下，硬基質中細胞的細胞核褶皺更多，核纖層蛋白及其相關染色質水平增加，染色質開放性增加，從而增強轉錄因子SP1與DNA的結合，誘導乳腺上皮細胞致瘤表型[35]。
細胞核組分的物理性質也與細胞核形變密切相關。作為細胞核骨架中提供形狀支撐的重要組分，核纖層蛋白A的過表達會導致黑色素瘤細胞核形變能力降低、細胞核硬化，從而降低腫瘤細胞侵襲能力[36]。除了細胞核膜結構提供的物理支撐作用外，染色質也可通過核糖體組蛋白修飾情況影響DNA的濃縮程度從而參與細胞核力學性質的調節。乳腺癌細胞中，高遷移率族蛋白A1（high mobility group-proteinA1，HMGA1）與組蛋白1（histone 1，H1）競爭性結合DNA，促染色質去凝集，從而影響細胞核剛度。此外，HMGA1可與非編碼RNA結合，增強H1磷酸化相關染色質的募集以降低H1對DNA親和力，促進染色質去凝集并使核軟化，從而提高核形變與侵襲潛力[37]。
細胞質成分是細胞核形態調節的重要動力。肌球蛋白II提供的收縮力是細胞核形變的主要動力。細胞核移位和變形過程中，肌動球蛋白的收縮力通過肌動蛋白纖維推/拉細胞核引起核的壓縮或拉伸，是細胞核形狀的主要決定因素。限制性遷移過程中，細胞通過肌動蛋白相關蛋白2/3復合體（actin-related protein 2/3 complex，Arp2/3）調控核周肌動蛋白網絡以聚集在收縮部位周圍，并通過對細胞核施加橫向推力來改變細胞核形態，保護細胞核及其內的遺傳物質[16、18]。此外，腫瘤細胞形變遷移時，肌動蛋白和LINC復合物的耦合狀態也決定了細胞會以核變形為前提的收縮遷移方式通過狹窄縫隙。骨肉瘤細胞中，利用聚乳酸微柱陣列模擬細胞核形變過程，發現引起核形變的收縮力主要由肌球蛋白II提供；降低Nesprin 2蛋白表達或破壞LINC復合物會降低核形變程度，增加細胞核穿越狹窄間隙的時間，然而核纖層蛋白A/C表達水平不影響核形變[38]。
反過來，細胞核力學性能的變化也會影響整體的細胞骨架力學。使用曲古抑菌素A降低乳腺癌細胞核剛度后，細胞在較高剛度細胞外基質上展現出較高的侵襲能力。隨著曲古抑菌素A引起的細胞核變軟，首先細胞骨架剛度增加為細胞核提供支撐，隨后細胞核自身逐漸變硬，形成新的平衡。進一步，在曲古抑菌素A誘導細胞核軟化后，使用肌動蛋白聚合抑制劑紅海海綿素A阻止新的細胞骨架形成，可以保持細胞核持續處于較軟狀態[39]。以上現象表明，在參與調節細胞核力學性能的同時，細胞骨架本身也受到細胞核力學性能的調控。總之，細胞自身力學性質（核力學和細胞骨架力學）與細胞外微環境共同調節腫瘤細胞核形態、形變能力，并且與腫瘤細胞運動、侵襲密切相關。細胞自身力學性質則由核力學特性與細胞骨架特性互作協調調控。
4 結語
細胞核的形態結構、力學性能與位置等物理特性受到細胞質與細胞核內結構中多種組分的調控，在多種細胞行為過程中表現出動態特征的重構，幫助細胞完成分裂、分化或遷移等重要細胞功能。本文對近期實驗與臨床證據所支撐的細胞核形變與其力學信號轉導調控機制研究進行了總結。特別是在腫瘤中，病變細胞核的力學性質和形態均發生了特征性的改變，并可能通過對核內遺傳物質的調節，調控基因表達從而影響腫瘤細胞行為。由此可見，腫瘤發生發展過程中除了生化因素的影響，也存在諸多復雜的微觀或介觀的力學因素，力學—生物學相互耦合，相互影響，共同決定著腫瘤動態演進過程。然而目前研究中仍存在較多難點與挑戰：例如，如何體外還原真實的腫瘤微環境，定量化研究單一力學因素對腫瘤發生發展過程中核形變的影響；如何全局觀測機械力影響染色質—核膜—細胞骨架力學轉導以響應核形變；如何在分子層面上觀察和分析力學因素及力學—生物學耦合關系對核形變的影響等。綜上，針對細胞核形變的力學調控效應進行干預、探索細胞核生物力學調控機制，可能為腫瘤等疾病篩選關鍵致病因素及其調控靶點，提供基于生物力學的診療疾病的新手段。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：嚴然為綜述主要撰寫人，完成相關文獻資料的收集和分析及論文稿件的寫作；陳祥燕、張譯兮、王夢參與文獻資料的分析、整理及論文修改；李順參與論文的設計、核改與指導；劉貽堯參與論文的指導與審校。
