研究亮点
• 微环境细胞在神经发育过程中对干细胞施加机械力
• 免疫球蛋白超家族细胞粘附分子复合物充当微环境和干细胞之间的机械调控器
• 微环境中的机械不平衡影响干细胞增殖和DNA完整性
• 干细胞通过核心有丝分裂和核机制整合机械信号
摘要
干细胞增殖驱动组织形成和稳态维持。微环境细胞力学如何在体内控制这一过程仍不清楚。本研究在果蝇中鉴定出一组来自免疫球蛋白超家族的细胞粘附分子三联体，它们将神经干细胞（NSCs）与其胶质微环境物理连接起来。破坏这种连接会增加胶质细胞中的肌动球蛋白激活和拉伸力，反过来导致NSCs中的机械应力。这促进了核纤层蛋白的积累，引起细胞核变形并作为保护反应来保障NSC有丝分裂。然而，这种反应不足，NSCs表现出异常的纺锤体形态和受损的有丝分裂进程。最终，NSC和微环境之间机械相互作用的丧失损害了NSC的增殖潜力和基因组完整性。本研究揭示了微环境细胞力学和免疫球蛋白超家族成员作为机械调控器在控制干细胞增殖中的基本作用。
引言
发育过程中构建功能性器官依赖于组织干细胞增殖的严格调控。虽然主要由内在调控因子驱动，干细胞也整合来自其微环境（即它们所处的特定细胞微环境）的外部线索。微环境最初表现为信号枢纽，在调节干细胞行为方面发挥着关键作用。它也是一个结构支架，富含细胞和分子相互作用，组织成复杂结构并产生机械力。然而，生理微环境中的结构和机械输入如何在体内调节干细胞增殖仍知之甚少。首先，研究主要关注基质刚度和/或上皮干细胞片层内的机械力的影响。其次，大多数研究使用人工微环境中的分离细胞，体内研究有限。因此，在理解各种微环境细胞的内在力学如何有助于干细胞调控，以及实现这一过程的结构因素方面仍存在重大差距。
这一问题在中枢神经系统（CNS）中尤为突出。神经干细胞（NSCs）占据一个特别复杂的微环境结构，其特征是异质细胞类型之间的丰富细胞相互作用——包括NSCs本身、胶质细胞、常驻免疫细胞、血管和细胞外基质成分。例如，NSCs接触血管，血管也被星形胶质细胞终足的网状结构覆盖。多种细胞识别和粘附分子支持这些相互作用，它们的移除会改变神经发生。然而，这是否归因于它们作为信号转导器的作用、结构功能，或两者兼而有之，仍不清楚。尽管微环境结构是一个显著特征，但其对神经发生的影响仍很少被探索。同样，尽管发育中和衰老的CNS中存在广泛的形态发生变化，暗示组织力学的关键作用，但微环境细胞产生和施加的机械力的性质和作用仍知之甚少。
研究团队利用果蝇幼虫CNS研究了这些问题，它提供了一个更简单但相关的细胞微环境范例。果蝇NSCs都来自神经上皮起源，但根据位置、分裂模式和调控而有所不同。I型NSCs在胚胎发生期间出生并填充大脑中央和腹神经索，在幼虫阶段活跃增殖以生成形成大部分成年CNS的神经元。它们存在于一个多层细胞微环境中，包括皮质胶质（CG），这是一种胶质亚型，其信号在多个层面对神经发生至关重要。在幼虫发育过程中，CG逐渐形成围绕NSCs的紧密网格状膜结构，同时跨越CNS形成网络。因此，它们位于NSCs和血管之间，与两者接触，类似于哺乳动物。CG-NSC微环境富含在脊椎动物微环境中发现的保守通信和粘附分子，如钙粘蛋白和间隙连接。NSCs和胶质细胞之间这些紧密、密集和刻板的相互作用提供了一个可行的系统来探究微环境结构和力学在神经发生和组织形成过程中的影响。
通过无偏转录分析方法，研究团队鉴定出一组连接NSC和微环境膜的免疫球蛋白超家族（IgSF）细胞粘附分子三联体，它们作为微环境张力的机械调控器。它们的破坏增加了微环境中的肌动球蛋白激活和皮层张力，导致NSCs中出现有丝分裂和DNA改变。增加的微环境力还驱动NSCs中的核纤层蛋白积累，导致细胞核变形但保护有丝分裂。这些发现强调了微环境力学在干细胞调控中的重要性。
讨论
本研究在体内表明，一组免疫球蛋白超家族细胞粘附分子（IgSF-CAMs）在机械上连接了神经干细胞和微环境膜，通过调节微环境的张力状态来控制干细胞的增殖潜力——这确定了微环境细胞力学是干细胞功能以前未被认识的调节器，而IgSF-CAMs是机械转导的介质。研究还表明，干细胞通过整合核纤层蛋白反应和有丝分裂机制来应对机械应力，但这种保护反应在微环境力学失衡时可能不足。
数据与代码可用性
本研究生成的所有独特/稳定试剂可通过主要联系人获取，需完成材料转让协议。相关数据集已存档于Zenodo平台，包括研究视频1-9、数据集1-3，以及用于3D细胞核量化管道的脚本（YoloMits）。
作者贡献
概念设计：A.S.C.和P.S.；方法学：A.S.C., P.S., L.V.,和Y.B.；调查研究：A.S.C., P.S., D.B., A.K.,和A.B.-L.；数据分析：G.L., E.P., S.R., N.D.L.O.,和J.-Y.T.；文稿撰写：A.S.C.和P.S.；研究监督：P.S.
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