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，复旦大学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。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。
来源：复旦大学
论文链接：
https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c05883