研究简介
细胞体积与硬度的关联：
研究结果表明，细胞在不同基质刚度、细胞扩散面积和外部渗透压变化等众多干扰下，其硬度与体积呈比例关系。细胞体积的减少是由于水分流失，导致细胞内分子拥挤度增加。此外，细胞体积的变化，进而影响细胞硬度，能够改变干细胞的分化路径，这一点不受诱导这些变化的方法影响。
外部渗透压缩下的细胞体积与硬度：
通过添加300-Da的聚乙二醇（PEG 300）控制外部渗透压，测量了细胞体积，并发现随着外部渗透压的增加，细胞体积减小，同时细胞的硬度增加。这种体积减小是由于水分流失，因为当移除外部渗透压时，细胞体积恢复到原始值。细胞在极端渗透压缩下达到最小体积，这反映了细胞内物质的总体积以及任何不参与渗透活性的水所需的水合作用。这种关系与理想气体系统中的排除体积相似，其中压力纯粹是熵的起源。
细胞在更硬基质上的体积减少：
研究还发现，当细胞在更硬的基质上培养时，即使在等渗条件下，它们也会通过水分流失减少细胞体积。这表明，即使没有外部渗透压的变化，细胞体积也可以改变。此外，限制细胞扩散面积会增加细胞体积，表明细胞体积与扩散面积之间存在关系。
细胞体积减少与水分流失：
为了确定等渗条件下细胞体积减少是否由于蛋白质含量变化或水分流失，监测了单个胰酶处理的细胞在硬基质上扩散时的变化。结果显示，随着细胞扩散面积的增加，细胞体积减小，这表明在等渗条件下，细胞体积的减少很可能是通过水分交换控制的。
离子通道和肌动蛋白细胞骨架在细胞体积减少中的作用：
在等渗条件下，细胞扩散期间水分流失的机制必须与渗透压缩期间的水分流失不同。在细胞扩散期间，细胞体积减少是在等渗条件下发生的；要使水分离开细胞，溶质的总量必须改变。由于蛋白质含量保持不变，细胞在硬基质上的溶质减少可能是由于与周围环境的离子交换。在细胞扩散期间，细胞骨架张力增加，这与离子通道活动的增加有关。通过抑制特定离子通道和ATP依赖过程，可以抑制细胞体积的变化，表明细胞体积的减少需要离子通道的活动来改变内部溶质的总量，从而确保渗透压保持平衡。
细胞模量对细胞体积的普遍依赖性：
假设细胞体积变化是观察到的细胞硬度变化的共同描述符。通过将皮质硬度作为细胞体积的函数进行绘制，发现在不同条件下，细胞硬度随着体积的增加而减小。当将所有这些数据绘制在同一个图表上时，它们都重叠，并显示出细胞硬度和细胞体积之间的普遍依赖性。因此，细胞体积变化确实是细胞硬度变化的共同描述符。
细胞核体积与细胞体积的关系：
由于细胞核膜与细胞膜一样，是选择性通透的，允许水分交换，好奇细胞体积的减少是否也扩展到细胞核。通过荧光标记细胞核并使用3D共聚焦显微镜测量其体积，发现细胞核体积与细胞体积成比例变化，这表明随着细胞体积的减小，细胞核也变得更加拥挤，这直接影响了细胞核内的动态。
干细胞命运受细胞体积的影响：
干细胞分化是细胞属性中最重要的属性之一，因此研究了细胞体积对干细胞分化的影响，因为细胞体积与细胞硬度以及其他参数如分子拥挤度内在相关。通过外部施加细胞体积变化，如渗透压缩，导致细胞硬度变化，但不影响扩散面积或基质属性。研究结果表明，通过改变细胞体积，可以影响干细胞向成骨或成脂分化的命运，这表明细胞内和可能的细胞核内拥挤度影响干细胞命运。
干细胞命运与细胞体积的相关性：
在没有强烈的化学线索的情况下，物理属性如基质刚度或外部渗透压会影响干细胞分化。然而，化学信号通常可以覆盖这些物理线索。发现，物理信号可以改变细胞体积，而化学线索在分化过程中是否也改变细胞体积。结果显示，细胞体积与干细胞分化强烈相关。
结论：
本研究确立了细胞体积和分子拥挤度在决定细胞属性，包括细胞硬度和细胞内动态中的关键重要性。与生长和分裂的细胞不同，其中体积变化与细胞内蛋白质和其他物质的增加有关，研究表明细胞体积的变化可以与细胞内水分含量的变化直接相关，而蛋白质和其他物质的水平保持不变。随着基质刚度或细胞扩散面积的增加，细胞通过减少水分含量来响应，从而增加其硬度。虽然肌动蛋白细胞骨架的收缩性对于这种适应至关重要，但细胞骨架本身不能机械地改变细胞体积：细胞骨架产生的压力太弱，无法承受或诱导任何渗透压差异，因为压力在兆帕的顺序上，而渗透压在帕的顺序上。因此，细胞骨架的力量不能将水分从细胞中挤出。相反，细胞骨架的收缩张力最有可能增加离子通道的活性，这反过来影响细胞内水分含量，从而影响细胞体积。研究结果表明，改变蛋白质浓度对细胞生理有重大影响，如细胞体积变化对干细胞分化的影响。细胞内水分含量的变化将改变细胞内分子拥挤度和细胞动态。这无疑会导致许多内部生理过程的显著变化，如蛋白质折叠和结合动力学、结构重排和运输现象以及蛋白质表达模式。此外，类似的效应扩展到细胞核，因为随着细胞体积的减小，细胞核体积也减小。这将改变细胞核内分子拥挤度，可能影响层蛋白浓度，这被认为影响染色质结构、流动性，因此影响转录和基因表达模式。因此，细胞体积和细胞核体积，作为细胞的定义特征，在组织压缩和体内渗透压变化等生理条件下可能会发生变化，从而显著影响众多细胞过程，如信号传导、蛋白质动态甚至干细胞分化。
链接：www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1705179114
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