武漢大學劉鄭、李洪云及張興華共同通訊在Cell 在線發(fā)表題為“DNA-based ForceChrono probes for deciphering single-molecule force dynamics in living cells”的研究論文，該研究開發(fā)了基于DNA的力同步探針來測量活細胞內單分子水平的力大小、持續(xù)時間和加載率。力同步探針通過在動態(tài)細胞環(huán)境中進行直接測量，規(guī)避了體外單分子力光譜的局限性。

    該研究結果表明，整合素力加載速率為0.5-2 pN/s，持續(xù)時間從新生黏附的數(shù)十秒到成熟黏附的約100秒不等。探針的穩(wěn)健和可逆設計允許連續(xù)監(jiān)測這些動態(tài)變化，因為細胞經歷形態(tài)轉變。此外，通過分析突變、缺失或藥物干預如何影響這些參數(shù)，可以推斷出特定蛋白質或結構域在細胞機械轉導中的功能作用。力同步探針提供了機械力動力學的詳細見解，促進了人們對細胞力學和機械轉導的分子機制的理解。

    在過去的十年中，各種類型的固定化分子熒光張力探針已經成為機械生物學的革命性工具，提供了一個詳細的鏡頭，通過它可以在分子水平上觀察和量化細胞力的大小。值得注意的例子包括整合素介導的力轉導，T細胞受體(TCR)力的動力學，和細胞剛性感知的機制。這些研究不僅量化了細胞力的大小特征，而且強調了它們在驅動機械力轉導機制中的關鍵作用。盡管在測量力大小方面取得了這些成就，但該領域在捕獲“時間代碼”(力持續(xù)時間和LR)方面仍然面臨挑戰(zhàn)，這對于全面理解機械轉導的動力學至關重要。

    了解力傳遞的持續(xù)時間在機械生物學中是至關重要的，因為它直接影響與力相關的下游機械和生化信號過程的參與時間。沒有對力持續(xù)多長時間的了解，人們對機械轉導的掌握仍然不完整。這種持續(xù)時間不僅決定了信號級聯(lián)的活動時間，還影響了關鍵的分子事件，如張力敏感蛋白結構域的構象變化和蛋白質-蛋白質相互作用的動力學，強調了力持續(xù)時間在細胞對機械刺激的反應機制中的重要作用。

模式圖（Credit: Cell）

    LR可以決定蛋白質如何展開、激活，甚至與其他分子相互作用，從而決定細胞對機械刺激的即時反應。此外，當使用單分子工具探測整合素-細胞外基質(ECM)鍵的強度時，每次實驗都在不同的LR上施加一個力，范圍從40到23106 pN/s。如此大的范圍常常導致研究人員粗略地假設LRs或報告一系列速率來解釋觀察到的現(xiàn)象，從而在理解細胞力學方面造成混亂。最近，JoM.等人介紹了一種超拉伸張力傳感器，能夠量化0.5至4 pN范圍內的整合素力LRs，在不同的細胞類型中略有不同。

    然而，測量施加力的持續(xù)時間，探索細胞擴散過程中力持續(xù)時間和LR的演變，以及闡明它們與活細胞中力大小的關系的能力仍然是一個重大挑戰(zhàn)。因此，準確地理解和量化這些參數(shù)—機械轉導的時間編碼—是至關重要的，這不僅是生物物理學的好奇心，也是解開機械力作用下分子復雜舞蹈的必要條件。

    該研究設計了一種力同步探針，它結合了兩個具有不同力閾值和熒光團的DNA發(fā)夾探針。該設計引入了一種用于力測量的分層系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)的基于DNA發(fā)夾的張力探針只能報告力閾值的局限性。通過采用這種多層次的方法，不僅可以量化分子力的大小，還可以更深入地了解活細胞中的單分子力動力學。

    通過使用ForceChrono探針，揭示了機械轉導所必需的時間代碼，包括整合力傳遞的持續(xù)時間及其在不同力范圍內的LR。值得注意的是，積分力持續(xù)時間與力大小正相關。此外，對細胞骨架和局灶黏附(FA)相關蛋白如何調節(jié)這些時間代碼的探索揭示了所涉及的復雜調節(jié)網絡。該研究證明了基于DNA的力同步探針在單分子水平上闡明整合素力的復雜動力學的獨特能力，為支持細胞機械轉導的分子機制提供了新的見解。

    武漢大學高等研究院胡鈺茹博士、李洪云博士（已畢業(yè)，現(xiàn)為美國賓州州立大學博士后）、生命科學學院張晨博士和高等研究院博士生馮晶晶為論文的共同第一作者，武漢大學高等研究院/泰康生命醫(yī)學中心劉鄭教授、李洪云博士以及武漢大學生命科學學院張興華教授為該論文的通訊作者。

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