细胞外基质硬度通过AMPK调控干细胞线粒体的形态异质性

摘要

目的 探讨人间充质干细胞（human mesenchymal stem cells, hMSCs）中线粒体形态对细胞外基质硬度的力学响应以及腺苷酸激活蛋白激酶（AMP-activated protein kinase, AMPK）对线粒体力学响应的调控作用。方法 首先，通过改变丙烯酰和甲叉双丙烯酰胺的单体浓度，制备杨氏模量为1 kPa（软）和20 kPa（硬）两种硬度的聚丙烯酰胺水凝胶；随后，将hMSCs培养在不同硬度水凝胶上，通过激光共聚焦显微镜和Western blot检测线粒体的形态变化和线粒体稳态相关蛋白AMPK的激活情况；最后，分别利用AMPK激活剂A-769662和抑制剂Compound C改变软硬基底上细胞AMPK的激活，观察线粒体的形态变化。结果 hMSCs中线粒体的形态随水凝胶硬度变化呈现异质性，在1 kPa软基质上，线粒体融合，有74%的线粒体呈现出致密的长纤维网络状结构，而在20 kPa硬基质上高达63.3%线粒体为疏松的短片段化或者点状形貌。Western blot结果显示，硬基质上p-AMPK/AMPK的比例是软基质上的1.6倍，免疫荧光染色结果显示在硬的基质pAMPK的表达升高，并且呈现出核定位，证明随着细胞外基质硬度的提高，细胞内AMPK的激活程度也不断上升。当在软基质上添加AMPK激活剂A-769662后，线粒体形态由纤维网络状向片段化转变，纤维化程度由74%下降到9.5%，同时AMPK抑制剂Compound C可以促进硬基质上线粒体融合，降低点状线粒体占比。结论 细胞外基质硬度通过AMPK的激活调控hMSCs中线粒体的形态。硬基质会促进AMPK激活，导致线粒体分裂，形成大量片段化的短线粒体。这种基质硬度对线粒体形态的影响可以通过改变AMPK的磷酸化水平进行逆转。

关键词

细胞外基质硬度 / 干细胞 / AMPK激活 / 线粒体形态 / 分裂和融合