胞外滲透壓調控DNA標記與基因轉錄的物理機制 | 進展

在自然條件下，細胞時刻經歷著胞外環境的波動，這些變化會顯著改變胞內的生物物理性質，進而重塑細胞功能。在復雜的環境因素中，滲透壓尤為關鍵，它直接參與調控細胞遷移、分裂、分化以及組織穩態等核心生命活動。過往研究表明，胞外滲透壓能從多方面重塑細胞內的微環境，例如調節細胞膜張力、重構細胞骨架網絡、改變細胞質內的分子擁擠度與擴散動力學等。然而，相比于細胞膜和細胞質，滲透壓對“細胞指揮中樞”——細胞核的影響仍不明確。這主要是因為細胞核充滿了高度折疊的染色質，內部極度擁擠且結構復雜。長期以來，由于缺乏能夠精準定位到特定基因位點、且能實時感知局域物理微環境（如擁擠度）變化的探針，科學家們難以在活細胞中直接解析物理環境波動如何調控基因轉錄等關鍵功能，限制了該領域的深入探索。

近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心軟物質物理實驗室SM1組、北京師范大學系統科學學院李輝教授團隊和南方醫科大學榮知立教授團隊合作，引入 dCas9-SunTag 系統作為探針，深入探索了特定DNA位點對胞外滲透壓變化的響應規律。研究發現，胞外滲透壓能像“開關”一樣靈敏調控dCas9-SunTag系統對目標DNA的標記效率：低滲環境顯著增加了基因位點標記點的數量與熒光強度，而高滲環境則產生相反效果。這種調控表現出即時性、可逆性和可重復性。更重要的是，該物理響應直接映射到了生物功能上。團隊通過跨尺度測量系綜水平的基因表達量和單分子水平的mRNA轉錄頻率，證實基因轉錄效率對滲透壓的響應模式與熒光標記完全一致。進一步機制解析表明，“核內分子擁擠度”是連接胞外物理信號與核內基因功能的關鍵。胞外滲透壓的變化直接影響了細胞核內部的擁擠環境，進而調節了生物分子（無論是熒光蛋白還是轉錄因子）與 dCas9-SunTag 復合體之間的“結合-解離”化學平衡，最終實現了對DNA標記和基因轉錄的物理調控。

圖 滲透壓調控活細胞中dCas9-SunTag系統的DNA標記

這項工作不僅揭示了胞外滲透壓作為一種關鍵物理量，如何影響細胞核內基因行為的物理機制，更確立了 dCas9-SunTag 系統作為一種能夠感知核內局域擁擠度的新型探針，為精準調控基因表達及探測細胞核對外界環境的動態響應提供了全新策略。

該工作以“Osmotic pressure regulates DNA labelling and transcription with dCas9-SunTag system in live cells”為題發表于Nature Communications 17, 773 (2026)。物理所竇碩星研究員、北師大李輝教授、南醫大榮知立教授為共同通訊作者，物理所博士生魏坦琳和南醫大博士生楊小鳳為共同第一作者。研究得到了國家自然科學基金、中國科學院、廣州國家實驗室等項目的資助。

編輯：張柒柒