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Nature子刊:細胞生物學重大突破

日期:2015-04-02 09:02:28

 最近,新加坡國立大學力學生物學研究所(MBI)的研究人員,在我們對于細胞生物學的理解方面取得了重大突破;他們提供證據表明,分子結構固有的“旋向性(handedness)”,指導單個細胞的行為,并賦予它們感知左和右之間差異的能力。這項研究結果三月二十三日發表在Nature旗下子刊《自然細胞生物學》(Nature Cell Biology)。

 

細胞決策制定

 

我們的身體是由數百種細胞構成,每一種細胞都執行一項獨特而高度專業化的任務。傳統上,細胞專注于一種特定功能的能力,歸因于它的遺傳密碼。然而,越來越清楚的是,細胞不只是靠一組遺傳的或預定的指令為生。相反,“細胞決策”的制定是動態的,就像人類根據感官所提供的信息而做出決定。

 

雖然細胞沒有看或聽的能力,但它們有傳感結構,可讓它們檢測和測量各種各樣的環境刺激。例如,施加給細胞的機械力,將會被感覺到,并且細胞會相應地作出反應。其中最為突出的細胞反應是改變形狀,這個屬性體現在,特定細胞具有各種各樣的形狀。

 

細胞的感覺一直被認為是各種力傳感細胞結構所為,如細胞骨架。這種結構明顯不同于其同名物——人類骨骼的結構,除了提供結構支持之外,它們是高度動態的。例如,這個分子絲或分子導線網絡,也產生驅動形狀改變甚至運動性的力量。隨著細胞骨架的發展,單個蛋白絲生長并收縮。它們捆綁在一起形成較厚的纖維束,并且它們會移動或收縮。這些過程統稱為“細胞骨架動力學”。

 

一直以來都吸引著科學家的問題是:細胞骨架動力學如何可以直接指導不同類型細胞的行為?為了解決這個問題,MBI Alexander Bershadsky教授和Tee Yee Han博士,與來自美國和以色列的研究人員合作,使用一種被稱為“微米級圖案化micro-patterning)”的技術,在被局限于一個小的圓形區域的細胞中觀察細胞骨架。這會阻止細胞改變形狀,從而使研究人員能清楚地觀察細胞骨架動力學。

 

一個令人驚訝的發現

 

研究結果對研究人員來說,猶如一個驚喜。在細胞骨架的組織過程中,研究人員觀察到了明顯的左右不對稱。這種不對稱性——表現為一種混亂,長絲在細胞內逆時針運動——被認為起源于單個肌動蛋白微絲中存在的固有扭曲。這種螺旋扭曲自然發生時,單個肌動蛋白結合在一起,形成長的肌動蛋白導線,可組成整體結構。這個看似簡單的屬性有著深刻的影響,因為它表明,一個蛋白質的不對稱被轉化為一個完整細胞的不對稱行為。這類似于捻一個螺釘或螺栓,從而指導它所在機器的功能或行為。

 

細胞區分左、右的能力,這種現象將繼續吸引著科學家。從本研究可以清楚地看出,分子結構中固有的不對稱性,可以定義整個細胞的行為,這對于細胞根據其環境機械性能“做出決定”的能力,提供了新的見解。然而,這些研究結果也提出了有趣的問題:是否相同現象會影響我們的器官的形成和功能,甚至影響機體的行為。事實上,相對簡單的生物學系統,如基于設定模式生長的細胞,在它們的運動中顯示出明顯的不對稱性。在另一個極端,大腦功能和人類認知,取決于神經細胞的不對稱行為。分子結構固有的不對稱性是否能夠定義細胞、組織或生物體的行為?這些問題無疑將推動進一步的研究。

 


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