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Cell子刊:解开悬而未决的生物学谜题

2015.12.28

  细胞所面临的一个常见问题是,它们被一股喜欢的气味所包围,必须确定其来源的方向。例如,神经细胞,形成长的延伸,被来自其他细胞的信号所吸引,以产生形成神经系统的网络;同样,清除细胞可识别有害细菌的气味,以便可以追赶和破坏它们。

  但是,细胞如何感知这些气味信号呢――因为随着距离的增加这些信号变得越来越弱,细胞如何“读取”这个信号的减弱――技术上称为作为一个信号梯度,以便引导它们生长或朝着信号的来源移动?空间信号是如何被感知的,是生物学面临的一个基本问题――目前为止这个谜一直悬而未决。

  传感器、处理器和发动机一体化

  现在,瑞士联邦理工学院(ETH)生物化学研究所的Matthias Peter教授带领的研究小组,提出了一个可能的解决方案。酵母细胞有一种非常好的、可调节的多用工具,来识别化学信号,相应地处理它们,并启动正确的响应――朝着信号源的方向生长。因此,酵母细胞就能够闻到潜在性伴侣在周围环境中的位置,这样就可以朝着它们的方向生长。

  生物学家将显微观察和通过跨学科合作开发的计算机模型结合起来,开展这项研究。相关研究结果发表在最近的《Developmental Cell》杂志。

  这一多用工具由许多蛋白构成

  如果细胞认为附近有信号梯度,它就在细胞膜的一个随机位置组装这种多用工具。这种工具是一个大的蛋白复合物,由100个以上的不同成分组成,其复杂性是如此之大,因此它可以通过荧光显微镜来观察。研究人员将其称为一个‘极性站点’(PS),因为在它形成的位置开始极性生长。

  使用荧光显微镜,研究人员现在已经观察到PS是如何定位一个梯度信号的来源的。首先,PS沿着膜向更强的信号移动。一旦它已经确定了最强的信号,即在梯度中最大量的信号物质,它就停止移动。然后,在这个位置上,PS会在细胞中产生一个隆起,继续朝着信号源的方向发展。很自然地,当一个性伴侣和两个细胞一旦找到对方时,两者融合起来,就会产生这种信号。

  使用一个模型简化复杂结构

  为了理解这个过程的分子力学,研究人员提到了计算机模型。这项研究的第一作者Björn Hegemann指出:“这种模式确实帮助我们减少了P S的复杂性和到几个重要部件的过程。”这些关键的机制部件包括一个接收和转发信号的受体;其他包括Cdc42蛋白――携带受体沿着膜移动,Cdc24蛋白――调节Cdc42的活性。你可以将这个受体描述为鼻子,Cdc42作为机械的轮子,Cdc24作为刹车。”

  虽然PS穿过了细胞膜并寻找一个更强的化学信号,但是,只有少数的破坏蛋白质Cdc24分子存在于机械中。一旦它发现信号的最大浓度,PS就请求额外的Cdc24分子――它们存储在细胞核中,结合到复杂合物上。附着于PS机械的Cdc24分子越多,速度就会越来越慢。然而,只有当Cdc24数超过一定阈值时,PS才会完全停止,并在细胞中开始形成隆起。

  一块重要的基石

  Hegemann对这些新发现感到非常高兴,他说:“首先,我们用荧光显微镜观察了极性部位的运动。然后,我们在计算机上模拟了这一运动,这得使我们能够提出一种假设,来解释这种运动是如何被控制的。那么,我们就可以通过突变和使用荧光显微镜,实验性地确认这一假设。”他说,相对简单的计算机模型,通过使研究人员能够快速改变组件以及确定重要方面,为实验规划提供了一个良好的基础。他说,这使得这项研究更为简单,因为没有必要对每一项实验进行检验。

  Hegemann假定,它不仅仅是酵母细胞使用一种多用工具来组装极性部位。在裂解酵母(S. pombe)和线虫(C. elegans)中,类似于PS的行为也被观察到,但是没有分子解释。ETH的研究人员现在已经提供了这一解释,第一次详细描述了细胞如何能定位一个气味梯度。这项工作,为进一步研究细胞感知的空间信号――无论是酵母还是人类,都奠定了重要的基础。根据Hegemann介绍,目前没有设想直接的医学应用:“在遥远的未来,这项工作可能对公众有益。然而,在目前,它主要代表了基础研究的一个重要进步。”

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