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Science:重大发现!细胞凋亡通过触发波在细胞中传播

来源:本站原创 2018-08-12 12:51

2018年8月12日/生物谷BIOON/---两只手向上挥动会产生一个又一个次声波,直到次声波在整个体育场里传播到很远的地方。这种滚动式激增是由一种或几种事件的活动所激发的,因而被称为触发波(trigger wave)。触发波需要两个主要因素:一个正反馈循环和一个阈值,想象一下倒下的多米诺骨牌。一个多米诺骨牌倒在另一个多米诺骨牌上,并触发后者倒在下一个多米诺骨牌上。这个阈值是让一个多米诺骨牌完全倒下所需的力量;如果施加一个略低于这个阈值的力量,那么一个多米诺骨牌将会摇晃并重新回到站立的位置,然而一旦施加一个达到这个阈值的力量,一个多米诺骨牌就会倒下。

人们之前已发现在细胞周期中,细胞通过分裂产生新的细胞,并且触发波能够调节新细胞的产生。神经元动作电位也是如此,这就允许神经元通过电脉冲传播信号。

作为一种比较容易理解的细胞死亡形式,细胞凋亡仍然让科学家们感到神秘。美国斯坦福大学生物化学教授、化学与系统生物学教授James Ferrell博士说,“有时,我们的细胞死掉,其实我们并不希望它们死掉,比如神经退行性疾病中的神经元。有时,我们的细胞不会 死亡,其实我们真地希望它们死掉,比如癌症中的癌细胞。如果我们想要干预的话,那么我们需要理解细胞凋亡是如何受到调节的。”

像野火一样传播

在一项新的研究中,Ferrell和博士后研究员Xianrui Cheng博士发现在细胞凋亡中,细胞死亡也是通过触发波进行扩散的。一旦细胞死亡开始启动(不论是疾病还是其他方式),细胞中的特定杀伤蛋白---蛋白酶caspase,全称为含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶---受到 激活。随后,这些蛋白通过漂浮与其他的caspase接触并激活它们;这些其他的caspase也纷纷效仿直到整个细胞死掉。相关研究结果发表在2018年8月10日的Science期刊上,论文标题为“Apoptosis propagates through the cytoplasm as trigger waves”。

Ferrell说,“它以这种方式进行扩散,永不减速,永不消失。它的幅度并没有任何降低,这是因为在产生自身动力的每一步中,它通过将更多非活性的分子转化为活性分子直到细胞凋亡扩散到细胞的每个角落和裂缝。”

为了观察死亡对单个细胞的影响,Cheng和Ferrell使用了非洲爪蟾蛙的卵子。当细胞发生凋亡时,非洲爪蟾蛙的卵子具有较大的尺寸,这使得它们成为肉眼观察死亡如何从细胞的一端扩散到另一端的主要候选对象。

首先,Ferrell和Cheng从卵子中提取出液体并将这种提取物加入到几毫米长的特氟龙管中,并通过分子“死亡信号”启动细胞凋亡。通过使用一种与细胞凋亡激活相关的荧光技术,这两名研究人员观察到当亮绿色的荧光以恒定速度向下移动时,这表明细胞凋亡通过触发 波进行传播,而不是通过其他的一些更基本的机制(比如扩散)进行传播。

问题是在细胞中发生的细胞凋亡也是这样传播的吗?

利用荧光显微镜进行观察是非常困难的,这是因为完整的非洲爪蟾蛙卵子是非常不透明的。然而,Ferrell和Cheng注意到当非洲爪蟾蛙卵子死亡时,一种色素沉着波纹(ripple of pigmentation)会在这种卵子的表面上发生。这两名研究人员发现,在死亡过程中,一条 黑色的波纹像一条曲线一样从一侧到另一侧以恒定的速度穿过卵子。这个表面波的速度是恒定的并且没有减速,即这也会形成触发波。因此,为了进一步证实这一点,他们分析了单个死亡的卵子:每个经历过这种表面波的卵子都含有激活的蛋白酶caspase,而尚未经历过 这种表面波的卵子则不含有。总之,有更多的证据表明触发波也会在完整的细胞中传播细胞死亡信号。

一系列触发波

到目前为止,细胞凋亡是确定的唯一通过触发波进行传播的细胞死亡形式,但是Ferrell正在研究生物学中的其他过程,以便这种连续波是否可能在其中起作用。

如今,他们正在研究触发波是否可能决定着我们的先天免疫反应在细胞间的传播方式。病毒通过触发波在细胞间传播,因此有理由认为我们的初始免疫防御线也可能采用相同的策略。

Ferrell说,“我们拥有关于各种生物中蛋白和基因的所有信息。我们证实远程通信能够通过触发波实现。这些触发波取决于正反馈循环、阈值和空间耦合机制等。这些因素遍布于生物调节的各个方面。如今,我们想知道在其他的哪些地方是否也会发现触发波。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Xianrui Cheng1, James E. Ferrell Jr. Apoptosis propagates through the cytoplasm as trigger waves. Science, 10 Aug 2018, 361(6402):607-612, doi:10.1126/science.aah4065.

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