Science：单个细胞作出决定时比人们想象中的更加聪明

人类根据各种感官信息做出决定，这些信息被大脑整合成一个整体的感知。但是单个细胞是如何做出决定的呢？在一项新的研究中，来自瑞士苏黎世大学的研究人员发现它们的自主性要比以前想象的强得多。细胞不仅根据外部信号（如生长因子）做出决定，而且还根据它们从细胞内部收到的信息做出决定。这甚至可以导致抵抗治疗的癌细胞产生。相关研究结果于2022年7月14日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Multimodal perception links cellular state to decision making in single cells”。

每个人一直在做决定。这些决定往往涉及整合各种背景线索，以确保做出的决定适合于当时的情况。做决定所需的大量信息是由我们的感官提供的。它们感知我们环境的独特方面，如视觉和听觉信息，我们的大脑随后将其整合为一个整体的感知。这被称为多感官感知，或者说多模态感知。

细胞在做决定时考虑到自己的状态

在这方面，单个细胞和人类没有什么不同。它们不断做出重要的决定，比如是否发生细胞分裂。因此，这些作者将在人类中发现的背景多模态感知的概念扩展到了单个细胞。令人吃惊的是，他们发现单个细胞做出的决定比之前想象的要自主得多。论文通讯作者、苏黎世大学分子生命科学系教授Lucas Pelkmans说，“单个细胞的充分决策使用了多模态感知，使细胞能够将外部信号（如生长因子）与细胞内部的信息（如细胞器的数量）结合起来。”

在某些情况下，这类内部线索可以凌驾于外部刺激：比如，在肿瘤中，特定细胞的实际状态凌驾于抗增殖药物的治疗，从而使它们具有治疗耐药性。Pelkmans说，“这种抗药性是抗击癌症的一个主要问题。解决方案可能来自于考虑到单个细胞所经历的背景线索，并最终改变它们。这种耐药性是对抗癌症的一个主要问题。解决方案可能来自于考虑单个细胞经历的背景线索，并最终改变它们。”

一次性分析数百万个细胞中的几十种蛋白

为了测试细胞是否像人类一样根据背景、多模态感知做出决定，这些作者必须同时测量多个信号节点的活性---细胞的外部传感蛋白---以及细胞内部的几个潜在线索，如局部环境和细胞器数量。所有这些都必须在单个细胞以及数百万个细胞中进行分析。论文第一作者Bernhard Kramer说，“为了做到这一点，我们使用了‘4i’，即一种在苏黎世大学开发的方法，它允许我们使用荧光显微镜同时对单个细胞中多达80种不同的蛋白和蛋白修饰进行可视化观察和定量分析。”

非响应性标志物定义了高维细胞状态空间。图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abf4062。

这些作者发现，不同细胞中单个传感蛋白活性的变化与内部线索的变化密切相关。例如，线粒体的丰度从根本上影响了单个细胞对外部刺激的感知。此外，每个传感蛋白器都会整合来自细胞内部的不同线索。当他们评估单个细胞作出的重要决定---在生长刺激下是增殖还是保持静止，他们发现细胞作出的选择是由多种传感蛋白的感知介导的，并可预测地受到细胞内部状态的线索的调节。

Kramer说，“对于细胞作出的任何具体决定，所有外部信号和内部线索都必须被一致看待。因此，单个细胞能够做出充分的背景依赖性的决定，因此显然比人们以前认为的更聪明。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Bernhard A. Kramer et al. Multimodal perception links cellular state to decision making in single cells. Science, 2022, doi:10.1126/science.abf4062.