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細胞凋亡如何推進?以觸發(fā)波的“名義”

2018年09月11日 14:40 | 作者:劉雨亭 | 來源:科技日報
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在我們體內(nèi),每天有許多新細胞產(chǎn)生,相應(yīng)地,也有大量舊細胞死去。為了維持體內(nèi)各組織細胞的適宜數(shù)量,其新生與死亡需要達到動態(tài)平衡。細胞凋亡,一種由基因精確控制的程序性細胞死亡機制,在這方面則發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。此外,它還能清除無用的細胞,促進人體發(fā)育,例如人在胚胎期手指和腳趾的形成??梢哉f,細胞凋亡無時無刻不在體內(nèi)運作。

存在于細胞內(nèi)的蛋白酶Caspase(半胱天冬酶)是細胞凋亡的最終執(zhí)行者,可以把細胞分解為細小的碎片。當一個細胞大限將至,外界的分子通過與細胞表面的蛋白質(zhì)受體接觸,將死亡信號傳遞到細胞內(nèi),線粒體釋放出細胞色素c,激活半胱天冬酶,從而瓦解掉細胞。

距離很“長”,死亡信號要從細胞一端傳到另一端

此前有研究發(fā)現(xiàn),在細胞內(nèi)的死亡信號分子,即激活的半胱天冬酶,總是從一個或幾個分散的發(fā)源點,傳遞到各個角落,使細胞達到全局一致的凋亡狀態(tài)。但具體的傳播過程,一直未有實驗?zāi)軌蚪沂?。一個很自然的假設(shè)是擴散現(xiàn)象,即分子在某特定區(qū)域產(chǎn)生,并向低濃度區(qū)域轉(zhuǎn)移,直到均勻分布。一般的體細胞,直徑不會超過20微米,死亡信號通過擴散只需要幾秒鐘,就能從細胞一端傳遞到另一端。然而,由于擴散速率會隨濃度差的減小而逐漸衰減,對于一些大體積的細胞,如可長達20厘米的大腿肌肉細胞,信號的傳遞得要耗費幾十年時間,人體的壽命也不過如此。擴散的理論在這兒就說不通了。那么,細胞內(nèi)信號的長距離傳遞又是如何實現(xiàn)的?

美國斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的兩位科學(xué)家程顯睿和詹姆斯·費雷爾的一項最新研究,解開了生物學(xué)上的這一謎題——死亡信號以觸發(fā)波的形式在細胞內(nèi)傳遞。

觸發(fā)波是一種自我增強的反應(yīng)——擴散波,區(qū)別于簡單的擴散,其傳播速度恒定,信號強度不會衰減。如果將擴散現(xiàn)象看作是動物在森林中覓食,那么觸發(fā)波則是星火燎原。動物的力量會逐漸消耗,行走速度也越來越慢,而由于草木間能彼此點燃,火勢憑借這種正反饋作用得以維持。

觸發(fā)波的產(chǎn)生條件,除了正反饋外,還有空間耦合機制。“我們注意到,參與細胞凋亡的許多細胞質(zhì)成分存在正反饋,且細胞質(zhì)不同區(qū)域之間可通過擴散進行物質(zhì)交換。因此,細胞質(zhì)可以成為觸發(fā)波的傳播媒介。”遠在美國的程顯睿接受科技日報電子郵件采訪時表示,再考慮到觸發(fā)波的速度恒定,在長距離傳播中比擴散快許多,于是他們提出細胞凋亡的傳播機制是觸發(fā)波的假說,并嘗試用實驗去驗證。

一次關(guān)燈,研究難題迎刃而解

這次研究材料選用的是非洲爪蟾的卵細胞,其直徑約為1300微米,是普通體細胞的100多倍。這樣大的體積為信號的長距離傳輸提供了足夠的場所,也方便研究人員區(qū)分出究竟是擴散還是觸發(fā)波在起作用。

科學(xué)家將提取的細胞質(zhì),放到極細的透明長管里,用熒光探針來標記受到激活的半胱天冬酶,從而檢測細胞凋亡在空間的傳遞。人為觸發(fā)細胞凋亡后,可以清楚地看到,熒光點從長管一頭勻速向另一頭移動。經(jīng)測算得出其傳遞速度為每分鐘30微米,且不會隨傳遞距離而改變。

為了排除這只是將細胞質(zhì)放入長管后出現(xiàn)的假象,科學(xué)家繼續(xù)對完整的卵細胞進行研究。然而,由于這種細胞不透明,熒光標記法就行不通了,那又如何觀測死亡信號的傳遞呢?這個問題困擾了程顯睿幾個月。直到某一天,他關(guān)掉實驗室里為觀看熒光信號的熒光燈,把細胞放在普通日光燈下用顯微鏡觀察,一個神奇的現(xiàn)象出現(xiàn)在眼前:正在凋亡的細胞,其表面有一圈環(huán)形的深色波紋,從一側(cè)向另一側(cè)移動。通過進一步的研究發(fā)現(xiàn),這種表面波起始于凋亡的觸發(fā)點,且傳播速度與之前的長管試驗結(jié)果一致,從而有力證明了觸發(fā)波是細胞內(nèi)凋亡信號的傳播機制。

除了細胞凋亡,觸發(fā)波也與有絲分裂、神經(jīng)信號的傳導(dǎo)有密切關(guān)系。由于它所依賴的正反饋和偶合機制在生物調(diào)控中很常見,因此,在詹姆斯看來,今后將會在更多的生命現(xiàn)象中看到觸發(fā)波的存在,這也是實驗團隊之后的研究方向。

程顯睿告訴科技日報:“很多生物學(xué)家還沒聽說過觸發(fā)波,但我相信,在不久的將來,它會出現(xiàn)在教科書上?!?/p>

編輯:趙彥

關(guān)鍵詞:細胞凋亡 如何推進 觸發(fā)波

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