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 的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。