Cell子刊：解開懸而未決的生物學謎題

日期：2015-12-29 09:15:55

細胞所面臨的一個常見問題是，它們被一股喜歡的氣味所包圍，必須確定其來源的方向。例如，神經細胞，形成長的延伸，被來自其他細胞的信號所吸引，以產生形成神經系統的網絡；同樣，清除細胞可識別有害細菌的氣味，以便可以追趕和破壞它們。

但是，細胞如何感知這些氣味信號呢——因為隨著距離的增加這些信號變得越來越弱，細胞如何“讀取”這個信號的減弱——技術上稱為作為一個信號梯度，以便引導它們生長或朝著信號的來源移動？空間信號是如何被感知的，是生物學面臨的一個基本問題——目前為止這個謎一直懸而未決。

傳感器、處理器和發動機一體化

現在，瑞士聯邦理工學院（ETH）生物化學研究所的Matthias Peter教授帶領的研究小組，提出了一個可能的解決方案。酵母細胞有一種非常好的、可調節的多用工具，來識別化學信號，相應地處理它們，并啟動正確的響應——朝著信號源的方向生長。因此，酵母細胞就能夠聞到潛在性伴侶在周圍環境中的位置，這樣就可以朝著它們的方向生長。

生物學家將顯微觀察和通過跨學科合作開發的計算機模型結合起來，開展這項研究。相關研究結果發表在最近的《Developmental Cell》雜志。

這一多用工具由許多蛋白構成

如果細胞認為附近有信號梯度，它就在細胞膜的一個隨機位置組裝這種多用工具。這種工具是一個大的蛋白復合物，由100個以上的不同成分組成，其復雜性是如此之大，因此它可以通過熒光顯微鏡來觀察。研究人員將其稱為一個‘極性站點’（PS），因為在它形成的位置開始極性生長。

使用熒光顯微鏡，研究人員現在已經觀察到PS是如何定位一個梯度信號的來源的。首先，PS沿著膜向更強的信號移動。一旦它已經確定了最強的信號，即在梯度中最大量的信號物質，它就停止移動。然后，在這個位置上，PS會在細胞中產生一個隆起，繼續朝著信號源的方向發展。很自然地，當一個性伴侶和兩個細胞一旦找到對方時，兩者融合起來，就會產生這種信號。

使用一個模型簡化復雜結構

為了理解這個過程的分子力學，研究人員提到了計算機模型。這項研究的第一作者Björn Hegemann指出：“這種模式確實幫助我們減少了P S的復雜性和到幾個重要部件的過程。”這些關鍵的機制部件包括一個接收和轉發信號的受體；其他包括Cdc42蛋白——攜帶受體沿著膜移動，Cdc24蛋白——調節Cdc42的活性。你可以將這個受體描述為鼻子，Cdc42作為機械的輪子，Cdc24作為剎車。”

雖然PS穿過了細胞膜并尋找一個更強的化學信號，但是，只有少數的破壞蛋白質Cdc24分子存在于機械中。一旦它發現信號的最大濃度，PS就請求額外的Cdc24分子——它們存儲在細胞核中，結合到復雜合物上。附著于PS機械的Cdc24分子越多，速度就會越來越慢。然而，只有當Cdc24數超過一定閾值時，PS才會完全停止，并在細胞中開始形成隆起。

一塊重要的基石

Hegemann對這些新發現感到非常高興，他說：“首先，我們用熒光顯微鏡觀察了極性部位的運動。然后，我們在計算機上模擬了這一運動，這得使我們能夠提出一種假設，來解釋這種運動是如何被控制的。那么，我們就可以通過突變和使用熒光顯微鏡，實驗性地確認這一假設。”他說，相對簡單的計算機模型，通過使研究人員能夠快速改變組件以及確定重要方面，為實驗規劃提供了一個良好的基礎。他說，這使得這項研究更為簡單，因為沒有必要對每一項實驗進行檢驗。

Hegemann假定，它不僅僅是酵母細胞使用一種多用工具來組裝極性部位。在裂解酵母（S. pombe）和線蟲（C. elegans）中，類似于PS的行為也被觀察到，但是沒有分子解釋。ETH的研究人員現在已經提供了這一解釋，第一次詳細描述了細胞如何能定位一個氣味梯度。這項工作，為進一步研究細胞感知的空間信號——無論是酵母還是人類，都奠定了重要的基礎。根據Hegemann介紹，目前沒有設想直接的醫學應用：“在遙遠的未來，這項工作可能對公眾有益。然而，在目前，它主要代表了基礎研究的一個重要進步。”