Science意外發現，樹立信號傳導新概念

日期：2012-10-15 08:48:34

在動物王國中蒼蠅的眼睛具有最快的視覺反應，然而其是如何實現的一直以來是一個謎。一項新研究顯示它們的快速視覺可能是由于它們的感光細胞對光產生物理收縮的結果。這一機械力隨后生成的電反應以比我們自身眼睛快得多的速度傳送到大腦。我們的眼睛是利用常規的化學信使來產生反應。這一研究在線發表在10月12日的《科學》（Science）雜志上。

過去人們認為負責產生感光細胞電反應的離子通道是被化學信使激活，通常在細胞信號傳導通路中是這種情況。然而，這些結果表明負責感光細胞電反應的光敏離子通道有可能通過收縮激活，這是針對蒼蠅眼睛感光秘密獲得的一個驚人的答案，以及細胞信號傳導的一個新概念。

論文的主要作者、劍橋大學生理學系Roger Hardie教授說：“談論中的離子通道稱作‘瞬時受體電位’(transient receptor potential,TRP)通道，我們最初是在上世紀90年代發現它是一種光敏通道。現在它被視作是基因組中最大離子通道家族之一的基礎成員，這些密切相關離子通道在我們的全身發揮至關重要的作用。因此，TRP通道日益被視作是許多病理情況，包括疼痛、高血壓、心肺疾病、癌癥、風濕性關節炎和腦缺血等的潛在治療靶點。我們因此希望這些新結果有可能具有超越蒼蠅眼睛的其他意義。”

蒼蠅的視覺如此的快速以致于它們追蹤移動的速度比我們自己的眼睛要快5倍。這一性能是利用微絨毛感光細胞獲得，在這些細胞中感光膜是由稱作微絨毛的微小管狀膜突出構成。在每個感光細胞中，數萬的微絨毛填充在一起形成一種長棒狀結構，充當光導管吸收入射光。每個微絨毛還具有生物化學機器，將吸收光的能量轉變為電反應發送到大腦——這一過程就稱作光信號傳導。

在所有感光細胞中，光信號傳導是通過一種視色素分子（視紫質）吸收光作為開始。在微絨毛感光細胞中，這導致了稱作磷脂酶C（PLC）的一種特異酶激活。PLC是一種普遍存在且研究深入的酶，能夠裂解來自細胞膜特異脂質元件的一個大的部件("PIP2")，將較小的膜脂(DAG)留在它的位置。

以某種方式這種酶反應導致了微絨毛膜中的“離子通道”開放；一旦打開，這些會使得諸如Ca2+和Na+等正電荷離子流入細胞因此產生電反應。這一基本的事件順序已經被確立超過20年，但確切PLC酶活性如何引起通道的活性長期以來是一個謎，也是感官生物學一個重要的懸而未決的問題。

Hardie教授說：“傳統的看法認為這一酶活性產物之一的一種化學‘第二信使’結合并激活了這一通道。然而過去多年的研究都沒有找到令人信服的證據證實這樣一種簡單的機制。”

新研究利用果蠅揭示了這一謎題不尋常的意料之外的答案。關鍵的發現是感光細胞對閃光做出了物理收縮反應。這一收縮既小且快，因此需要“原子力顯微鏡”才能檢測它們。其揭示收縮甚至快于細胞的電反應，似乎是由PLC活性直接引起。

研究人員認為PLC酶裂解膜脂PIP2減少了膜面積，由此增加了膜的張力，引起每個微絨毛對光做出收縮反應。成千上萬微絨毛一起同時發生了收縮導致了整個細胞的收縮。

論文的共同作者、劍橋大學的Kristian Franze博士說：“我們認為在每個微絨毛中膜張力的增加直接對光敏通道起了作用。換句話說，并非利用傳統的化學第二信使，通道是通過機械被激活。”

在實驗中，通過突變減少天然光敏通道，并用機械敏感通道替代，這一概念得到了證實。值得注意的是，這些感光細胞仍然對光做出反應生成了電信號，不過現在是由異位機械敏感通道激活所接到。為了檢測天然的光敏通道是否受到細胞膜機械力的影響，通過改變滲透壓對微絨毛膜進行了拉伸或壓縮。這一簡單的實驗操作如預期的快速增進或抑制了通道開啟。

這些結果表明PLC通過改變膜的機械狀態調控了對感光細胞的影響。研究人員認為膜張力的增加（以及由于PLC活性導致的pH改變）觸動了光敏通道開放。機械敏感離子通道眾所周知，但通常參與傳導機械刺激，例如耳朵中的聲音或對皮膚的壓力。它們的一個特點是可以極快地激活，這或許可以揭示為何蒼蠅感光細胞進化出這一光信號傳導方法。

Hardie教授說：“這一機械信號可能是一個中間信號，或‘第二信使’，在一個純粹的生化級聯反應中這是一個新概念，將我們對細胞信號機制的理解擴展到了一個新水平。”