细胞凋亡如何推进?以触发波的“名义”

2018-09-11 00:00:00来源: 科技日报 作者: 实习生 刘雨亭

第二看台

实习生 刘雨亭

在我们体内,每天有许多新细胞产生,相应地,也有大量旧细胞死去。为了维持体内各组织细胞的适宜数量,其新生与死亡需要达到动态平衡。细胞凋亡,一种由基因精确控制的程序性细胞死亡机制,在这方面则发挥着重要的调控作用。此外,它还能清除无用的细胞,促进人体发育,例如人在胚胎期手指和脚趾的形成。可以说,细胞凋亡无时无刻不在体内运作。

存在于细胞内的蛋白酶Caspase(半胱天冬酶)是细胞凋亡的最终执行者,可以把细胞分解为细小的碎片。当一个细胞大限将至,外界的分子通过与细胞表面的蛋白质受体接触,将死亡信号传递到细胞内,线粒体释放出细胞色素c,激活半胱天冬酶,从而瓦解掉细胞。

距离很“长”,死亡信号要从细胞一端传到另一端

此前有研究发现,在细胞内的死亡信号分子,即激活的半胱天冬酶,总是从一个或几个分散的发源点,传递到各个角落,使细胞达到全局一致的凋亡状态。但具体的传播过程,一直未有实验能够揭示。一个很自然的假设是扩散现象,即分子在某特定区域产生,并向低浓度区域转移,直到均匀分布。一般的体细胞,直径不会超过20微米,死亡信号通过扩散只需要几秒钟,就能从细胞一端传递到另一端。然而,由于扩散速率会随浓度差的减小而逐渐衰减,对于一些大体积的细胞,如可长达20厘米的大腿肌肉细胞,信号的传递得要耗费几十年时间,人体的寿命也不过如此。扩散的理论在这儿就说不通了。那么,细胞内信号的长距离传递又是如何实现的?

美国斯坦福大学医学院的两位科学家程显睿和詹姆斯·费雷尔的一项最新研究,解开了生物学上的这一谜题——死亡信号以触发波的形式在细胞内传递。

触发波是一种自我增强的反应——扩散波,区别于简单的扩散,其传播速度恒定,信号强度不会衰减。如果将扩散现象看作是动物在森林中觅食,那么触发波则是星火燎原。动物的力量会逐渐消耗,行走速度也越来越慢,而由于草木间能彼此点燃,火势凭借这种正反馈作用得以维持。

触发波的产生条件,除了正反馈外,还有空间耦合机制。“我们注意到,参与细胞凋亡的许多细胞质成分存在正反馈,且细胞质不同区域之间可通过扩散进行物质交换。因此,细胞质可以成为触发波的传播媒介。”远在美国的程显睿接受科技日报电子邮件采访时表示,再考虑到触发波的速度恒定,在长距离传播中比扩散快许多,于是他们提出细胞凋亡的传播机制是触发波的假说,并尝试用实验去验证。

一次关灯,研究难题迎刃而解

这次研究材料选用的是非洲爪蟾的卵细胞,其直径约为1300微米,是普通体细胞的100多倍。这样大的体积为信号的长距离传输提供了足够的场所,也方便研究人员区分出究竟是扩散还是触发波在起作用。

科学家将提取的细胞质,放到极细的透明长管里,用荧光探针来标记受到激活的半胱天冬酶,从而检测细胞凋亡在空间的传递。人为触发细胞凋亡后,可以清楚地看到,荧光点从长管一头匀速向另一头移动。经测算得出其传递速度为每分钟30微米,且不会随传递距离而改变。

为了排除这只是将细胞质放入长管后出现的假象,科学家继续对完整的卵细胞进行研究。然而,由于这种细胞不透明,荧光标记法就行不通了,那又如何观测死亡信号的传递呢?这个问题困扰了程显睿几个月。直到某一天,他关掉实验室里为观看荧光信号的荧光灯,把细胞放在普通日光灯下用显微镜观察,一个神奇的现象出现在眼前:正在凋亡的细胞,其表面有一圈环形的深色波纹,从一侧向另一侧移动。通过进一步的研究发现,这种表面波起始于凋亡的触发点,且传播速度与之前的长管试验结果一致,从而有力证明了触发波是细胞内凋亡信号的传播机制。

除了细胞凋亡,触发波也与有丝分裂、神经信号的传导有密切关系。由于它所依赖的正反馈和偶合机制在生物调控中很常见,因此,在詹姆斯看来,今后将会在更多的生命现象中看到触发波的存在,这也是实验团队之后的研究方向。

詹姆斯·费雷尔告诉科技日报:“很多生物学家还没听说过触发波,但我相信,在不久的将来,它会出现在教科书上。”

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责任编辑:符雪苑