@ 2018.08.16 , 09:00

分速3微米:细胞凋亡的传播速度

科学家第一次亲眼目睹了细胞凋亡的完整过程,并测量出了死亡的行进速度。

所谓的细胞凋亡(apoptosis),是指为维持内环境稳定,由基因控制的细胞自主的有序的死亡现象——以每分钟3微米(0.003毫米)的速率像波纹一样触发连锁的级联反应。

波的信令过程被称为触发波。不要介意术语,想象一下森林火灾从起火点蔓延出去,或者一列多米诺骨牌挨个倒下,你就会很好地理解触发波是怎么回事。

它们是日常生活中重要的生物电化学过程,可以在长距离上快速可靠地传输信息。

在多细胞动物中,它们调节细胞的生存周期,其中细胞以分裂的方式产生新的细胞——触发波挨个激活路径上的细胞。

神经元的动作电位——沿着轴突传播电信号,也是一种触发波。

但现在,我们第一次晓得它们还参与了细胞凋亡的过程。

斯坦福大学的生物化学家James Ferrell说:“这是细胞生理过程中反复出现的主题,但大多数生物学家以前却从未听说过。我敢打赌,过不了多久,这个名词就会出现在教科书里。”

细胞凋亡与细胞坏死不同,细胞凋亡不是一件被动的过程,而是主动过程,它涉及一系列基因的激活、表达以及调控等的作用,它并不是病理条件下,自体损伤的一种现象,而是为更好地适应生存环境而主动争取的一种死亡过程。

但即便如此,它仍然是一个神秘的现象。例如,它并不总能阻止那些突变细胞变成癌细胞,或者它也会反应过度,出现在帕金森症和阿茨海默症等神经退行性疾病中,杀死大量的健康细胞。

研究人员说,如果我们想弄清楚其中的奥秘,并且根据情况,放慢或终止这一过程,我们需要先弄清楚细胞凋亡的调节机制。

为了观察细胞内的凋亡过程,研究人员使用了非洲爪蛙的卵。他们除去了卵细胞中的细胞质——除细胞核外的所有物质,将其置于试管中。然后他们向卵细胞注入绿色荧光蛋白,再启动了细胞凋亡的过程,蛋白会在凋亡时发出荧光。

绿色的光点以恒定的速度移动,表明细胞凋亡通过触发波传播,而不是化学扩散,后者是一种慢得多的通信方式。

下一步就是要看看能否在天然状态的细胞中观察到同样的现象,但由于青蛙的卵很不透明,使用荧光显微镜也不会有太大帮助。

但当在一个完整的卵子中诱导细胞凋亡时,他们注意到它的颜色发生了变化,随着细胞死亡而变暗。暗淡颜色在卵细胞的表面均匀蔓延,说明同样出现了触发波。

分速3微米:细胞凋亡的传播速度
完整的非洲爪蛙卵细胞凋亡时颜色暗淡的速度,Cheng & Ferrell|Science

经过分析后发现,被诱导凋亡的蟾蜍卵中出现了半胱天冬酶——在细胞程序性死亡中发挥关键作用的酶类型。另一方面,活卵中没有活化的半胱天冬酶。

他们确定,一旦凋亡过程开始,半胱天冬酶就会被激活。然后它们会扩散到附近的其他半胱氨酸蛋白酶,依此类推,就像那些倒下的多米诺骨牌一样,直到整个细胞死去。

团队希望探究免疫反应中的触发波过程。

“我们拥有生物中酶和基因的所有信息,我们正试图将两者联系起来,共同解释反复出现的触发波现象。”Ferrell说。

“我们证明了触发波可以实现体内长距离通信。触发波需要几个主要因素,正反馈循环,阈值和空间耦合机制,特定的化学成分遍布生物机体各处。一个多米诺骨牌倒在另一个多米诺骨牌上,并触发后者倒在下一个多米诺骨牌上。这个阈值就是第一块倒下的骨牌。现在我们想知道还有那些生理过程呈现出触发波的形式。”

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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