像我們這樣的多細(xì)胞生物依賴于細(xì)胞之間不斷的信息流動，協(xié)調(diào)它們的活動以增殖和分化。解讀細(xì)胞間通信語言一直是生物學(xué)中的核心挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在，加利福尼亞理工學(xué)院的科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過在一段時間內(nèi)有節(jié)奏地對信息進(jìn)行編碼，細(xì)胞已經(jīng)發(fā)展出一種通過單一途徑或通信信道傳輸更多信息的方式。

這項工作由生物學(xué)和生物工程學(xué)教授Michael Elowitz在霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員和生物工程執(zhí)行官的實驗室進(jìn)行，在2月8日出版的Cell雜志上發(fā)表。

特別是，科學(xué)家們研究了一種叫做“Notch”的關(guān)鍵通信系統(tǒng)，它幾乎用于動物的每一個組織。Notch途徑中的功能障礙導(dǎo)致多種癌癥和發(fā)育疾病，使其成為研究藥物開發(fā)的理想目標(biāo)。

細(xì)胞使用稱為配體的特殊通信分子進(jìn)行對話，這些分子與稱為受體的相應(yīng)分子天線相互作用。當(dāng)一個細(xì)胞使用Notch途徑將指令傳遞給它的鄰居 - 告訴它們分裂，或者分化成一種不同類型的細(xì)胞 - 發(fā)送信息的細(xì)胞將在其表面產(chǎn)生某些Notch配體。然后這些配體與嵌入附近細(xì)胞表面的Notch受體結(jié)合，觸發(fā)受體釋放稱為轉(zhuǎn)錄因子的基因修飾分子進(jìn)入他們牢房的內(nèi)部。轉(zhuǎn)錄因子傳遞到細(xì)胞的細(xì)胞核，細(xì)胞的DNA存儲在細(xì)胞核中，并激活特定的基因。Notch系統(tǒng)因此允許細(xì)胞從其鄰居接收信號并相應(yīng)地改變它們的基因表達(dá)。

配體通過改變它們所?？康氖荏w的結(jié)構(gòu)來促進(jìn)轉(zhuǎn)錄因子的激活。所有配體都以類似的方式修飾它們的受體并在接收細(xì)胞中激活相同的轉(zhuǎn)錄因子，因此，科學(xué)家們普遍認(rèn)為接收細(xì)胞不應(yīng)該能夠可靠地確定哪個配體激活了它，因此哪個配體發(fā)出信息接受。

“乍一看，細(xì)胞如何區(qū)分兩種配體(如果有的話)的唯一解釋似乎是它們必須以某種方式準(zhǔn)確地檢測兩種配體激活受體的強度差異。但是，到目前為止所有證據(jù)都表明，移動電話或無線電，細(xì)胞在準(zhǔn)確分析輸入信號方面要困難得多，“主要作者和前Elowitz實驗室研究生Nagarajan(Sandy)Nandagopal(博士'18)說。“他們通常非常善于區(qū)分信號的存在與否，但不是很多。從這個意義上說，蜂窩信息傳遞比發(fā)短信更接近發(fā)送煙霧信號。因此，問題是，作為一個細(xì)胞，你如何區(qū)分在兩個配體之間，這兩個配體看起來像遠(yuǎn)處類似的煙霧?“

Nandagopal和他的合作者想知道答案是否在于不同配體激活Notch的時間模式 - 換句話說，“煙霧”是如何隨時間發(fā)出的。為了測試這一點，該團(tuán)隊開發(fā)了一個新的基于視頻的系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)，他們可以在每個單獨的小區(qū)中實時記錄信令。通過用熒光蛋白標(biāo)記物標(biāo)記受體和配體，研究小組可以觀察分子如何在發(fā)生信號傳導(dǎo)時相互作用。

該團(tuán)隊研究了兩種化學(xué)相似的Notch配體，稱為Delta1和Delta4。他們發(fā)現(xiàn)，盡管配體的相似性，兩者激活了相同的受體，具有截然不同的時間模式。Delta1配體同時激活受體簇，將轉(zhuǎn)錄因子的突然爆發(fā)一下子傳遞到細(xì)胞核，就像由幾個巨大的泡芙組成的煙霧信號。另一方面，Delta4配體以持續(xù)的方式激活個體受體，向細(xì)胞核發(fā)送恒定的單一轉(zhuǎn)錄因子，如穩(wěn)定的煙霧。

研究人員表示，這兩種模式是編碼不同指令的關(guān)鍵。事實上，這種機制使兩個配體能夠傳達(dá)截然不同的信息。通過分析雞胚，作者發(fā)現(xiàn)Delta1激活腹肌生成，而Delta4強烈抑制相同細(xì)胞中的這一過程。

“細(xì)胞只講少數(shù)不同的分子語言，但他們必須共同努力才能完成各種不同的任務(wù)，”Elowitz說。“我們通常認(rèn)為這些語言非常簡單，細(xì)胞基本上只能互相咕嚕咕嚕。通過在交流過程中觀察細(xì)胞，我們可以看到這些語言比我們想象的更復(fù)雜，詞匯量更大。這可能只是細(xì)胞間通信的冰山一角。“