來自新加坡國立大學(xué)新加坡力學(xué)生物學(xué)研究所(MBI)的研究人員團(tuán)隊(duì)以及新加坡淡馬錫生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)室和A * STAR分子與細(xì)胞生物學(xué)研究所的同事發(fā)現(xiàn)了一種建立細(xì)胞極性的新機(jī)制。這取決于張力引起的蛋白質(zhì)聚集。這項(xiàng)工作于2017年8月發(fā)表在科學(xué)雜志“自然細(xì)胞生物學(xué)”上。

皮質(zhì)力誘導(dǎo)蛋白質(zhì)聚集以進(jìn)行細(xì)胞極化

生物細(xì)胞通?？梢暬癁閳A形(或球形)形狀，細(xì)胞核位于中間，其他細(xì)胞成分遍布整個(gè)細(xì)胞。實(shí)際上，每種細(xì)胞類型都具有不同的形狀，大小和組成。對稱球體的描述實(shí)質(zhì)上是過度簡化，隱藏了幾乎所有細(xì)胞在其組成上不對稱的事實(shí)，并且這種不對稱性在精確且有序的步驟中發(fā)展。

被稱為細(xì)胞極性，細(xì)胞的這一關(guān)鍵特征是亞細(xì)胞成分分離成細(xì)胞的不同區(qū)域。如果細(xì)胞是對稱的，那么細(xì)胞分裂和運(yùn)動(dòng)等過程就不會(huì)正確發(fā)生，組織和器官會(huì)變形而無功能。盡管是生物體發(fā)育不可或缺的一部分，科學(xué)家尚未完全確定細(xì)胞極化的過程。

可視化細(xì)胞組成的不對稱性質(zhì)的一種方法是考慮汽車的組件以及它們的排列方式。汽車的某些部件必須采用平衡布局，例如車輪。其他部件需要以特定方向布置才能正常工作，即駕駛員座椅必須位于后排乘客座椅前方。最后，諸如發(fā)動(dòng)機(jī)之類的部件可以位于汽車的前部或后部，重要的是，該組織賦予汽車操縱不同的特性。以相同的方式，細(xì)胞組分的排列可對細(xì)胞功能產(chǎn)生顯著影響。

許多關(guān)于細(xì)胞極性的現(xiàn)有研究已經(jīng)在線蟲C.線蟲中進(jìn)行。在單細(xì)胞階段，胚胎沿前/后軸分開以產(chǎn)生兩個(gè)不同大小的子細(xì)胞，前部有較大的細(xì)胞，后部有較小的細(xì)胞。該前/后軸通過稱為PAR(分區(qū)缺陷)蛋白質(zhì)的一組蛋白質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和分離而建立。

這些PAR蛋白存在于細(xì)胞皮層中，細(xì)胞皮層是位于細(xì)胞膜內(nèi)的蛋白質(zhì)細(xì)絲的動(dòng)態(tài)層。在極化之前，PAR蛋白分布在整個(gè)皮質(zhì)中，在那里它們自由移動(dòng)。在極化期間，皮質(zhì)收縮，這導(dǎo)致不同的PAR蛋白在細(xì)胞的前部或后部分離和積聚，從而破壞它們先前對稱的組織并沿前/后軸建立極性。然而，收縮活性轉(zhuǎn)運(yùn)和分離PAR蛋白的機(jī)制仍不清楚。

張力流動(dòng)

由MBI和淡馬錫生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)室首席研究員助理教授Fumio Motegi領(lǐng)導(dǎo)的研究小組試圖通過觀察熒光標(biāo)記的PAR蛋白復(fù)合物在活體線蟲胚胎中進(jìn)行極化時(shí)在顯微鏡下的運(yùn)動(dòng)來回答這個(gè)問題。他們使用先進(jìn)的顯微技術(shù)發(fā)現(xiàn)某些PAR蛋白在極化開始時(shí)聚集成簇，隨著極化的進(jìn)展，這些簇的大小逐漸增大。一旦皮質(zhì)收縮停止，簇就會(huì)被分解，蛋白質(zhì)沿著前/后軸展開為梯度。

盡管有這些發(fā)現(xiàn)，研究人員沒有觀察到收縮纖維和PAR蛋白之間的直接聯(lián)系，這使他們假設(shè)收縮的間接影響是聚類的原因。通過破壞或加強(qiáng)actomoysin皮質(zhì)并觀察對簇形成的影響，他們發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)PAR聚集的關(guān)鍵力量是皮質(zhì)張力，其隨著皮質(zhì)收縮而發(fā)展。

由此，研究人員能夠提出一種解釋PAR蛋白分離的新模型。在這里，肌動(dòng)球蛋白皮質(zhì)的收縮導(dǎo)致皮質(zhì)張力的增加，導(dǎo)致PAR蛋白組裝成簇。當(dāng)這些大的簇移動(dòng)緩慢時(shí)，它們會(huì)陷入整個(gè)皮質(zhì)流中并在細(xì)胞的一端分離，從而建立極性。這些PAR蛋白的分離簇然后充當(dāng)支架，其介導(dǎo)沿著身體建立前/后軸所需的其他蛋白質(zhì)的局部積累。

本研究中發(fā)現(xiàn)的機(jī)制是一個(gè)簡單而優(yōu)雅的例子，說明細(xì)胞如何利用內(nèi)力以精確，有序的方式移動(dòng)和組織蛋白質(zhì)成分。重要的是，所描述的力驅(qū)動(dòng)機(jī)制允許細(xì)胞通過主動(dòng)運(yùn)輸?shù)鞍踪|(zhì)或細(xì)胞組分抵抗?jié)舛忍荻榷O性而不浪費(fèi)能量。據(jù)信，類似的機(jī)制被用于打破其他生物(包括人類)的對稱性，并且希望這些新知識(shí)將幫助科學(xué)家了解細(xì)胞極性如何以及為何無法在囊性纖維化和癌癥等疾病中正確建立。