在多細(xì)胞動(dòng)物中，細(xì)胞通過(guò)發(fā)射和接收蛋白質(zhì)進(jìn)行通信，這一過(guò)程稱為信號(hào)傳導(dǎo)。最常見的信號(hào)傳導(dǎo)途徑之一是轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子b(Tgf-b)途徑，其在所有動(dòng)物物種的整個(gè)生命期中起作用并調(diào)節(jié)許多生物過(guò)程，例如指導(dǎo)細(xì)胞如何分化 - 干細(xì)胞是否將成為例如，肌細(xì)胞或骨細(xì)胞。但細(xì)胞如何破譯這些信號(hào)并利用這些信息來(lái)指導(dǎo)基因表達(dá)呢?根據(jù)加州理工學(xué)院生物學(xué)助理教授Lea Goentoro實(shí)驗(yàn)室的最新研究得出的答案：細(xì)胞進(jìn)行簡(jiǎn)單的分裂。換句話說(shuō)，他們做數(shù)學(xué)。

該研究結(jié)果發(fā)表在4月4日的“美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊”上的一篇論文中，與先前關(guān)于細(xì)胞如何解釋信號(hào)的假設(shè)相矛盾。這項(xiàng)工作由生物化學(xué)和分子生物物理學(xué)研究生克里斯托弗弗里克領(lǐng)導(dǎo)。“Tgf-b途徑中的功能障礙與許多類型的癌癥有關(guān)，這就是為什么研究細(xì)胞如何發(fā)揮作用，了解細(xì)胞如何使用這種途徑從環(huán)境中獲取信息并將其轉(zhuǎn)化為改變的基因表達(dá)的原因。，“Goentoro說(shuō)。“我們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞能夠隨著時(shí)間的推移監(jiān)測(cè)某種蛋白質(zhì)的豐度，并以某種方式將Tgf-b信號(hào)后的豐度除以信號(hào)之前的豐度。然后細(xì)胞利用該比率相應(yīng)地調(diào)整基因表達(dá)。”

細(xì)胞對(duì)Tgf-b信號(hào)的檢測(cè)觸發(fā)了一系列分子相互作用，最終導(dǎo)致一種稱為Smad3的蛋白質(zhì)豐度的變化。當(dāng)細(xì)胞遇到Tgf-β信號(hào)時(shí)，一種信使Smad3在細(xì)胞膜上被激活，并最終進(jìn)入細(xì)胞核，在那里它指導(dǎo)基因表達(dá)。生物學(xué)家通常認(rèn)為基因表達(dá)的改變程度取決于暴露于Tgf-β后產(chǎn)生多少Smad蛋白。

為了研究Smad如何實(shí)時(shí)響應(yīng)Tgf-b，研究人員在單個(gè)細(xì)胞中制作了信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程的電影。他們發(fā)現(xiàn)該途徑并不像生物學(xué)家先前所認(rèn)為的那樣表現(xiàn)。在接觸到Tgf-b信號(hào)后，研究人員發(fā)現(xiàn)，Smad3確實(shí)像預(yù)期的那樣移動(dòng)到細(xì)胞核。令人驚訝的是Smad3的豐度在每個(gè)細(xì)胞中都有顯著差異。然而，盡管Smad3濃度差異很大，但信號(hào)后Smad3的水平除以信號(hào)前的水平在每個(gè)細(xì)胞中都是一致的。

這一觀察結(jié)果使研究人員假設(shè)細(xì)胞能以某種方式計(jì)算出這一比例，并且基因反應(yīng)與這種相對(duì)變化(稱為倍數(shù)變化)成比例，而不是與Smad3的豐度成正比。

為了測(cè)試這一點(diǎn)，研究人員測(cè)量了細(xì)胞中的靶基因表達(dá)，并比較了它與Smad3的豐度以及Smad3的倍數(shù)變化的相關(guān)性。實(shí)際上，他們發(fā)現(xiàn)靶基因表達(dá)僅取決于Smad3的比例而不取決于細(xì)胞Smad3的含量。

“在這項(xiàng)工作之前，試圖表征腫瘤特性的研究人員可能會(huì)從中獲取切片并測(cè)量細(xì)胞中Smad的總量，”Goentoro說(shuō)。“我們的研究結(jié)果表明，要了解這些細(xì)胞，必須測(cè)量Smad隨時(shí)間的變化。”

“這個(gè)結(jié)果是非直觀的：很容易想象細(xì)胞如何通過(guò)增加Smad3的豐度來(lái)增加靶基因的表達(dá)，”弗里克說(shuō)。“因此，我們中的許多人都曾期望Smad3的豐度會(huì)根據(jù)Tgf-β信號(hào)進(jìn)行調(diào)整。相比之下，這些細(xì)胞調(diào)節(jié)的是Smad3豐度變化的比例?，F(xiàn)在最大的問(wèn)題是：如何一個(gè)細(xì)胞計(jì)算這個(gè)比例然后相應(yīng)地調(diào)整基因表達(dá)嗎?“