日本的研究人員認(rèn)為他們已經(jīng)找到了一個(gè)基本的生物學(xué)問題的答案，即個(gè)體細(xì)胞如何知道在復(fù)雜的多細(xì)胞體內(nèi)定位自己的方式。根據(jù)電池在較大結(jié)構(gòu)中的用途，接觸或擴(kuò)散化學(xué)信號(hào)將其引導(dǎo)至其最終目的地。

從卵子和精子到完全成長(zhǎng)的身體的旅程需要的不僅僅是乘法。植物，動(dòng)物和人都是由數(shù)萬(wàn)億個(gè)細(xì)胞組成，精心組織成更大的結(jié)構(gòu)，如組織和器官。不知何故，每個(gè)細(xì)胞都知道它所屬的位置 - 心臟的左側(cè)，結(jié)腸的內(nèi)層，等等 - 并且通常保持放置。

“當(dāng)細(xì)胞在多細(xì)胞生物中定位時(shí)，幾乎不可能剖析發(fā)生的事情，因?yàn)橛刑嗟膮⑴c者：不同的細(xì)胞類型，細(xì)胞內(nèi)的不同分子，細(xì)胞外的不同化學(xué)信號(hào)，細(xì)胞生長(zhǎng)，程序性細(xì)胞死亡，”Satoshi教授說。來自東京大學(xué)的Sawai，生物物理專家，利用物理學(xué)原理來理解生命系統(tǒng)的領(lǐng)域。

粘泥模系統(tǒng)

粘液模具提供了一種更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)來理解細(xì)胞定位。粘液霉菌是變形蟲，但其大小和形狀與人類白細(xì)胞相似，并且具有細(xì)胞動(dòng)力學(xué)的基本方面，例如遷移和吞噬引起疾病的病原體。

粘菌Dictyostelium discoideum的單個(gè)細(xì)胞可以獨(dú)立存在，在土壤中自由生活，食用細(xì)菌和真菌。當(dāng)食物稀缺時(shí)，獨(dú)立的粘液霉菌細(xì)胞聚集在一起并起到多細(xì)胞生物的作用。

當(dāng)粘液霉菌細(xì)胞聚集在一起時(shí)，有時(shí)100個(gè)細(xì)胞，其他10,000個(gè)細(xì)胞，它們分化成兩種不同的類型。

第一種類型的前莖細(xì)胞最終形成支持由第二種類型的孢子前細(xì)胞組成的球體的柱。研究人員將這個(gè)由兩部分組成的結(jié)構(gòu)稱為子實(shí)體。當(dāng)前孢子細(xì)胞最終在風(fēng)中漂浮到更好的環(huán)境中時(shí)，前莖細(xì)胞將死亡，在那里它們可以作為獨(dú)立的變形蟲再次生長(zhǎng)和分裂。

在叢中，在子實(shí)體成形之前，細(xì)胞附著形成長(zhǎng)列并且旋轉(zhuǎn)，浸沒在它們分泌的化學(xué)信號(hào)中。在20世紀(jì)70年代首次發(fā)現(xiàn)，這種稱為cAMP的擴(kuò)散化學(xué)物質(zhì)吸引細(xì)胞。

傳統(tǒng)上，認(rèn)為對(duì)cAMP信號(hào)的吸引程度將細(xì)胞分離成前莖和前孢子細(xì)胞。然而，最近的遺傳實(shí)驗(yàn)表明，與粘附或細(xì)胞與細(xì)胞接觸相關(guān)的分子也可能是重要的。

“ 粘液霉菌有什么好處，你可以從更大的結(jié)構(gòu)中取出單個(gè)細(xì)胞，它們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^模擬多細(xì)胞環(huán)境的相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)置自然地表現(xiàn)，”Sawai說。

兩種類型的信號(hào)

在他們的新實(shí)驗(yàn)中，研究人員從多細(xì)胞叢中取出細(xì)胞，并追蹤個(gè)體細(xì)胞如何遷移以響應(yīng)人工觸摸和cAMP信號(hào)。

當(dāng)細(xì)胞系形成時(shí)，前導(dǎo)細(xì)胞向cAMP方向移動(dòng)。跟隨細(xì)胞沒有拉動(dòng)，而是積極推動(dòng)前導(dǎo)細(xì)胞前進(jìn)。

“細(xì)胞 - 細(xì)胞接觸激活細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的過程。細(xì)胞是引擎，引導(dǎo)細(xì)胞是方向盤，總是指向化學(xué)信號(hào)的方向，”Sawai說。

研究人員還將單個(gè)前莖或前孢子細(xì)胞放置在涂有粘附分子的珠子上，該粘附分子似乎在細(xì)胞尾端起作用。附著的所有細(xì)胞都遵循細(xì)胞系中的珠子。研究人員隨后將cAMP添加到實(shí)驗(yàn)中。前莖細(xì)胞釋放珠子并朝向cAMP源移動(dòng)。然而，前孢子細(xì)胞忽略了cAMP并且牢牢地保持在珠子上。

Sawai的研究小組證明，細(xì)胞之間的頭對(duì)尾觸摸可以指導(dǎo)它們的遷移，但是cAMP不知何故只能在pre-stalk細(xì)胞中覆蓋這種接觸。

“很多人認(rèn)為你必須去火星尋找生命的基本規(guī)則。但是我們可以看看地球上生命之樹的所有尚未開發(fā)的分支。粘液模具給我們提示看看是什么為了理解更復(fù)雜物種背后的機(jī)械邏輯，“Sawai說。

這一發(fā)現(xiàn)細(xì)胞 - 細(xì)胞接觸對(duì)激活細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和組織的重要性將為研究胚胎發(fā)育或乳腺癌擴(kuò)散等事件中的細(xì)胞模式形成開辟新的可能性。

結(jié)果發(fā)表在“ 美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊”上。