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两篇PNAS挑战经典:细胞的“交流哲学”,行动前跟邻居商量下

2016/01/26 来源:生物探索
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导读
细胞必须通过阅读它们所在环境中的化学信号来决定是否移动以及移动到身体的哪里。发表在《PNAS》上的两项关于小鼠乳腺组织的新研究表明,在这一过程中,单个细胞并不是单独行动;相反地它们是在交换了彼此接受到的化学信息后,细胞们共同作出决定。


细胞必须通过阅读它们所在环境中的化学信号来决定是否移动以及移动到身体的哪里。发表在《PNAS》上的两项关于小鼠乳腺组织的新研究表明,在这一过程中,单个细胞并不是单独行动;相反地它们是在交换了彼此接受到的化学信息后,细胞们共同作出决定。

这2项研究的共同作者、Emory大学的生物物理学家Ilya Nemenman说:“在采取行动前,细胞会与‘邻居们’进行交流并对信息进行比较。”

研究人员发现,细胞的交流过程类似于在一个电话游戏中的信息传递。Nemenman说:“每个细胞只与它的相邻细胞交流。1号位置的细胞只与2号位置的细胞交流,通过2号位置的细胞得到3号位置细胞的信息。”

此外,与电话游戏中相似的是,如果很多人在传递信息给下一个人时声音都很小,那么到最后一个人时,最开始的信息会被扭曲。研究人员发现,在细胞交流中,经过约4个细胞后,信息开始被篡改了。

Nemenman说:“我们建立了一个细胞信息线性传递的数学模型,得出了一个可能具有最好准确性的公式。直接的细胞转移对器官和组织的发育以及癌症的发展过程非常重要。其他研究人员可以运用我们的模型,在广泛的健康和疾病系统中分析类似的现象。”

经典的Berg-Purcell检测限

自上世纪70年代以来,Howard Berg和Ed Purcell从事的研究致力于了解细胞基于化学线索决定采取行动的背后机制。身体中的每个细胞具有相同的基因组,但却做着不同的事情,去往不同的方向,这是因为它们检测到了不同的化学信号。这些化学信号由随机移动的分子组成。

Nemenman说:“细胞不仅可以感知一种化学信号的准确浓度,还能确定浓度差异。这是非常重要的,因为要想知道往哪个方向移动,细胞必须知道哪个方向的化学信号浓度更高。细胞感知这种梯度后,给它们的移动和成长方向提供参考。”

Berg和Purcell得出了可能最佳的误差幅度,即检测限(detection limit)。在接下来的30年里,科学家们证实了很多不同的细胞以这种检测限为工作机制。然而,这些细胞究竟是如何感知信号并共同作出行动决定的还并不清楚。

Nemenman说:“先前的研究通常集中在培养出的细胞上。然而,在这种情况下,细胞间的相关作用就消失了;细胞不再是一个功能性的组织,因此许多集体效应的研究就变得很困难。”

两篇新成果挑战Berg-Purcell

第一篇PNAS中,科学家们使用了三维微流控技术研究了功能性的类器官或者细胞簇。这种方法不会破坏细胞间的相互作用。结果显示,表皮生长因子(EGF)是这些细胞追踪的信号,且细胞不是独自决定“前进的方向”,而是一种集体行为。

Nemenman说:“细胞能够检测出不同侧浓度梯度间极小的差异,比如498 molecules的EGF和502 molecules的EGF。这样的精确度比Berg和Purcell提出的±20的误差幅度要好。即便在如此小的浓度梯度下,类器官依然开始重塑,且向较高的浓度移动。”此外,集体的细胞交流促进了检测的准确性,将约4个细胞变成了单个的、更加精确的测量单元。

第二篇PNAS文章中,研究者们调查了随着空间和时间的转变,细胞集体梯度感知精确度的限制。Nemenman说:“我们曾假设细胞间持续交流几小时或者几天、持续收集信息,那准确度可能会比4个细胞间的交流更好。令人惊讶的是,事实上并非如此。我们发现,在细胞系统中,信息传递多远而不形成混乱是有限制的。”

这两项研究通过在小鼠乳腺类器官上的实验总结出了集体细胞梯度感知的精细模型,改善了经典的、被认同了近40年的Berg-Purcell检测限。Nemenman说:“我们的研究结果为研究许多正常和异常的发育过程提供了新的途径。”

本文编辑自sciencedaily

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