细胞也能成为走迷宫高手?

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细胞也能成为走迷宫高手?

以下文章来源于学术经纬 ,作者学术经纬

药明康德内容团队编辑

近日,最新一期《科学》杂志发表了一项很有意思的研究:一支来自英国的团队分别让胰腺癌细胞与细菌 ” 走迷宫 “。有趣的是,这两类不同的细胞还真能找到出口。这是为啥?

▲细胞花了一个多小时,走出了这个迷宫丨参考资料 [ 1 ]

在解释细胞的特殊寻路本领前,我们先来了解下科学家们为啥要让细胞走迷宫。长久以来,科学家们就想知道细胞如何进行长距离的迁徙。这对理解胚胎发育,或是癌症的转移,都有重要的意义。早期的研究发现,细胞具有一定的趋化性,也就是会依照某种化学分子的浓度梯度进行迁徙。这就好像人想要走出黑暗的山洞,就要朝着光线逐渐变强的方向前进。

然而,简单的趋化性无法解释很多复杂的现象。比如有时细胞需要长途跋涉,前往身体的另一端。难道身体的两端之间,有着严格的化学分子浓度梯度吗?显然,这是不现实的。另外,细胞的迁徙道路并非是 ” 直达 “,路上还有很多岔道。它们又要怎样找到正确的道路,避免误入歧途?

▲细胞不但能走出迷宫,还会寻找最短的路径丨参考资料 [ 1 ] ;不同颜色代表不同的时间,蓝色代表进入迷宫的早期,红色代表后期

基于这些问题,研究人员们对 ” 趋化性 ” 模型进行了优化,指出细胞可以将周围吸引它们的趋化分子进行降解,人为创造更强的浓度梯度出来。打个比方,比如某种细菌会从糖分子浓度较低的地方,移动到糖分子浓度较高的地方。但如果周围糖分子的浓度都很高,没有明显的高低,它就无所适从,失去了前进的方向。但要是它一边走一边吃,走过的道路上,糖分子的浓度就会变低。这样一来,它们就知道,继续往前走,才能吃到更多的糖。

▲两种不同情况的模拟。上图为简单来自环境的浓度梯度,下图为降解趋化分子后自发产生的浓度梯度丨参考资料 [ 1 ] ;不同颜色代表不同的浓度,紫色为最高,白色为最低

▲实际观察到的细胞运动情况丨参考资料 [ 1 ]

研究人员们表示,这种通过降解趋化分子来自寻道路的做法,比起简单依靠大环境的浓度梯度,可以让细胞前进得更为主动,也让长途跋涉有了理论上的依据——细胞不需要全身性的化学分子浓度梯度。它只要 ” 逢山开路,遇水搭桥 “,随时产生驱动其前行的浓度差即可。

而且,这个模型还能解释细胞如何选择正确的道路,这正是最初科学家们让细胞走迷宫的原因。理论上说,如果在细胞面前有两条同样的开放式道路,它们会自我达成平衡,做到兵分两路——前往其中一条路的细胞多了,这条道路中的趋化分子总体水平就会降低。这样一来,细胞就会被另一条道路里的趋化分子所吸引,达成微妙的动态平衡。

而如果前方有一条是死胡同,里头的趋化分子会很快被先头部队所降解光。这样一来,后续的细胞就知道此路不通,纷纷转向正确的道路。

▲通过感知趋化分子的浓度变化,细胞可以自行规避死胡同丨参考资料 [ 1 ]

▲死胡同越短,细胞能越快做出判断丨参考资料 [ 1 ]

▲死胡同越长,细胞也越容易迷路……丨参考资料 [ 1 ]

更神奇的是,由于趋化分子本身会向四周扩散,这些细胞在道路的分支处,就可以提前对其进行降解,并由此判断出哪一条是死路。研究人员们也指出:趋化分子的扩散速度越快、细胞本身移动的速度越慢、或是死路越短,细胞做出正确判断的几率也越高。

▲只要掌握了诀窍,再复杂的迷宫也没问题丨参考资料 [ 1 ]

综合来看,研究人员们指出由细胞自行产生的趋化分子浓度梯度,能让细胞高效在复杂的道路中穿梭。如果能理解细胞如何与其他细胞、趋化分子、以及所处的环境进行互作,就能更好地理解细胞在体内的迁徙。这能帮助我们搞明白很多生理发育过程,以及像癌症转移这样的病理过程。

参考资料:

[ 1 ] Luke Tweedy et al., ( 2020 ) , Seeing around corners: Cells solve mazes and respond at a distance using attractant breakdown, Science, DOI: 10.1126/science.aay9792

本文经授权转载自学术经纬(ID:Global_Academia),如需二次转载请联系原作者

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