细胞也会走迷宫!《科学》新研究揭示其特殊技巧

作者: 环球科学

来源: 环球科学

发布日期: 2020-08-31

新研究揭示了细胞如何通过化学浓度梯度在体内进行长距离迁移,特别是在走迷宫的实验中,细胞和黏菌展示了它们独特的迁移技巧。

在我们体内,细胞时刻上演着“走迷宫”般的长距离迁徙。无论是胚胎形成、神经发育还是癌细胞转移、免疫反应等生理过程,都需要经过复杂的生理环境,找到目标地点。但是,这些细胞是如何做到这一点的?一个已经得出的结论是细胞的趋化性:身体内的很多化学物质都存在浓度梯度,而细胞会根据某些化学物质的浓度梯度,从低浓度向高浓度区域迁移。

不过,这个假说似乎不能解释所有的细胞迁移场景——例如,癌细胞在体内转移的路线上,化学物质的浓度梯度显然不可能是一路递减的。因此,一定存在着其他的机制来解释这一现象。类似的现象也出现在一种黏菌中。当缺乏食物或面临生存威胁时,成千上万个有盘基网柄菌(Dictyostelium discoideum)会集体地向周围释放一种化学物质——环磷酸腺苷(cAMP)。

当这些黏菌接收到信号时,它们会根据这一信号移动,并且又会向周围继续发射cAMP信号。最终,这些黏菌聚合成一个多细胞的集群。因此,这些黏菌相当于自行创建局部的化学浓度梯度,从而实现移动。那么,这也是身体中细胞实现长距离迁移的机制吗?最近在一项发表于《科学》的文章中,研究人员分别用癌细胞和黏菌做了一组迷宫实验,让它们走汉普敦宫迷宫的模拟版。

研究人员发现,细胞确实是依靠化学浓度的梯度前进,能辨别前后1%的化合物浓度差异。在一个具有浓度梯度的迷宫中,它们能顺着浓度梯度往前移动。但是,当迷宫中的化合物浓度一样时,它们明显移动得更快。实际上,在这一过程中,细胞通过产生降解cAMP的酶,给自己制造一个前后极高的浓度差。这时化合物的浓度扩散会加剧,它们也会加快向前移动。此外,当细胞碰到一个死胡同时,它们重新选择新的路径。

由于它们消耗了里面的cAMP,它们为后续的细胞排除了“错误选项”,使得随后到来的细胞不再选择这条死路。因此,这些细胞能找到走出迷宫的唯一或最短路径。研究中还出现了另一个有趣的现象。虽然盘基网柄菌和癌细胞能采用相同的方法走出同一个迷宫,但它们所需要的时间相差极大。盘基网柄菌花45分钟行走的距离,癌细胞需要花48个小时。

导致这一现象的原因是,由于吸引各种细胞的趋化因子并不相同,癌细胞会受到溶血磷脂酸(LPA)的吸引。虽然癌细胞会降解LPA,但LPA扩散的速度远会低于cAMP的扩散速度,因此也限制了癌细胞的移动速度。

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