發(fā)布日期：2018-09-11
在我們體內(nèi)，每天有許多新細(xì)胞產(chǎn)生，相應(yīng)地，也有大量舊細(xì)胞死去。為了維持體內(nèi)各組織細(xì)胞的適宜數(shù)量，其新生與死亡需要達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。細(xì)胞凋亡，一種由基因精確控制的程序性細(xì)胞死亡機(jī)制，在這方面則發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。此外，它還能清除無用的細(xì)胞，促進(jìn)人體發(fā)育，例如人在胚胎期手指和腳趾的形成。可以說，細(xì)胞凋亡無時(shí)無刻不在體內(nèi)運(yùn)作。
存在于細(xì)胞內(nèi)的蛋白酶Caspase（半胱天冬酶）是細(xì)胞凋亡的最終執(zhí)行者，可以把細(xì)胞分解為細(xì)小的碎片。當(dāng)一個(gè)細(xì)胞大限將至，外界的分子通過與細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)受體接觸，將死亡信號(hào)傳遞到細(xì)胞內(nèi)，線粒體釋放出細(xì)胞色素c，激活半胱天冬酶，從而瓦解掉細(xì)胞。
距離很“長(zhǎng)”，死亡信號(hào)要從細(xì)胞一端傳到另一端
此前有研究發(fā)現(xiàn)，在細(xì)胞內(nèi)的死亡信號(hào)分子，即激活的半胱天冬酶，總是從一個(gè)或幾個(gè)分散的發(fā)源點(diǎn)，傳遞到各個(gè)角落，使細(xì)胞達(dá)到全局一致的凋亡狀態(tài)。但具體的傳播過程，一直未有實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚪沂尽Ｒ粋€(gè)很自然的假設(shè)是擴(kuò)散現(xiàn)象，即分子在某特定區(qū)域產(chǎn)生，并向低濃度區(qū)域轉(zhuǎn)移，直到均勻分布。一般的體細(xì)胞，直徑不會(huì)超過20微米，死亡信號(hào)通過擴(kuò)散只需要幾秒鐘，就能從細(xì)胞一端傳遞到另一端。然而，由于擴(kuò)散速率會(huì)隨濃度差的減小而逐漸衰減，對(duì)于一些大體積的細(xì)胞，如可長(zhǎng)達(dá)20厘米的大腿肌肉細(xì)胞，信號(hào)的傳遞得要耗費(fèi)幾十年時(shí)間，人體的壽命也不過如此。擴(kuò)散的理論在這兒就說不通了。那么，細(xì)胞內(nèi)信號(hào)的長(zhǎng)距離傳遞又是如何實(shí)現(xiàn)的？
美國(guó)斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的兩位科學(xué)家程顯睿和詹姆斯·費(fèi)雷爾的一項(xiàng)最新研究，解開了生物學(xué)上的這一謎題——死亡信號(hào)以觸發(fā)波的形式在細(xì)胞內(nèi)傳遞。
觸發(fā)波是一種自我增強(qiáng)的反應(yīng)——擴(kuò)散波，區(qū)別于簡(jiǎn)單的擴(kuò)散，其傳播速度恒定，信號(hào)強(qiáng)度不會(huì)衰減。如果將擴(kuò)散現(xiàn)象看作是動(dòng)物在森林中覓食，那么觸發(fā)波則是星火燎原。動(dòng)物的力量會(huì)逐漸消耗，行走速度也越來越慢，而由于草木間能彼此點(diǎn)燃，火勢(shì)憑借這種正反饋?zhàn)饔玫靡跃S持。
觸發(fā)波的產(chǎn)生條件，除了正反饋外，還有空間耦合機(jī)制。“我們注意到，參與細(xì)胞凋亡的許多細(xì)胞質(zhì)成分存在正反饋，且細(xì)胞質(zhì)不同區(qū)域之間可通過擴(kuò)散進(jìn)行物質(zhì)交換。因此，細(xì)胞質(zhì)可以成為觸發(fā)波的傳播媒介。”遠(yuǎn)在美國(guó)的程顯睿接受科技日?qǐng)?bào)電子郵件采訪時(shí)表示，再考慮到觸發(fā)波的速度恒定，在長(zhǎng)距離傳播中比擴(kuò)散快許多，于是他們提出細(xì)胞凋亡的傳播機(jī)制是觸發(fā)波的假說，并嘗試用實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證。
一次關(guān)燈，研究難題迎刃而解
這次研究材料選用的是非洲爪蟾的卵細(xì)胞，其直徑約為1300微米，是普通體細(xì)胞的100多倍。這樣大的體積為信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸提供了足夠的場(chǎng)所，也方便研究人員區(qū)分出究竟是擴(kuò)散還是觸發(fā)波在起作用。
科學(xué)家將提取的細(xì)胞質(zhì)，放到極細(xì)的透明長(zhǎng)管里，用熒光探針來標(biāo)記受到激活的半胱天冬酶，從而檢測(cè)細(xì)胞凋亡在空間的傳遞。人為觸發(fā)細(xì)胞凋亡后，可以清楚地看到，熒光點(diǎn)從長(zhǎng)管一頭勻速向另一頭移動(dòng)。經(jīng)測(cè)算得出其傳遞速度為每分鐘30微米，且不會(huì)隨傳遞距離而改變。
為了排除這只是將細(xì)胞質(zhì)放入長(zhǎng)管后出現(xiàn)的假象，科學(xué)家繼續(xù)對(duì)完整的卵細(xì)胞進(jìn)行研究。然而，由于這種細(xì)胞不透明，熒光標(biāo)記法就行不通了，那又如何觀測(cè)死亡信號(hào)的傳遞呢？這個(gè)問題困擾了程顯睿幾個(gè)月。直到某一天，他關(guān)掉實(shí)驗(yàn)室里為觀看熒光信號(hào)的熒光燈，把細(xì)胞放在普通日光燈下用顯微鏡觀察，一個(gè)神奇的現(xiàn)象出現(xiàn)在眼前：正在凋亡的細(xì)胞，其表面有一圈環(huán)形的深色波紋，從一側(cè)向另一側(cè)移動(dòng)。通過進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，這種表面波起始于凋亡的觸發(fā)點(diǎn)，且傳播速度與之前的長(zhǎng)管試驗(yàn)結(jié)果一致，從而有力證明了觸發(fā)波是細(xì)胞內(nèi)凋亡信號(hào)的傳播機(jī)制。
除了細(xì)胞凋亡，觸發(fā)波也與有絲分裂、神經(jīng)信號(hào)的傳導(dǎo)有密切關(guān)系。由于它所依賴的正反饋和偶合機(jī)制在生物調(diào)控中很常見，因此，在詹姆斯看來，今后將會(huì)在更多的生命現(xiàn)象中看到觸發(fā)波的存在，這也是實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)之后的研究方向。
程顯睿告訴科技日?qǐng)?bào)：“很多生物學(xué)家還沒聽說過觸發(fā)波，但我相信，在不久的將來，它會(huì)出現(xiàn)在教科書上。”
來源：科技日?qǐng)?bào)
