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死亡的速度,是每分钟30微米: 细胞凋亡以波的形式传播
点击次数:234 发布时间:2018-08-14

斯坦福大学博士后程显瑞( Xianrui Cheng)和导师 James Ferrell Jr. 发现,细胞凋亡以波的形式传播,速度大约是每分钟 30 微米。该研究于 2018 年 8 月 10 日在《科学》(Science)发表。

 

令非洲爪蟾细胞死亡的触发波。(图片来源:Cheng et al)

 

细胞凋亡是细胞程序性死亡的一种形式,在动物的生长发育和维持组织稳态过程中发挥了重要的作用,例如人类胚胎手指间“蹼”的消失。Ferrell 说:“有时候我们不希望死掉的细胞死了,就成了神经退行性疾病;有时候我们想让细胞死,可它就是不死,就成了癌症。要想干预这些过程,我们就需要理解细胞凋亡的调控机制。

 

关于细胞凋亡的具体形式,学界曾经有两个猜想,即反应扩散模型和触发波。反应扩散模型认为,和细胞凋亡有关的蛋白质在细胞内自由扩散,最终导致整个细胞的死亡,这一过程会随着时间推移而减缓;而触发波理论认为,一个细胞的死亡引发更多周边细胞死亡,就像多米诺骨牌倒下一样,反应速度保持稳定,甚至有可能增加。

 

程显瑞和导师 Ferrell 在非洲爪蟾(Xenopus laevis)的卵子提取物中观察了细胞凋亡的过程。他们用绿色荧光染料追踪半胱氨酸蛋白酶(即 caspase蛋白)的活动,这种酶在细胞凋亡过程中发挥着重要的作用。他们发现,细胞凋亡在试管中传播的速度大约是每分钟 30 微米,并且在走过几毫米之后,传播速度没有下降。

 

两人在完整的非洲爪蟾卵细胞中重复了这个实验,确认了波的存在。他们还发现,细胞凋亡某种程度上取决于细胞中线粒体的数量和分布情况。

 

Ferrell 和共同作者 Xianrui Cheng 观察装着一个爪蟾卵细胞的玻片。

 

论文中指出,细胞凋亡控制网络包括数个正循环,能让细胞凋亡在细胞质中以自生式触发波(self-regenerating trigger waves)的形式传播。例如,被破坏的线粒体会释放出细胞色素C(cytochrome c),当细胞色素C的浓度达到一定水平,半胱氨酸蛋白酶就会开始发挥作用,激活其他的蛋白质破坏周围的线粒体,被破坏的线粒体随即释放出更多的细胞色素 C。

 

Ferrell 介绍,这个链式反应的速度要比物质的扩散更快,在非洲爪蝉的卵子里,触发波穿过这个直径 1.2 毫米的细胞只要半小时,而扩散要花上五个小时。

 

研究团队计划进一步研究触发波的形式是否也存在于在其他生物过程中,例如免疫系统的响应。“我们已经有了关于各种有机体内蛋白质和基因的信息,现在我们要弄清楚那些反复出现的主题是什么,”Ferrell 说:“我们证明了长距离通讯能通过触发波的形式完成,而触发波取决于正反馈循环、阈限和空间耦合机制等等,这些反应在生物调控过程中随处可见。现在,我们想知道触发波还存在于其他哪些地方。”

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