2018.08.16 08:19

科學家算出死亡的速度:一分鐘30微米

文|DeepTech深科技

近日,來自史丹福大學(Stanford University)的系統生物學家James Ferrell Jr.與程顯瑞(Xianrui Cheng)通過研究發現,在細胞內,細胞凋亡的資訊是通過觸發波(trigger waves)傳遞,就像多米諾骨牌一樣,一種誘導死亡的分子會啟動另一種分子,直至傳遞到整個細胞。

也許日子看似每天都是一樣的波瀾不驚,但你體內的細胞們卻一刻都不曾停歇的上演著要死要活的宮鬥大戲。有的拼了命的增殖,尋求永生,而有的卻要自我了斷,選擇「狗帶」( go die )。

對於後者,聽起來恐怖又喪氣,但正是細胞這一主動赴死的選擇,即細胞凋亡(apoptosis)的發生,保證了生物體的發育成熟以及細胞、器官的穩態平衡。

近日,來自史丹福大學(Stanford University)的系統生物學家James Ferrell Jr.與程顯瑞(Xianrui Cheng)通過研究發現,在細胞內,細胞凋亡的資訊是通過觸發波(trigger waves)傳遞,就像多米諾骨牌一樣,一種誘導死亡的分子會啟動另一種分子,直至傳遞到整個細胞。

通過進一步的研究,科學家們發現這一傳遞自殺訊息的「死亡之波」——觸發波速度約為每分鐘30微米,且能在不喪失速度或強度的情況下進行長距離傳播。也就意味著,對於直徑約100微米的神經細胞來說,讓整個細胞啟動自殺模式僅需要3分鐘左右。

 
 

「永不減速、永不衰退,『死亡之波』以這種方式傳遞,」James Ferrell介紹到,「這是因為在傳遞的每一步,細胞凋亡通過不停的啟動新的分子獲得動力,並以此將凋亡的資訊傳遞到細胞的每個角落。」

這一研究成果不僅解決了長久以來關於細胞內細胞凋亡的資訊是通過擴散還是激發波傳遞的爭論,同時也為癌症或阿茲海默症等疾病的治療提供思路,研究的詳細內容發表在8月10日的Science雜誌上。

 

▍細胞的「自殺」

死亡,是人類和一切生物不得不面對的生命終點,同樣,細胞也無法避免這一命運。一般來說,細胞的死亡方式分為多種,包括自殺—細胞凋亡,他殺—吞噬作用、免疫殺傷,誤殺—細胞壞死(necrosis)及細胞焦亡等多種形式,其中對細胞凋亡、細胞壞死兩種的瞭解較為深入。

細胞凋亡是一種細胞程式性死亡,一般由生理或病理性因素引起,相比於細胞壞死,細胞凋亡是細胞的主動行為。在細胞凋亡過程中,細胞縮小,DNA被核酸內切酶降解成180bp-200bp片段。1972年,Kerr等人首次將細胞凋亡這一概念引入生物界,取自「秋天樹葉的凋落以及花瓣的散落之意」,其過程大致可分為:接受凋亡信號、凋亡調控分子間的相互作用、蛋白水解酶的活化及進入連續反應過程階段。

事實上,在生物的發育、成熟過程中,細胞凋亡稱得上是必經之路。以人類胚胎發育為例,在懷孕第9週,胎兒手指、腳趾之間的蹼開始退化,隨後四肢形成最終形態。

在成熟個體中,細胞凋亡的作用也是必不可少,對於調控組織更新、清除壞變的細胞以及賦予中樞系統可塑性方面 ,細胞凋亡都發揮著至關重要的作用。

近年來,隨著對細胞凋亡過程研究的深入,人們試圖通過已有的研究對癌症、阿茲海默症等疾病進行探索。對於「長生不老」、可以逃避人體免疫細胞攻擊的癌細胞來說,研究人員希望激發癌細胞的細胞凋亡,使其自生自滅,達到消弭癌症的目的。

在如阿茲海默症、亨廷頓舞蹈症、帕金森病等此類神經退行性疾病中,細胞凋亡所扮演的角色同樣不容忽視。如果可以成功抑制細胞凋亡過程相關基因的表達,則可以成功維持大腦體積及神經細胞的狀態。

毋庸置疑,細胞凋亡遍佈生命過程,但一直以來這一「自殺」資訊是如何在細胞內傳遞的卻飽受爭議。一部分人認為,傳遞凋亡資訊的信號以分子擴散的形式在整個細胞內傳播,而另一部分人則認為像多米諾骨牌一樣,觸發波才是細胞內信號傳遞的正解,多年來雙方相持不下。

 

▍死亡資訊的出場方式—燎原之火

基於這一爭論,來自史丹福大學的系統生物學家James Ferrell Jr. 和程顯瑞展開了他們的研究。

為解決這一問題,他們首先選取非洲爪蟾卵細胞作為研究物件,提取出其中的細胞質並激發其細胞凋亡過程。通過一種螢光技術對與細胞凋亡啟動相關的蛋白進行標記,研究者觀察到綠色的螢光在以恒定的速度—約為每分鐘30微米移動,這意味著細胞凋亡正在發生,並且是以觸發波而非擴散(如果通過擴散傳遞,速度將逐漸減緩)的形式進行傳播的。

用多米諾骨牌來形容觸發波可以說是再形象不過了,最初的骨牌倒下,但卻將力量傳遞給了下一張骨牌,前赴後繼的將能量傳遞下去,直至最後一張骨牌。

就像燎原的星火一樣,細胞凋亡過程中最初被啟動的半胱天冬氨酸蛋白酶(caspases)繼續啟動其他臨近的caspase分子,以觸發波的形式向外傳播,直至整個細胞都接受到「自殺資訊」。

那這到底是不是細胞中細胞凋亡資訊傳遞的真相呢?為了進一步驗證自己的猜想,研究者們這次選擇在完整的非洲爪蟾蛙卵細胞中進行試驗。研究者注意到,當非洲爪蟾卵細胞死亡時,卵子表面會生成一種色素沉著波紋,以恒定的速度穿過卵子,類似的,速度同樣約為每分鐘30微米左右。同時研究者發現表面有色素沉積波紋的細胞中含有啟動的caspase分子,而沒有沉積波紋的卵子則不含有,證明了色素沉積波紋與細胞凋亡的關係,同時進一步驗證了在完整的細胞內,細胞凋亡同樣是以觸發波的形式傳遞的。

 
 

儘管每分鐘30微米的速度看起來似乎可以被稱為龜速,但是在僅有十幾或者幾十微米直徑的細胞中,這個速度意味著啟動死亡模式僅僅需要幾十秒或幾分鐘。同時,相比於擴散這種傳播模式,觸發波表現的更為穩定、恒定,尤其是在長距離傳輸中,表現的更為可信。

事實上,這並非是觸發波這種資訊傳遞形式的首次發現,在細胞生命的每一天,觸發波都在發揮著不可取代的作用。對於多細胞生物而言,觸發波存在於細胞週期中—細胞分裂的資訊通過觸發波傳遍整個細胞。大腦的神經元動作電位也有他們的蹤跡—沿著軸突傳遞的電信號,也是觸發波。

但如今他們第一次與細胞凋亡扯上了關係。「這是大自然使用觸發波的又一例證,「Ferrell說到,但他並不滿足於此,目前他的研究團隊正在試圖找尋觸發波與先天免疫系統中細胞之間資訊傳遞的關係,如果病毒可以在細胞間一個傳一個,那麼免疫資訊為什麼不可以呢?

在生物學的研究過程中,如何健康長久的生存是研究的最終目的,而對於死亡的瞭解卻是其中的關鍵。「有時,我們的細胞死掉,但我們希望的卻恰恰相反,比如神經退行性疾病中的神經元。有時,我們的細胞不會死亡,但事實上我們卻巴不得他們死掉,比如癌症中的癌細胞。如果我們想要干預細胞過程,那麼我們首先就需要理解細胞凋亡是如何受到調節的。」

「而今,生物學家們正在意識到觸發波在生物資訊傳遞中的重要作用」,Ferrell 說到。而隨著研究者將觸發波通訊的思路應用於免疫系統的研究中,也許觸發波將會有更重要的生物學角色被發現。

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本文係由DeepTech深科技授權刊登。原文連結:人类首次发现细胞“死亡之波”:每分钟30 微米,启动自杀模式!

更新時間|2019.03.21 05:36

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