細胞如何通過連接形成組織并保持完整性？

在多細胞生物中，當細胞分裂形成組織和器官時，它們會移動到屬于它們的地方，這是通過科學家尚未觀察到或完全了解的一系列線索知道的。

傳統(tǒng)上，這些集體運動是在細胞類型之間的生化鑒定的背景下研究的。例如，蛋白質(zhì)E-鈣粘蛋白(在鈣依賴性粘附中發(fā)現(xiàn)并命名)是負責細胞相互識別能力的元素，其中各種類型的E-鈣粘蛋白出現(xiàn)在生物體的不同部位。這些鈣粘蛋白受體使相似的細胞能夠相互結(jié)合形成特定類型的組織；例如，E-鈣粘蛋白之所以如此命名，是因為它存在于上皮細胞中。

“E-cadherin為細胞之間的“握手”提供了最初的信號，但它們不是連接的主要持有者，”加州圣巴巴拉的教授和機械工程師貝絲普魯特(Beth Pruitt)說，他研究機械生物學，并試圖更好地理解細胞結(jié)合形成組織，并在經(jīng)歷的正常負荷下保持其完整性。

理解驅(qū)動這種生物行為的化學-機械機制將更好地定位科學家，以便在識別過程中出現(xiàn)問題時開發(fā)和治療疾病。這包括癌癥轉(zhuǎn)移，即癌細胞失去對“相似”細胞的依賴并遷移出腫瘤的過程?；虬l(fā)育缺陷或傷口愈合，其中相似的細胞不能結(jié)合來構(gòu)建或修復健康的組織。

根據(jù)普魯特的說法，這項研究也有助于開發(fā)一個創(chuàng)建實驗室培養(yǎng)器官的系統(tǒng)。從細胞在體內(nèi)的力學特性來看，用合適的支架培養(yǎng)健康的功能細胞是非常重要的。

當細胞在發(fā)育或傷口愈合過程中向目的地移動時相互滑動時，它們會施加剪切力。具體來說，這些局部面內(nèi)剪切力如何在整個組織中擴散——這在集體組織行為中非常重要——尚未被理解，部分原因是難以在組織中施加直接的局部剪切力。

在發(fā)表在《eLife》雜志上的一篇論文中，加州大學圣巴巴拉分校和斯坦福大學的普魯特和她的合著者描述了一種新設(shè)備，該設(shè)備允許他們將干擾引入系統(tǒng)，觀察細胞反應(yīng)行為并測量整體強度，并提供新的見解。鈣粘蛋白在細胞動力學中的作用。微制造裝置沿著剪切面(如地震斷層)將細胞相互拖動，同時在實驗過程中通過微制造彈簧作為在線力傳感器測量總力。

研究人員的第一個問題是，剪切力是否會導致細胞在發(fā)育或集體遷移過程中相互流動。沒有，但細胞確實變形了，這表明剪切是一種“扭傷”，而不是撕裂。接下來的問題是“受傷”之后會發(fā)生什么。答案是：切割細胞向所有其他細胞發(fā)出信號，表明發(fā)生了什么事情，它們都需要對此做出反應(yīng)和適應(yīng)。

普魯特說：“我們發(fā)現(xiàn)，這種中繼依賴于通過E-鈣粘蛋白結(jié)合和肌動蛋白收縮(后者對所有真核細胞的物理過程至關(guān)重要)的正常細胞間相互作用的存在。

她進一步解釋說，未切割的單層細胞已經(jīng)相互轉(zhuǎn)移，并有其他人觀察到的自然振蕩，但這種振蕩的機制和原因尚不清楚。在剪切細胞單層中觀察到的模式是遷移自然振蕩的放大變體。在這種集體行為中，細胞隨著波動來回跳舞“傷害”，然后遠離它，再向它移動，然后離開，直到細胞恢復變形前的原始形狀。

“通過觀察這些振蕩并測量整體力，如直列彈簧所實現(xiàn)的，我們可以提出一個機械模型，其中包括機械信號存儲和中繼元件，用于模擬上皮單層，”普魯特解釋說?！斑@個元素與眾所周知的細胞粘彈性平行，這可以解釋我們觀察到的集體行為。細胞可能會利用這種行為，在剪切引起的力不平衡之后，維持發(fā)育中組織的張力穩(wěn)定狀態(tài)。”

研究人員表示，他們的研究成果以及為研究機械生物學而創(chuàng)造的新設(shè)備，將使科學家能夠提出新的問題，即其他類型的細胞如何感知和傳遞多細胞組織中的力，尤其是剪切力。

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