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揭示新型细胞运动

日期:2014-09-01 00:00:00

在来自宾夕法尼亚大学与国立牙科和颅面研究所的一项新研究中,科学家们采用一种创新的技术研究了细胞在与皮肤组织结构相似的三维基质中是如何运动的。他们发现了一种全新的细胞运动,就像发动机中的活塞,细胞核生成压力将细胞质膜向前推,帮助推动了细胞在基质中前进。

宾夕法尼亚大学牙医学院口腔正畸学系教授Hyun (Michel) Koo说:“大家的研究工作阐明了一个非常有趣的问题:当细胞处在生理相关的复杂3D胞外基质环境中时会如何移动?大家发现,细胞核可以发挥活塞作用,分隔细胞质,提高静水压力驱动细胞在3D基质内运动。”

研究人员针对结缔组织中最常见的细胞类型——成纤维细胞展开了研究。成纤维细胞自身会生成包括胶原蛋白(collagen)和纤连蛋白(fibronectin)在内的一些蛋白质,构成皮肤、肠道和机体其他组织中复杂的基质。研究人员利用由成纤维细胞生成的基质测试了细胞是如何迁移通过三维结构的。

在二维表面上研究成纤维细胞表明,最典型的运动形式与板状伪足(lamellipodia)相关,它是由于肌动蛋白聚合成纤维,将细胞膜推向前所产生,而在2012年,Petrie和Yamada证实当将成纤维细胞放置到三维基质中,它们迁移时可以切换至一种不同的移动策略:利用叶状伪足(lobopodia)。

研究人员并不知道这些叶状伪足是如何形成的。他们怀疑有可能是由于细胞内增高的压力所产生。研究人员利用先进的微电极测量了细胞内液体的静水压力,发现相比于在二维表面或是没有交联的三维基质中的细胞,在三维胞外基质中运动的细胞压力显著增高。

为了深入探究在三维基质中运动的细胞内部的压力分布,他们检测了来自细胞核前后的压力。利用叶状伪足的细胞其细胞核前方的压力增高,产生的能量推动了细胞前进。利用活细胞共聚焦显微镜,他们观察发现细胞核被拉向前,远离细胞的后部,细胞核将细胞分成了高压和低压区室。

Petrie 说:“当细胞在基质中时,细胞核往往在细胞的后部,细胞体的形状呈管状。它真的看起来像一个活塞”

他们发现实际上是肌动蛋白丝将细胞核与细胞前部连接,拉动细胞核向前。这种移动给细胞“施加了压力”。科学家们还识别了导致这一细胞核活塞运动的一些蛋白质组件,包括肌动球蛋白(actomyosin)、波形蛋白(vimentin)和nesprin蛋白。

Petrie说:“是压力推动了质膜。”

由于这只发生于在细胞生成的三维基质中运动的细胞身上,在其他基质中运动的细胞则无此现象,研究人员指出细胞一定是感知它们的物理环境确定了采用哪种运动。

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