細(xì)胞如何通過連接形成組織并保持完整性？

在多細(xì)胞生物中，當(dāng)細(xì)胞分裂形成組織和器官時(shí)，它們會(huì)移動(dòng)到屬于它們的地方，這是通過科學(xué)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(yùn)動(dòng)是在細(xì)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(fù)責(zé)細(xì)胞相互識(shí)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(xì)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?yàn)樗嬖谟谏掀ぜ?xì)胞中。

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

理解驅(qū)動(dòng)這種生物行為的化學(xué)-機(jī)械機(jī)制將更好地定位科學(xué)家，以便在識(shí)別過程中出現(xiàn)問題時(shí)開發(fā)和治療疾病。這包括癌癥轉(zhuǎn)移，即癌細(xì)胞失去對(duì)“相似”細(xì)胞的依賴并遷移出腫瘤的過程。或發(fā)育缺陷或傷口愈合，其中相似的細(xì)胞不能結(jié)合來構(gòu)建或修復(fù)健康的組織。

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

當(dāng)細(xì)胞在發(fā)育或傷口愈合過程中向目的地移動(dòng)時(shí)相互滑動(dòng)時(shí)，它們會(huì)施加剪切力。具體來說，這些局部面內(nèi)剪切力如何在整個(gè)組織中擴(kuò)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(xué)圣巴巴拉分校和斯坦福大學(xué)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(xì)胞反應(yīng)行為并測量整體強(qiáng)度，并提供新的見解。鈣粘蛋白在細(xì)胞動(dòng)力學(xué)中的作用。微制造裝置沿著剪切面(如地震斷層)將細(xì)胞相互拖動(dòng)，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)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(gè)問題是，剪切力是否會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞在發(fā)育或集體遷移過程中相互流動(dòng)。沒有，但細(xì)胞確實(shí)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(huì)發(fā)生什么。答案是：切割細(xì)胞向所有其他細(xì)胞發(fā)出信號(hào)，表明發(fā)生了什么事情，它們都需要對(duì)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(dòng)蛋白收縮(后者對(duì)所有真核細(xì)胞的物理過程至關(guān)重要)的正常細(xì)胞間相互作用的存在。

她進(jìn)一步解釋說，未切割的單層細(xì)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(jī)制和原因尚不清楚。在剪切細(xì)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(xì)胞隨著波動(dòng)來回跳舞“傷害”，然后遠(yuǎn)離它，再向它移動(dòng)，然后離開，直到細(xì)胞恢復(fù)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(shí)現(xiàn)的，我們可以提出一個(gè)機(jī)械模型，其中包括機(jī)械信號(hào)存儲(chǔ)和中繼元件，用于模擬上皮單層，”普魯特解釋說?！斑@個(gè)元素與眾所周知的細(xì)胞粘彈性平行，這可以解釋我們觀察到的集體行為。細(xì)胞可能會(huì)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(jī)械生物學(xué)而創(chuàng)造的新設(shè)備，將使科學(xué)家能夠提出新的問題，即其他類型的細(xì)胞如何感知和傳遞多細(xì)胞組織中的力，尤其是剪切力。

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