用于建立细胞极性的力驱动机制

来自新加坡国立大学新加坡力学生物学研究所(MBI)的研究人员团队以及新加坡淡马锡生命科学实验室和A * STAR分子与细胞生物学研究所的同事发现了一种建立细胞极性的新机制。这取决于张力引起的蛋白质聚集。这项工作于2017年8月发表在科学杂志“自然细胞生物学”上。

皮质力诱导蛋白质聚集以进行细胞极化

生物细胞通常可视化为圆形(或球形)形状，细胞核位于中间，其他细胞成分遍布整个细胞。实际上，每种细胞类型都具有不同的形状，大小和组成。对称球体的描述实质上是过度简化，隐藏了几乎所有细胞在其组成上不对称的事实，并且这种不对称性在精确且有序的步骤中发展。

被称为细胞极性，细胞的这一关键特征是亚细胞成分分离成细胞的不同区域。如果细胞是对称的，那么细胞分裂和运动等过程就不会正确发生，组织和器官会变形而无功能。尽管是生物体发育不可或缺的一部分，科学家尚未完全确定细胞极化的过程。

可视化细胞组成的不对称性质的一种方法是考虑汽车的组件以及它们的排列方式。汽车的某些部件必须采用平衡布局，例如车轮。其他部件需要以特定方向布置才能正常工作，即驾驶员座椅必须位于后排乘客座椅前方。最后，诸如发动机之类的部件可以位于汽车的前部或后部，重要的是，该组织赋予汽车操纵不同的特性。以相同的方式，细胞组分的排列可对细胞功能产生显着影响。

许多关于细胞极性的现有研究已经在线虫C.线虫中进行。在单细胞阶段，胚胎沿前/后轴分开以产生两个不同大小的子细胞，前部有较大的细胞，后部有较小的细胞。该前/后轴通过称为PAR(分区缺陷)蛋白质的一组蛋白质的运动和分离而建立。

这些PAR蛋白存在于细胞皮层中，细胞皮层是位于细胞膜内的蛋白质细丝的动态层。在极化之前，PAR蛋白分布在整个皮质中，在那里它们自由移动。在极化期间，皮质收缩，这导致不同的PAR蛋白在细胞的前部或后部分离和积聚，从而破坏它们先前对称的组织并沿前/后轴建立极性。然而，收缩活性转运和分离PAR蛋白的机制仍不清楚。

张力流动

由MBI和淡马锡生命科学实验室首席研究员助理教授Fumio Motegi领导的研究小组试图通过观察荧光标记的PAR蛋白复合物在活体线虫胚胎中进行极化时在显微镜下的运动来回答这个问题。他们使用先进的显微技术发现某些PAR蛋白在极化开始时聚集成簇，随着极化的进展，这些簇的大小逐渐增大。一旦皮质收缩停止，簇就会被分解，蛋白质沿着前/后轴展开为梯度。

尽管有这些发现，研究人员没有观察到收缩纤维和PAR蛋白之间的直接联系，这使他们假设收缩的间接影响是聚类的原因。通过破坏或加强actomoysin皮质并观察对簇形成的影响，他们发现驱动PAR聚集的关键力量是皮质张力，其随着皮质收缩而发展。

由此，研究人员能够提出一种解释PAR蛋白分离的新模型。在这里，肌动球蛋白皮质的收缩导致皮质张力的增加，导致PAR蛋白组装成簇。当这些大的簇移动缓慢时，它们会陷入整个皮质流中并在细胞的一端分离，从而建立极性。这些PAR蛋白的分离簇然后充当支架，其介导沿着身体建立前/后轴所需的其他蛋白质的局部积累。

本研究中发现的机制是一个简单而优雅的例子，说明细胞如何利用内力以精确，有序的方式移动和组织蛋白质成分。重要的是，所描述的力驱动机制允许细胞通过主动运输蛋白质或细胞组分抵抗浓度梯度而建立极性而不浪费能量。据信，类似的机制被用于打破其他生物(包括人类)的对称性，并且希望这些新知识将帮助科学家了解细胞极性如何以及为何无法在囊性纤维化和癌症等疾病中正确建立。