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科学家首次证明细胞中的自我修复机制

当细胞相互碰撞时,有力导致它们移动和震动,甚至有时会破裂。芝加哥大学的博士后研究员乔纳森·温克尔曼(Jonathan Winkelman)说:“细胞不断产生力量并对其作出反应。它们被周围的环境所吸引。” 温克尔曼在玛格丽特·加德尔(Margaret Gardel)实验室工作,他是物理学系和普利兹克分子工程学院的教授。

橡皮筋在拉伸时会断裂,而橡皮筋会断裂,而过度拉伸的橡皮筋会引发自我修复的反应。使用显微镜已经观察到了这种现象,但是到目前为止,关于修复和适应过程如何在细胞内部启动的问题仍然没有答案。

在9月28日发表于《美国国家科学院院刊》上的一项创新性新研究中,温克尔曼与其他几位芝加哥大学的研究人员一起证明了蛋白质如何检测细胞内的力并启动修复作用。

所有细胞都具有肌动蛋白细胞骨架,这是一种丝状蛋白质网络,对于细胞的迁移,生长,伸展等过程至关重要。温克尔曼说:“人们以前曾在细胞中观察到一种名为Zyxin的蛋白质,这些蛋白质会进入这些伸展的肌动蛋白结构,但并不确定该功能如何发挥作用或有多广泛。”

芝加哥大学的研究人员发现,包括Zyxin和单细胞裂变酵母蛋白paxillin在内的动物蛋白能够检测肌动蛋白细胞骨架中的应激物质。在实验室中施加机械力后,立即将蛋白质组装在需要修复的地方,并直接结合到肌动蛋白丝的拉伸构象上。

记录他们的观察结果需要广泛的技能来开发完美的检测方法,以从纯化的成分在细胞外重建这种自我修复。研究生凯特琳·安德森(Caitlin Anderson)与温克尔曼(Winkelman)共同撰写了第一篇论文,她利用图像和精细敏感的分析方法筛选了蛋白质,这些蛋白质是她在分子遗传学和细胞生物学教授戴维·科瓦尔(David Kovar)领导的实验室中开发的。

计算机程序允许它们梳理整个人类基因组,以分离可能参与该过程的蛋白质。称为LIM结构域蛋白家族的成员出现在基因组中超过70次,表明其保守在人类进化中的重要性。

然后在Gardel实验室中,温克尔曼(Winkelman)运用激光作为一种人工方式来模仿拉伸等力所造成的损害。他们还为每个LIM蛋白添加了荧光标签,并用高功率显微镜观察了这一过程。一旦出现眼泪或破裂,研究小组观察到,由人类基因组编码的70多个LIM结构域蛋白中有许多迅速检测到了损伤并与患病部位结合。科学家们说,很明显,LIM的力敏感性是广泛存在的,并且已经通过进化被复制并粘贴到许多蛋白质中。

温克尔曼说:“我们正在研究这类蛋白质,以在高度复杂的细胞中进行这种检测和修复反应,该细胞含有数千种不同类型的蛋白质。” “但是,要真正理解这个过程,我们需要纯化必要的成分,并在细胞外部重建整个过程。”

安德森(Anderson)使用了一种称为“全内反射荧光显微镜”的技术和一个复杂的过程来创建仅所需蛋白质的非常纯净的样品,这是以前从未做过的。

他们还发现,通过LIM进行的这种力感在酵母和哺乳动物中均可见,这表明它是古老的功能,可以保护和传播进化。这种高度保守的古老机制很可能会被一系列其他过程用来检测细胞内的力。

Gardel说:“通过LIM结构域进行细胞力感测除了可以自我修复之外,还可以指导许多其他过程,例如控制干细胞的命运,细胞增殖或细胞迁移,以及需要进一步探索的多种信号通路。” “乔恩(Jon)和凯特琳(Caitlin)发现,这些蛋白质中有许多共享该结构域。”

Gardel说:“这项工作进一步加深了我们对基础科学的理解,即细胞如何检测和处理机械信号,上皮细胞和粘附组织如何调节多种机械通路。” “但是,在具有相同识别过程的非生物环境中,也可以用于构建柔软,反应灵敏的材料。”

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