分裂、分化还是死亡?在正确的时间和地点做出决定决定了细胞的行为，对于发育中的生物体的干细胞尤为重要。决策依赖于信号蛋白网络如何处理信息。来自多特蒙德马克斯普朗克分子生理学研究所的 Christian Schröter 和来自布宜诺斯艾利斯生物医学研究所 (IBioBa) 的 Luis Morelli 周围的团队现在首次揭示了 ERK 是干细胞信号传导过程中的关键参与者通过快速活动脉冲提供信息。脉冲间隔的持续时间，可能编码了干细胞培养中不同命运决定所必需的信息。
在它们发育成后期胚胎的过程中，干细胞经历了一系列发育步骤。这些步骤之间的转换由相邻细胞之间交换的信号分子控制。早期哺乳动物胚胎发生过程中最关键的信号之一是成纤维细胞生长因子 4 (FGF4)。当它被细胞识别时，该信息会被信号蛋白网络处理，从而产生细胞反应。网络的关键参与者、他们的角色和交互现在是众所周知的，但对信号动力学知之甚少。但是动态实际上意味着什么，为什么动态很重要?
动力学决定细胞命运
在信号转导中动力学重要性的典型例子中，两种不同的分子信号触发不同的细胞反应——分化和细胞生长——即使它们使用相同的信号转导网络。这是可能的，因为激活信号转导系统的动力学对于两个分子信号中的每一个都是特定的：一个激活系统短时间导致细胞生长，另一个激活同一系统很长时间导致细胞生长差异化。因此，信号动力学对于确定细胞的命运显然很重要。然而，到目前为止，许多研究只能观察在几个小时内展开的相当缓慢的动力学，并且在所有细胞中都是相同的。他们对快速动态视而不见，特别是如果同一培养皿中的干细胞之间存在差异。
ERK 活动每六到七分钟脉冲一次
Christian Schröter 和 Luis Morelli 周围的团队现在能够更好地了解干细胞中的快速信号动力学。通过在活干细胞中引入荧光传感器，科学家们可以实时测量主要信号蛋白 ERK 的活性。ERK 活性对于将分子信号转化为遗传反应从而调节干细胞分化很重要。“在短时间内测量单个干细胞中的 ERK 活性在实验上非常苛刻，以前从未以这种方式完成过。我们第一次可以观察到，ERK 活动每 6 到 7 分钟脉冲一次，比以前在其他细胞系统中显示的类似信号更快。在单个细胞中，脉冲经常一个接一个地发生，但是各个细胞之间的脉冲模式却截然不同”，Christian Schröter 说。研究人员还可以观察到，随着 FGF4 信号的增加，当对许多细胞求和时，脉冲的数量会增加，即使单个脉冲的持续时间没有增加。用 FGF4 改变。
跨学科方法——洲际合作
“这种数据及其在细胞信号传导中的作用很难解释。这就是我们的专业知识发挥作用的关键”，Luis Morelli 说，他是马普学会合作伙伴研究所 IbioBa 的长期合作伙伴和小组负责人。“我们必须开发一种新的理论方法来描述时间序列中的动态。通过这样做，我们看到脉冲间隔的持续时间可能会编码信息，因为我们可以找到脉冲和静默。我们将这种新的动态特征称为间歇性振荡”。
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