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现代生物细胞是如何获得其运输系统的

2019-01-15 14:35:45 • 来源：

当今植物或动物细胞的内部非常类似于繁忙的城市。就像一个由交通网络相互连接的不同地区的城市大都市，一个小区有一个独特的隔间，通过动态交通系统相互连接。一组这样的相互连接的隔室 - 高尔基复合体 - 对于许多细胞功能是必不可少的，长期困扰科学家的一个问题是：如何在一个细胞内产生如此复杂的隔室和交通系统?

现代生物细胞是如何获得其运输系统的

来自国家生物科学中心的科学家通过数学方法可以回答这个问题，探索这种组织如何进化。来自NCBS西蒙斯中心的Somya Mani和Mukund Thattai表明，高尔基综合体及其伴随的交通系统可以从一个简单的模型中自发地出现，而不需要特殊的选择机制。

在细胞内，高尔基复合体是一组隔室，对于加工，包装和运输蛋白质和其他分子至关重要。高尔基体的一个关键特征是其组织为“成熟链”，其具有可变分子组成的不同区室。这些隔室具有不同的加工和包装功能，特别是在胶原蛋白等巨大蛋白质的合成和运输中。

“现在，这个成熟系统为了运输巨大的分子而发展是非常奇怪的。如果你没有整个系统工作，你就不能运输大分子，但如果没有成熟系统的功能，那么驱动它的是什么演化?” Mukund Thattai问道。“这是一个经典的鸡蛋问题或者你称之为捕获22的问题，”他说。

高尔基复合体的不同区室通过称为囊泡的移动膜结合室彼此连接并连接到其他细胞区域。囊泡不断萌芽或与隔室融合，形成不同类型分子的细胞范围转运系统。

为了研究高尔基复合体的起源，Mani和Thattai模拟了这个交通系统。他们建立在广泛而简单的规则基础上，模拟了从源室出来的囊泡流，并与细胞内的目标区室融合。这些事件由出芽和融合矩阵指定，以创建已经陷入平衡状态的模拟蜂窝交通网络的集合。

现在，Mani和Thattai做了一些非常规的事情 - 他们随意地填充了萌芽和融合矩阵。因此，萌芽和融合事件是随机的，没有特定的目的指导这些事件。

但随后，他们得到了惊人的结果。

在大约25%的模拟中，研究人员遇到的交通网络已经形成了与高尔基复合体非常相似的独特模式。这意味着尽管缺乏出芽或融合的选择机制，但是细胞中的囊泡交通网络可以纯粹偶然地产生隔室的功能性“成熟链”。

换句话说，Mani和Thattai的工作表明高尔基复合体的进化可能是非适应性的 - 没有选择系统需要推动细胞发育高尔基复合体。

“我们可以争辩说高尔基可能是为了其他目的而出现的，这是一个没有人能够弄清楚的目的。但这项工作的实质是，没有其他目的，”Thattai说有关于最近在eLife杂志上发表的一篇文章对此进行了描述。“但是一旦细胞有高尔基体，就好了!它是运输巨大分子的一个很好的系统，因此细胞使用它，”他继续道。

科学家们现在正计划利用他们的模型来研究结核病和艾滋病等感染性系统，这些系统是由细胞内寄生虫引起的，这些寄生虫劫持了细胞的囊泡交通系统供自己使用。

“我们模型的参数可以很容易地根据交通分子的生物学特性来解释。因此，我们的模型可能为我们提供了结核分枝杆菌等寄生虫用于劫持囊泡运输系统的分子机制的线索，”Mani说。“我们还可以研究细胞在感染后可以用来恢复其正常交通系统的机制，”她补充道。

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