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发现细胞间通信系统编码和传输比先前想象的更多的消息

2019-04-28 09:20:10 • 来源：

像我们这样的多细胞生物依赖于细胞之间不断的信息流动，协调它们的活动以增殖和分化。解读细胞间通信语言一直是生物学中的核心挑战。现在，加利福尼亚理工学院的科学家已经发现，通过在一段时间内有节奏地对信息进行编码，细胞已经发展出一种通过单一途径或通信信道传输更多信息的方式。

发现细胞间通信系统编码和传输比先前想象的更多的消息

这项工作由生物学和生物工程学教授Michael Elowitz在霍华德休斯医学研究所研究员和生物工程执行官的实验室进行，在2月8日出版的Cell杂志上发表。

特别是，科学家们研究了一种叫做“Notch”的关键通信系统，它几乎用于动物的每一个组织。Notch途径中的功能障碍导致多种癌症和发育疾病，使其成为研究药物开发的理想目标。

细胞使用称为配体的特殊通信分子进行对话，这些分子与称为受体的相应分子天线相互作用。当一个细胞使用Notch途径将指令传递给它的邻居 - 告诉它们分裂，或者分化成一种不同类型的细胞 - 发送信息的细胞将在其表面产生某些Notch配体。然后这些配体与嵌入附近细胞表面的Notch受体结合，触发受体释放称为转录因子的基因修饰分子进入他们牢房的内部。转录因子传递到细胞的细胞核，细胞的DNA存储在细胞核中，并激活特定的基因。Notch系统因此允许细胞从其邻居接收信号并相应地改变它们的基因表达。

配体通过改变它们所停靠的受体的结构来促进转录因子的激活。所有配体都以类似的方式修饰它们的受体并在接收细胞中激活相同的转录因子，因此，科学家们普遍认为接收细胞不应该能够可靠地确定哪个配体激活了它，因此哪个配体发出信息接受。

“乍一看，细胞如何区分两种配体(如果有的话)的唯一解释似乎是它们必须以某种方式准确地检测两种配体激活受体的强度差异。但是，到目前为止所有证据都表明，移动电话或无线电，细胞在准确分析输入信号方面要困难得多，“主要作者和前Elowitz实验室研究生Nagarajan(Sandy)Nandagopal(博士'18)说。“他们通常非常善于区分信号的存在与否，但不是很多。从这个意义上说，蜂窝信息传递比发短信更接近发送烟雾信号。因此，问题是，作为一个细胞，你如何区分在两个配体之间，这两个配体看起来像远处类似的烟雾?“

Nandagopal和他的合作者想知道答案是否在于不同配体激活Notch的时间模式 - 换句话说，“烟雾”是如何随时间发出的。为了测试这一点，该团队开发了一个新的基于视频的系统，通过该系统，他们可以在每个单独的小区中实时记录信令。通过用荧光蛋白标记物标记受体和配体，研究小组可以观察分子如何在发生信号传导时相互作用。

该团队研究了两种化学相似的Notch配体，称为Delta1和Delta4。他们发现，尽管配体的相似性，两者激活了相同的受体，具有截然不同的时间模式。Delta1配体同时激活受体簇，将转录因子的突然爆发一下子传递到细胞核，就像由几个巨大的泡芙组成的烟雾信号。另一方面，Delta4配体以持续的方式激活个体受体，向细胞核发送恒定的单一转录因子，如稳定的烟雾。

研究人员表示，这两种模式是编码不同指令的关键。事实上，这种机制使两个配体能够传达截然不同的信息。通过分析鸡胚，作者发现Delta1激活腹肌生成，而Delta4强烈抑制相同细胞中的这一过程。

“细胞只讲少数不同的分子语言，但他们必须共同努力才能完成各种不同的任务，”Elowitz说。“我们通常认为这些语言非常简单，细胞基本上只能互相咕噜咕噜。通过在交流过程中观察细胞，我们可以看到这些语言比我们想象的更复杂，词汇量更大。这可能只是细胞间通信的冰山一角。“

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