研究揭示了细胞感受周围环境的方式

细胞推出微小的触角来探测它们的物理环境，但是这些微小的传感器能真正发现多少?普林斯顿大学研究人员及其同事领导的一项新研究发现，典型细胞的环境在周围组织的刚度或柔韧性方面存在很大差异，为了获得有关周围环境的大量信息，细胞必须四处移动并改变形状。该发现有助于理解细胞如何响应机械信号，并可能有助于解释当移植肿瘤细胞定植于新器官或免疫细胞参与伤口愈合时会发生什么。

普林斯顿的霍华德A.生命科学先驱教授，分子生物学教授和Lewis-Sigler综合基因组学研究所的Ned Wingreen说：“我们的研究着眼于细胞如何在肌肉或骨骼等环境中感受到自己的感觉。” 。“这些组织在细胞规模上非常混乱，细胞只能在其周围的区域进行测量，”他说。“我们想对这个过程进行建模。”该研究于7月18日在线发表在Nature Communications杂志上。

身体的器官和组织陷入称为细胞外基质的富含纤维的结构中，其为细胞提供支架以使细胞生存，移动和分化以实现特定功能。细胞通过从细胞表面伸出粘性蛋白质以拉动附近的纤维而与该基质相互作用。以前的工作，主要是使用人造平面，已经表明，细胞可以使用这种触觉反馈来确定称为机械传感的过程中的弹性或刚度。但由于天然基质的纤维都是在一个混乱的三维网络中互相连接，因此不清楚细胞可以从感受其周围环境中收集到多少有用的信息。

为了找到答案，研究人员建立了一个计算机模拟模拟模拟由胶原蛋白制成的基质中的典型细胞，胶原蛋白存在于皮肤，骨骼，肌肉和结缔组织中。该团队还在纤维蛋白网络中模拟了一个细胞，纤维蛋白是一种强大的，粘稠的蛋白质，可以弥补血栓。为了准确捕捉这些网络的组成，研究人员与前普林斯顿刘易斯 - 西格勒研究员Chase Broedersz合作，他现在是慕尼黑路德维希马克西米利安大学的物理学教授，他的同事路易斯·哈维特和斯特凡·明斯特首先创造了物理使用最初在哈佛大学系统生物学家David Weitz合作小组中开发的方法对矩阵进行模拟。

通过这些虚拟网络，Beroz，Broedersz和Wingreen可以提出这样一个问题：细胞可以通过感受周围环境来收集有关环境弹性或刚度的有用信息吗?如果答案是肯定的，那么该发现将揭示细胞如何响应这些环境而改变。例如，这项工作可能有助于解释癌细胞如何能够检测到它们是否已到达具有支撑肿瘤生长的正确支架类型的器官，或者到达伤口的细胞如何知道开始分泌蛋白质以促进肿瘤生长愈合。

利用数学，研究人员计算了当细胞拉近附近的纤维时网络会如何变形。他们发现，胶原蛋白和纤维蛋白网络都含有纤维结构，具有非常宽的集体刚度范围，从相当可弯曲到非常坚硬，并且这些区域可以紧挨着彼此。结果，细胞可以具有两个附近的探针，其中一个检测硬度而另一个检测柔软性，使得细胞难以通过机械感知它所栖息的组织类型来学习。“我们惊讶地发现，即使在很短的距离内，细胞的环境也会发生很大变化，”Wingreen说。

研究人员得出结论，为了准确评估其环境，细胞必须四处移动并改变形状，例如伸长以覆盖基质的不同区域。“我们在模拟中发现的东西符合实验主义者所发现的，”Wingreen说，“并揭示了细胞可以用来感受组织环境的新的'智能'策略。”

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