Science：新發(fā)現(xiàn)許多動(dòng)物細(xì)胞也能跟神經(jīng)元一樣伸長(zhǎng)并彼此間形成突觸
摘要：
加州大學(xué)舊金山分校的研究人員發(fā)現(xiàn)，許多的動(dòng)物細(xì)胞類(lèi)型同樣能夠伸長(zhǎng)并在彼此之間形成突觸，它們采用信號(hào)蛋白代替神經(jīng)元所利用的神經(jīng)遞質(zhì)和電沖動(dòng)作為信息單位。這一研究發(fā)現(xiàn)直接地挑戰(zhàn)了普遍的動(dòng)物細(xì)胞通訊生物學(xué)模型。相關(guān)文章發(fā)表于2014年1月2日的《Science》雜志上。
加州大學(xué)舊金山分校心血管研究所生物化學(xué)教授、資深研究員Thomas B. Kornberg博士說(shuō)：“這一機(jī)制與神經(jīng)元和其他細(xì)胞之間通訊的方式相似。而普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為非神經(jīng)元細(xì)胞主要是將信號(hào)蛋白胞吐到細(xì)胞外液中，希望它們找到正確的目標(biāo)。”
采用果蠅活體組織開(kāi)展研究，Kornberg和他的研究小組證實(shí)細(xì)胞生長(zhǎng)出了稱(chēng)作為cytoneme的胞質(zhì)細(xì)長(zhǎng)管狀結(jié)構(gòu)。Kornberg說(shuō)：“在接觸到靶向的細(xì)胞之前，它們能夠延伸跨越50個(gè)或100個(gè)細(xì)胞的長(zhǎng)度。Cytoneme和靶細(xì)胞之間的接觸點(diǎn)在兩個(gè)細(xì)胞之間發(fā)揮了通訊橋梁的作用。”
“很久以前人們都知道，神經(jīng)元以一種相似的方式進(jìn)行通訊——在稱(chēng)之為軸突的長(zhǎng)管中長(zhǎng)距離傳導(dǎo)沖動(dòng)，在稱(chēng)作為突觸的接觸點(diǎn)傳遞信號(hào)。然而，一直以來(lái)人們認(rèn)為這種信號(hào)模式為神經(jīng)元所*。我們現(xiàn)在證實(shí)，許多的動(dòng)物細(xì)胞類(lèi)型同樣能夠伸長(zhǎng)并在彼此之間形成突觸，它們采用信號(hào)蛋白代替神經(jīng)元所利用的神經(jīng)遞質(zhì)和電沖動(dòng)作為信息單位。
Kornberg說(shuō)：“我認(rèn)為，目前*有強(qiáng)力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，這些信號(hào)蛋白是在接觸點(diǎn)通過(guò)Cytoneme從一個(gè)細(xì)胞移動(dòng)到另一個(gè)細(xì)胞。”
“在100年來(lái)的研究工作和成千上萬(wàn)的科學(xué)論文中，人們只是簡(jiǎn)單地認(rèn)為這些蛋白是穿過(guò)細(xì)胞外液從一個(gè)細(xì)胞移動(dòng)到另一個(gè)細(xì)胞的。因此這是以一種*不同的方式來(lái)思考組織中的信號(hào)傳送機(jī)制。”
利用果蠅翅膀上的細(xì)胞生成和發(fā)送信號(hào)蛋白Decapentaplegic (Dpp)，Kornberg和研究小組證實(shí)Dpp是在細(xì)胞之間cytoneme形成連接的位點(diǎn)進(jìn)行傳送，cytoneme是Dpp在細(xì)胞之間移動(dòng)的導(dǎo)管。
科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)接觸點(diǎn)具有神經(jīng)元所形成的突觸的特征。他們?cè)诨蚬こ谈脑烊笔挥|生成蛋白的果蠅中證實(shí)，細(xì)胞不能夠成功地形成突觸或傳送信號(hào)。
Kornberg 說(shuō)：“在突變體中，靶細(xì)胞不接收信號(hào)，信號(hào)傳導(dǎo)被阻斷。這證實(shí)了直接接觸是信號(hào)傳遞、信號(hào)接收和信號(hào)發(fā)送的必要條件。”
Kornberg說(shuō)以往未觀察或研究動(dòng)物細(xì)胞cytoneme的主要原因在于這些結(jié)構(gòu)太過(guò)脆弱，采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室成像細(xì)胞制備方法它們無(wú)法存留下來(lái)。“在過(guò)去的10多年里取得了極大的技術(shù)進(jìn)步，涌現(xiàn)了一些遺傳工程新技術(shù)，活細(xì)胞成像分辨率和敏感度提高的新型顯微鏡，以及開(kāi)發(fā)了一些能夠附著到目的蛋白上去的熒光標(biāo)記蛋白。”
利用這些新技術(shù)，Kornberg和研究小組捕獲了正移動(dòng)通過(guò)熒光標(biāo)記cytoneme的熒光信號(hào)蛋白的生動(dòng)圖像及影像。
“我們并沒(méi)有說(shuō)細(xì)胞總是利用cytoneme來(lái)傳送信號(hào)。例如，激素是遠(yuǎn)距離細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)的另一種手段。攝取胰島素的細(xì)胞并不會(huì)在意胰島素來(lái)自何處——是來(lái)自胰腺或是靜脈注射。但有一些特殊信號(hào)類(lèi)型，例如在干細(xì)胞以及周?chē)?xì)胞之間傳遞的信號(hào)，或是決定組織生長(zhǎng)、模式和功能的信號(hào)，必須確定通訊細(xì)胞的特征。這些信號(hào)是在生成它們的細(xì)胞環(huán)境下被接收，這一點(diǎn)很重要。”
Kornberg指出，其他一些研究小組的觀察結(jié)果表明，基于cytoneme的信號(hào)有可能也發(fā)生在干細(xì)胞和向它們下達(dá)指令的細(xì)胞之間。癌細(xì)胞也可能利用了這種方法來(lái)與他們的相鄰細(xì)胞進(jìn)行通訊。
“發(fā)現(xiàn)動(dòng)物細(xì)胞cytoneme以及它們?cè)陂L(zhǎng)距離信號(hào)傳導(dǎo)中起重要作用，開(kāi)啟了在這方面我們了解甚少的奇妙生物學(xué)。例如，這些cytoneme是如何找到它們的靶標(biāo)的?它們是如何知道何時(shí)找到了靶標(biāo)的?其中有一些問(wèn)題我們正在探究，”Kornberg說(shuō)。
原文摘要：
Cytoneme-Mediated Contact-Dependent Transport of the DrosophilaDecapentaplegic Signaling Protein
Sougata Roy, Hai Huang, Songmei Liu, Thomas B. Kornberg
Decapentaplegic (Dpp), a Drosophila morphogen signaling protein, transfers directly at synapses made at sites of contact between cells that produce Dpp and cytonemes that extend from recipient cells. The Dpp that cytonemes receive moves together with activated receptors toward the recipient cell body in motile puncta. Genetic loss-of-function conditions for diaphanous, shibire, neuroglian and capricious perturbed cytonemes by reducing their number or only the synapses they make with cells they target; and reduced cytoneme-mediated transport of Dpp and Dpp signaling. These experiments provide direct evidence that cells use cytonemes to exchange signaling proteins, that cytoneme-based exchange is essential for signaling and normal development, and that morphogen distribution and signaling can be contact-dependent, requiring cytoneme synapses.