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《科学》:科学家首次在细胞内发现“永不消失”的死亡波,证实细胞以每分钟30微米的速度自杀
爱因斯坦 2018-09-04
导语

细胞凋亡的发生竟然像是水波纹那样在细胞中扩散,每分钟30微米的速度还真是蛮快的!

编者按:本文转载自奇点网,微信公众号(geekheal_com),e科网经授权转载。

就在过去的24个小时内,你的身体里有500亿个细胞死去了。

不过也没什么好担心的,这样的事情每天都在发生。实际上,这种有规律的细胞死亡是生命活动必须的过程,我们把它叫做细胞凋亡

当然了,正常情况下新细胞的分裂和旧细胞的凋亡是平衡的,不过一旦凋亡发生异常,就会产生疾病——如果细胞不死,就会产生癌症;如果细胞死得太多,那么组织和器官就会消失不见了

那么细胞凋亡是怎么样的一个过程呢?

哈佛大学研究者在显微镜下亲眼看到,细胞凋亡的发生竟然像是水波纹那样在细胞中扩散,每分钟30微米的速度还真是蛮快的!而且这种传递方式与扩散完全不同,速度并不会变慢,用作者本人的说法就是“永不减速,永不消失”!这篇论文不久前发表在《科学》杂志上[1]。

图:本文通讯作者James Ferrell(左)和一作Xianrui Cheng(右)

细胞凋亡总会有一个起点,那么它是怎么从点扩散到整个细胞的呢?一直以来科学家有两个猜想。

第一种是随机扩散,就像是一滴墨滴进清水,它逐渐晕染、变淡,最后消失;第二种则像是森林大火,因为总有新的树木作为燃料,所以火势蔓延不会减缓、甚至会增速,研究者们把这种传递方式叫做触发波(trigger wave)

那么到底是哪种方式呢?

因为细胞实在是太小了,很难观察,所以研究者取出了非洲爪蟾的卵细胞内容物,把它们装进透明的细长特氟龙管中,然后用绿色荧光标记与细胞凋亡相关的蛋白,这样当凋亡开始,就可以检测绿色的光带在管中移动的速度了。

随后,研究者把特氟龙管的一端浸到含有凋亡激活分子的溶液里,并在显微镜下观察。随后他们看到了令人惊奇的现象,绿色的荧光带像潮水一般稳速前进!

说是潮水还有些不准确,毕竟潮水越靠近岸边力量越弱,速度也越慢,可是这道“死亡波动”却保持着平稳的29微米/分钟的速度,前行了好几毫米!

作为对照,研究者还用色素标记了普通的自由扩散,结果显示,自由扩散的速度确实是越来越慢的,而且只能前进几百微米就消失了。

从这个结果我们也能够猜到,细胞凋亡并不需要持续接触凋亡激活成分,而是在发生之后就能够靠自身的一些机制来维持。

研究者继续探索之后,发现细胞内的凋亡网络是很多复杂级联反应综合的结果。比如说,开始凋亡的细胞线粒体受损,其中参与有氧呼吸的细胞色素C渗出到细胞质中,一旦它的浓度达到一定水平,就会激活半胱天冬酶,而半胱天冬酶又会进一步激活其他蛋白导致线粒体膜穿孔,令更多的细胞色素C释放。这就是死亡波动的部分真相了。

图:细胞凋亡的部分级联反应

研究者也直接在细胞内观察到了死亡波动。非洲爪蟾卵细胞个头很大,直径能够达到1.2毫米。虽然细胞并不透明很难观察,但是研究者还是发现,当在某一点注射细胞色素C,细胞凋亡就从这一点开始,以均匀的速度传递到整个细胞。这个过程伴随着自然的色素沉积移动,可以看到一条黑线在细胞表面移动。自然凋亡的细胞表面也存在这样的死亡波动。

图:单个细胞表面的死亡波

其实这种触发波现象不仅仅存在于细胞凋亡,我们了解得最多的电信号在轴突上传导也是类似的机制,其他还有钙离子的胞内外转运、有丝分裂等,可见触发波是广泛存在于生命活动中的。

这些发生在细胞中的小小波动,虽然看起来很理论,似乎和临床没什么联系,不过它能够帮助我们了解细胞凋亡的机制,很可能为未来医学研究重要的信息。毕竟很多疾病的治疗,都是要操控细胞的死活,比如治疗癌症是要让癌细胞死亡,治疗神经退行性疾病却希望神经元尽可能多的存活。

正如作者之一Ferrell教授所说,提高对细胞死亡的理解是医学的关键,“如果我们想要干预疾病,那么我们就需要了解如何调节细胞凋亡。

参考资料:

[1]http://science.sciencemag.org/content/361/6402/607

[2]https://cosmosmagazine.com/biology/for-unwanted-cells-death-comes-in-waves

[3]https://cosmosmagazine.com/biology/for-unwanted-cells-death-comes-in-waves

[4]https://www.sciencenews.org/article/speed-cell-death-apoptosis

[5]https://www.theguardian.com/science/shortcuts/2018/aug/12/thirty-micrometre-minutes-scientists-discover-speed-of-death

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  • 细胞凋亡
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作者 爱因斯坦

科研工作者

北京航空航天大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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