科學家首次證明細胞中的自我修復機制

當細胞相互碰撞時，有力導致它們移動和震動，甚至有時會破裂。芝加哥大學的博士后研究員喬納森·溫克爾曼(Jonathan Winkelman)說：“細胞不斷產生力量并對其作出反應。它們被周圍的環境所吸引。” 溫克爾曼在瑪格麗特·加德爾(Margaret Gardel)實驗室工作，他是物理學系和普利茲克分子工程學院的教授。

橡皮筋在拉伸時會斷裂，而橡皮筋會斷裂，而過度拉伸的橡皮筋會引發自我修復的反應。使用顯微鏡已經觀察到了這種現象，但是至今仍未回答修復和適應過程如何在細胞內部啟動的問題。

在9月28日發表于《美國國家科學院院刊》上的一項創新性新研究中，溫克爾曼與其他幾位芝加哥大學的研究人員一起證明了蛋白質如何檢測細胞內的力并啟動修復作用。

所有細胞都具有肌動蛋白細胞骨架，這是一種絲狀蛋白質網絡，對于細胞的遷移，生長，伸展等過程至關重要。溫克爾曼說：“人們以前曾在細胞中觀察到一種名為Zyxin的蛋白質，這些蛋白質會進入這些伸展的肌動蛋白結構，但并不確定該功能如何發揮作用或有多廣泛。”

芝加哥大學的研究人員發現，包括Zyxin和單細胞裂變酵母蛋白paxillin在內的動物蛋白能夠檢測肌動蛋白細胞骨架中的應激物質。在實驗室中施加機械力后，立即將蛋白質組裝在需要修復的地方，并直接結合到肌動蛋白絲的拉伸構象上。

記錄他們的觀察結果需要廣泛的技能來開發完美的檢測方法，以從純化的成分在細胞外重建這種自我修復。研究生凱特琳·安德森(Caitlin Anderson)與溫克爾曼(Winkelman)共同撰寫了第一篇論文，她利用圖像和精細敏感的分析方法篩選了蛋白質，這些蛋白質是她在分子遺傳學和細胞生物學教授戴維·科瓦爾(David Kovar)領導的實驗室中開發的。

計算機程序允許它們梳理整個人類基因組，以分離可能參與該過程的蛋白質。稱為LIM結構域蛋白家族的成員出現在基因組中超過70次，表明其保守在人類進化中的重要性。

然后在Gardel實驗室中，溫克爾曼(Winkelman)運用激光作為一種人工方式來模仿拉伸等力所造成的損害。他們還為每種LIM蛋白添加了熒光標簽，并用高功率顯微鏡觀察了這一過程。一旦出現眼淚或破裂，研究小組觀察到，由人類基因組編碼的70多個LIM結構域蛋白中有許多迅速檢測到了損傷并結合到患病部位。科學家們說，很明顯，LIM的力敏感性是廣泛存在的，并且已經通過進化被復制并粘貼到許多蛋白質中。

溫克爾曼說：“我們正在研究這類蛋白質，以在高度復雜的細胞中進行這種檢測和修復反應，該細胞含有數千種不同類型的蛋白質。” “但是，要真正理解這個過程，我們需要純化必要的成分，并在細胞外部重建整個過程。”

安德森(Anderson)使用了一種稱為“全內反射熒光顯微鏡”的技術和一個復雜的過程來創建他們所需蛋白質的非常純凈的樣品，這是以前從未做過的。

他們還發現通過LIM進行的這種力感在酵母和哺乳動物中均可見，這表明它是古老的功能，可以保護和促進進化。這種高度保守的古老機制很可能會被一系列其他過程用來檢測細胞內的力。

Gardel說：“通過LIM結構域進行的細胞力感測除了可以自我修復外，還可以為許多其他過程提供信息，例如控制干細胞的命運，細胞增殖或細胞遷移，以及需要進一步探索的多種多樣的信號傳導途徑。” “喬恩(Jon)和凱特琳(Caitlin)發現，這些蛋白質中有許多共享該結構域。”

Gardel說：“這項工作進一步加深了我們對基礎科學的理解，即細胞如何檢測和處理機械信號，上皮細胞和粘附組織如何調節多種機械通路。” “但是，在具有相同識別過程的非生物環境中，也可以用于構建柔軟，反應靈敏的材料。”