著名学者Cell发表颠覆性文章:波涛汹涌的细胞质

2014/08/17 来源:生物通
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导读
人们一直认为,哺乳动物的细胞质就是一种粘性液体,悬浮其中的细胞器和蛋白在不断做着无规则运动和随机撞击。然而,哈佛大学的一项新研究颠覆了这一理论,研究指出细胞质其实是一个波涛汹涌的胶质海洋。相关论文发表在8月14日的《Cell》杂志上。


人们一直认为,哺乳动物的细胞质就是一种粘性液体,悬浮其中的细胞器和蛋白在不断做着无规则运动和随机撞击。然而,哈佛大学的一项新研究颠覆了这一理论,研究指出细胞质其实是一个波涛汹涌的胶质海洋。相关论文发表在八月十四日的Cell杂志上。

研究人员将细胞质形容成一种有弹性的凝胶,这个环境并不适合随机扩散。细胞尤其是细胞骨架中进行着许多耗能的细胞过程,这些过程使细胞质形成了强力的波浪,推动着其中的蛋白和细胞器。

David A. Weitz教授领导的研究团队,不仅提出了新的细胞质模型,还展示了一个检测细胞质波动力的新方法。鉴于细胞质内的运输主要依赖于各种耗能过程,因此在任何时间点获得细胞质中的力学谱,就能了解细胞当时的代谢状态。

David A. Weitz 教授是美国哈佛大学工程与应用科学学院的著名教授,是美国科学院院士、美国艺术与科学学院院士。Weitz教授是国际上软湿功能材料、胶体微粒系统、生物物理与生物材料、微流控等研究领域的知名专家。

“这项工作对未来的发育、癌症生物学和代谢研究会产生重要的影响,”文章的第一作者Ming Guo博士说。

细胞生物学家一致认为细胞质里的颗粒是被动扩散,因为在显微镜下,它们之间的随机碰撞似乎符合布朗运动。结果大家都低估了细胞质在细胞复杂动态中的重要性,Guo说。

就像用勺子搅动咖啡里的糖一样,细胞机器的运行让细胞质里的悬浮颗粒无法平静。细胞质的波涛主要是由分子马达反复拉动肌动球蛋白(actomyosin)引起的,不过其它酶促活动也能掀起波澜。

研究人员通过一系列“敲除”实验进行了验证,在去除了细胞能量源(ATP)的情况下,悬浮颗粒和细胞器的运动大大减慢。他们还将显微镜、微流变技术和光钳结合起来,建立了一种称为FSM(force spectrum microscopy)的新方法。该技术可以检测细胞质的硬度,以及注入细胞质的惰性颗粒运动,并以此计算细胞中的力。

“我们的结果意味着,影响分子马达活性的因素,也会间接影响细胞质的总体流变性,”文章的共同作者,NIH的Jennifer Lippincott-Schwartz说。

研究总结道,分子马达和酶促反应的活性改变,会影响细胞质硬度和物质运输的容易程度。而细胞质的改变又会进一步影响下游的细胞活性。目前,研究人员正在用FSM进一步研究细胞质和核质的弹性,分析它们对基因表达、代谢信号、细胞生长和运动的具体影响。

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