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细胞“地震”可能有助于细胞对外界作出反应

动物细胞从细胞骨架中获得结构完整性,细胞骨架是细胞内丝状物的变形网,有助于细胞组织其结构并与环境沟通。几年前,科学家们注意到,细胞骨架的某些部分偶尔会非常迅速地重新排列,从而在细胞的某些部分造成类似地震的扰动。他们将这些扰动命名为地震,但没有人知道它们是如何发生的或为什么发生的。

马里兰大学研究人员开发的新的计算机模拟表明,这些细胞分裂是由细胞内的机械能的缓慢积累和突然释放引起的。研究人员认为,地震可能有助于细胞对来自外部环境的信号做出快速反应,如其他细胞产生的化学物质或血液中的激素。

这项研究发表在2021年10月8日的《美国国家科学院院刊》上。

Garegin Papoian说:“细胞地震代表了细胞一个非常重要的组成部分的突然重塑,但它们背后的物理机制还不清楚。”,该研究的共同作者是马里兰大学化学与生物化学系的梦露马丁教授,他在马里兰大学物理科学与技术学院联合任用。“我们认为这些细胞震动在生物学上一定很重要,因为细胞骨架参与了细胞内的许多功能。了解它们背后的物理机制可以让我们深入了解细胞是如何工作的。”

细胞骨架就像动物细胞内部的支架。它是由不断生长、收缩、连接和分离的细丝网络组成的。除了为细胞提供结构外,这些细丝还充当化学信号从细胞的一部分流向另一部分的轨道。

Papoian和他的同事们假设,细胞地震中发生的突然快速重组是细胞骨架的物理结构对环境特别敏感的结果。他把它比作一堆沙子比一块砖更敏感。两者可能由相同的分子组成,但砖块即使在压力下也能保持其结构,不会倒塌。这堆沙子可能会在很长一段时间内保持住它的结构,但随后突然崩塌成一堆滑动的沙子。

为了验证这一假设,研究小组使用一种开创性的活性物质模拟软件(称为MEDYAN,用于“活性网络的机械力化学动力学”)创建了一个细胞骨架模型的计算机模拟该软件应用化学和物理定律来确定细胞骨架中的分子如何相互作用和行为。

研究表明,细胞骨架中的细丝排列有点像变形的张力整体结构。在宏观世界中,张拉整体结构是一种几何玩具或雕塑,由缆绳和浮杆在拉伸和压缩下制成,似乎可以抵抗重力。分析这些细胞张力整体结构有助于Papoian和他的同事了解细胞骨架内的张力释放。他们发现,施加在结构某一区域的张力会产生张力,直到在另一区域突然释放。换句话说,细胞骨架的行为更像一堆沙子而不是一块砖。

细胞骨架的物理结构允许在一些细丝之间形成张力,就像沙堆中的沙粒之间或沿着断层线的两个构造板块之间的张力一样。当达到某个临界值时,张力突然释放,沙堆坍塌,地震隆隆声或地震发生。

帕波安说:“我们假设,与没有这种机制的系统相比,细胞震动机制使细胞能够对来自其环境的外部信号快速作出反应。”。

例如,如果参与修复损伤的细胞必须冲向损伤部位,那么细胞震动机制可能会对损伤部位发出的化学信号作出反应,使细胞震动运动。当细胞在体内迁移时,当细胞探测其局部邻域时,前缘也可能利用这种机制投射或折叠突起。

该团队的下一步将是扩展他们的模拟方法,以包括细胞的更多部分,如细胞核。他们最近模拟了细胞的外膜,并分析了细胞骨架如何推动外膜形成手指状突起。

“这项工作向我们展示了我们可以使用MEDYAN来模拟细胞的重要组成部分,”Papoian说。“理想情况下,我们希望继续努力,基本上以单分子分辨率构建整个细胞的基本模型。”

卡洛斯·弗洛伊德(Carlos Floyd)、赫伯特·莱文(Herbert Levine)、克里斯托弗·贾津斯基(Christopher Jarzynski)和加雷金·帕波安(Garegin A.Papoian)于2021年10月4日在《国家科学院刊》上发表了研究论文《利用机械稳定性分析了解细胞骨架雪崩》。

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