細胞有長途導航能力

細胞有長途導航能力

撰文╱威靈漢、翻譯╱鄭方逸

有些細胞會進行奇妙的旅程──甚至橫貫生物體內全身。它們靠著趨化性(chemotaxis)導航,也就是依據特定化學物質的濃度變化找到目標區域。然而一旦距離拉長了,濃度梯度就會逐漸消失,因此科學家納悶,細胞究竟如何長途跋涉,越過化學物質的山谷。如果能了解這個過程,未來研究人員也許更能預測癌細胞如何擴散全身,或解釋發育胚胎中的細胞如何抵達正確位置。

創造化學濃度梯度 保留路線

今年在《科學》期刊發表的一篇論文中,研究人員利用迷你迷宮說明兩種生物(泥生阿米巴原蟲和小鼠癌細胞株)如何完成看似不可能的旅程。這些細胞不是整條路上都沿著已經存在的化學濃度梯度移動,而是自己創造化學濃度梯度:追蹤特定化學物質,遇到就分解,於是前方的化學濃度就會比較高、後方則較低。這就像一邊走迷宮一邊蒐集細繩,或像電玩小精靈一樣,一路吃著小圓點。細胞也會在身後留下化學物質濃度較低的路徑,於是細胞便能保留路線,遵循前方導引。

英國蘇格蘭比特森癌症研究所研究員特維迪和同事推論,細胞沿著迂迴途徑穿過生物體內複雜的地形,過程可能很像穿越真正的迷宮。他們為了研究細胞尋路的機制,選擇阿米巴原蟲家族的盤基網柄菌(Dictyostelium discoideum, Dicty)和小鼠胰腺癌細胞為主要研究對象。Dicty細胞已知會利用化學濃度梯度進行長途旅行,就如特維迪所形容,它們「具有化學趨向性的非凡本領」。

Dicty細胞不負眾望只花了一小時,就解決了以化學誘導物質佈建的迷宮,而小鼠癌細胞則花了好幾天才完成。但兩者最後都通過了迷宮。研究人員以好幾個迷宮測試,有些迷宮有長短不一的死路以及各種分岔路口。當細胞面對死路或真正路徑的抉擇時,一些探路的細胞會分解所有積在死胡同的化學誘導物質;其他細胞於是轉而前往其他仍有誘導分子存在的分岔路口。

這兩種細胞都運用了這種策略,顯示不同細胞具有相同的長程導航模式。未參與這項研究的德國漢堡-埃本多夫大學醫療中心生化學家塞茲評論:「這項結果非常有趣,也顯示自製化學濃度梯度是細胞長途移動時通用的導航機制。」他又說這項結果的重點在於,我們也許可以運用其他技術,例如以數學模式預測細胞行為,並以迷宮驗證。Dicty這種天才單細胞生物不但完成迷宮測試,還利用自製化學濃度梯度的技能找出捷徑。

可以研究癌細胞轉移路徑

調整研究方法和實驗設計後,也可用來研究人體內其他細胞的移動行為,例如免疫細胞的活動或癌細胞轉移的路徑。特維迪說:「它們移動的基本機制都是由受體偵測誘導物質,引導細胞骨架移動細胞。」

事實上,這些移動機制的相似度高到讓特維迪相信,我們可以利用對阿米巴原蟲尋路能力的知識,進一步探討人類細胞的行為。舉例來說,走迷宮的概念有助預測神經膠母細胞瘤在腦內的移動路徑。美國加州大學聖巴巴拉分校分子與細胞生物學家蒙特爾說,這項發現也有助於了解胚胎中流動性特別高的細胞。散佈在胚胎中的一些黑色素細胞會四處製造黑色素,提供皮膚色素。但在後來的生命期,黑色素細胞也會成為黑色素瘤的來源,並在轉移時顯現同樣高超的尋路能力。「細胞可以靠著自製化學濃度梯度達成這兩種目的,這個有趣的概念不但深奧,可能也是重要的命題。」

一窺哺乳類胚胎發育過程

這項研究結果也可能提供難能可貴的機會,讓我們能一窺哺乳類胚胎早期發育的其他過程。例如那些最後在生殖腺裡設立工廠的細胞,在胚胎發育早期原本距離目標部位很遠。這些生殖細胞必須越過胚胎中的重重山谷,循線來到預定的目的地。

倘若Dicty細胞和動作緩慢許多的胰腺癌細胞展現的行為是一種普遍機制,那麼生殖細胞或許也是運用類似策略找到目標生殖腺,避免轉錯彎來到錯誤的位置,例如腸胃。也許細胞有時在建構複雜生物體時,只靠著一路覓食就能找到目的地。

(摘錄,插題為編者所加)

本文取自《科學人》雜誌2020年12月號,更多的內容歡迎閱讀《科學人》雜誌。相關訊息網址:sa.ylib.com


 

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