听口令,齐步走,细胞干活去

      慵懒的周末午后,当你躺在沙发上休息时,你身体内的每一个细胞都在工作。它们有的在吞吃垃圾,有的在搬运东西——细胞在帮忙修复你一周的疲惫。而这些修复方式看上去显得很悠闲,细胞们在伸懒腰,在散步,在蛙泳,在划船……

  其实,这就是细胞的迁移运动,这些运动的方式是如此令人着迷。它们对许多生物学功能至关重要,在伤口愈合、肿瘤转移、免疫反应等生理现象中,也是必不可少的。比如当你不小心在手上划开一道口子后,部分皮肤细胞会迁移到伤口进行增殖再生,附近的免疫细胞也会跑过来帮助伤口闭合[1]。

  令人们“谈癌色变”的恶性肿瘤,也是因为肿瘤细胞增殖后,沿着血管和淋巴转移到其它器官组织,从而引起全身多处肿瘤,才如此难以治疗。而免疫细胞像警卫一样在身体各处游走巡逻,能精确找到肿瘤并清除,这也是免疫治疗越来越受重视的原因[2]。

数个免疫细胞(蓝色)向肿瘤细胞(黄色)移动并试图清除肿瘤

什么是细胞运动?就像是伸个懒腰,散个步

  数亿年来,细胞进化出了形形色色的运动方式。草履虫摆动周身的纤毛在水中自由沉浮,衣藻晃动两根长长的鞭毛在清澈的湖水中摇摆,精子像小蝌蚪一样在体液中游行。虽然哺乳动物的体细胞既没有动纤毛,也没有长鞭毛,但是它们可以随液体漂流,也可以通过改变细胞形状来完成迁移运动。

     没有鞭毛辅助运动,细胞走得很慢很悠闲。一旦感受到某些刺激后(这些刺激可能是物质浓度梯度变化,也可能是迁移信号),它们就会慢慢地向前伸出突触或伪足,就像伸了个懒腰。伸出的伪足与细胞前方相粘着,慢慢牵拉着整个胞体向前移动。

以树突状细胞的迁移运动为例,树突状细胞是一类强大的多功能抗原呈递细胞,它们长有很多伪足。这种细胞的迁移能力在维持免疫监视和组织稳态中都起着重要作用。

  平时树突状细胞的祖细胞在皮肤、粘膜表面和人体大多数器官中聚积,产生不成熟的一类树突细胞。这些细胞显示出动态星状扩展,有效地形成了致密的细胞网络,充当着免疫系统的前哨。一旦有病原体(异物、细菌、增殖异常的癌细胞等)入侵,这些细胞附近的某一趋化因子将集体升高,形成一个浓度梯度,召集远处更多的成熟树突状细胞迁移进入附近淋巴管系统,并将病原体信息传递给免疫T细胞。而T细胞到达病灶的速度会快很多,它们沿着血管壁滚动,最终清除病原体[3, 4]。

当你受伤休息时,树突状细胞迁移至淋巴管启动免疫反应

       如果说精子的游动是百米冲刺,那么其它大多数细胞的移动就是蜗牛爬行,或者像播放视频时按下了慢速键。然而,正是这样缓慢的细胞迁移运动,帮助完成了一个又一个生命奇迹。比如在胚胎发育过程中,神经元前体细胞向前移动、切换方向或更改其迁移方式以到达最终位置,这个过程往往需要几个小时或几天才能完成。神经元的迁移赋予了我们可以思考万物的大脑,也让我们可以尽情享受美好时光。

  是什么力量在指引细胞运动?

  细胞运动并不是在漫无目的地散步,它们的每一次移动都有特定的任务。

  就像动物会被特殊的气味吸引或远离厌恶的气味,细胞也会被特殊的物质吸引或排斥。细胞外的化学信号(比如身体疲惫后积累的各种垃圾物质)可以引发细胞的定向移动,这时的细胞就像被下达了定向越野的任务。化学信号物质与细胞膜表面的受体结合后,会改变细胞内的肌动蛋白活性,从而改变细胞骨架的形态。细胞骨架就像动物的手和脚,控制着细胞的运动方式。

      细胞迁移时的外形改变就像人的走路,一只脚先往前踏出,并且在地上踏实,然后上身重心前移,最后是后脚提起并向前脚靠拢,如此循环往复。

  细胞在前进过程中,还会不断地调整方向。它们并不是一直进行直线运动,而是在直线运动一小段时间后停下来,微微调整身姿后继续向前运动,直到到达它们的目的地,清除病原体或传递新的信号。

不过,细胞迁移的路程并不总是那么顺利,诸多信号分子一路为细胞留下暗号,沿途不迁移的细胞也为迁移细胞提供前进信息,有的挂出“邀请”的牌子,有的放上“此路不通”的路障。

  迁移过程中,细胞需要不断伸出伪足或触手摸索周围的环境,找到正确的配对暗号后往正确的方向缓慢移动。如果这套机制过于活跃,细胞的迁移就会频繁发生。

  值得注意的是,癌细胞的转移往往涉及细胞迁移。一旦癌细胞通过细胞运动迁移至其他组织并扎根生长,病情就会开始恶化。如果能及时阻止癌细胞的转移,就可以及时阻断病情发展,癌症也将不再骇人听闻。

  细胞运动新方式:蛙泳?划船?

  白细胞是负责体内免疫反应最重要的一类细胞,它的数量异常往往提示着身体发生了炎症,它的迁移也往往与炎症反应相关。如果炎症长期积累,就会引发诸多慢性疾病,甚至癌症。因此,研究白细胞的迁移也成了细胞生物学的热门话题之一。

  最近,人们发现了血液中白细胞的一种新运动方式。这种运动方式不同于“散步”,看起来更像是在水中以蛙泳模式游动,给人一种细胞像游泳者一样变换身形的错觉。

      然而白细胞真的是在“蛙泳”吗?进一步的研究又发现,单纯的“蛙泳”并不能有效地推动细胞前进。原来,这些细胞可以使用跨膜蛋白划桨。跨膜蛋白可以跨过细胞膜,像船桨一样突出到细胞外,被形象地称为“分子桨”[5]。

  这些跨膜蛋白与细胞内的肌动蛋白微丝相连,肌动蛋白微丝形成细胞骨架的一部分,像引擎一样通过收缩推动细胞移动。细胞还会将位于后部的“分子桨”封闭在细胞囊泡内,囊泡从细胞膜上掉下来又转移到细胞前部,从而实现连续的划动。

白细胞利用“分子桨”游泳的迁移方式可以使免疫细胞在充满液体的环境中任意移动,从而全面探索体内的所有位置,例如肿胀的身体部位、感染的膀胱、脑脊液或羊水。这对及时发现病灶并启动免疫反应无疑有着巨大帮助。虽然目前还不知道癌细胞是否也可以像白细胞一样伸出“分子桨”来迁移,但是白细胞的这种迁移方式为细胞运动的方式提出了更多可能性。

  形形色色的细胞运动默默支持着我们的生命和健康,我们也期待将来能对细胞运动的方式有更多的认知和探索。

  参考文献:

  1. Luster, A.D., R. Alon, and U.H. von Andrian, Immune cell migration in inflammation: present and future therapeutic targets. Nat Immunol, 2005. 6(12): p. 1182-90.

  2. Topalian, S.L., et al., Mechanism-driven biomarkers to guide immune checkpoint blockade in cancer therapy. Nature Reviews Cancer, 2016. 16(5): p. 275-287.

  3. Alvarez, D., E.H. Vollmann, and U.H. von Andrian, Mechanisms and consequences of dendritic cell migration. Immunity, 2008. 29(3): p. 325-42.

  4. Bedford, J.G., et al., Unresponsiveness to inhaled antigen is governed by conventional dendritic cells and overridden during infection by monocytes. Science Immunology, 2020. 5(52): p. eabb5439.

  5. Aoun, L., et al., Amoeboid Swimming Is Propelled by Molecular Paddling in Lymphocytes. Biophysical Journal, 2020. 119(6): p. 1157-1177.  

来源:科普中国-科普融合创作与传播

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