日本研究人员发现车轮细胞,确认新的移动机理

生命科学 2018年07月26日
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日本山口大学研究生院与日本基础生物学研究所共同在参与鱼类伤口修复的移动表皮细胞内部发现车轮结构,实验证明,通过旋转,细胞会自行移动。

车轮旋转是能源效率较高的移动方式之一。生命现象与机械相比,一般被认为能源效率更高,不过以前从未发现车轮形状的动物移动器官。车轮未在动物体内进化的原因可能是,地球表面凹凸不平,不适合通过车轮移动。但生物的表皮比较平坦,如果关注在生物组织中作为变形虫爬行移动的细胞,或许存在类似车轮移动的细胞。鱼类表皮受伤后,为修复伤口,细胞会向受伤位置移动,研发小组着眼于这类细胞,将细胞内部的骨架结构及其移动动作直接记录成三维视频,查明了细胞移动的机理。

相关研究成果已于7月17日刊登在英国在线版国际专业杂志《科学报告》(Scientific Reports)上。

日本研究人员发现车轮细胞

【详细说明】

生命现象与机械相比一般被认为能源效率更高。不过,从移动来看,生物体内虽然存在旋转运动的器官,比如大肠杆菌和沙门氏菌等细菌鞭毛,以及飞虱幼虫的后腿齿轮构造等,但目前尚未发现器官本身为车轮形状,并利用该器官移动的生物。

生物的皮肤受伤后,周围的表皮细胞会向受伤位置移动进行修复(图1)。在鱼类身上,名为角质形成细胞 (keratocytes)的表皮细胞负责发挥这一作用。一般来说,移动细胞通过重复前后端的局部变形动作进行移动,即利用肌动蛋白聚合来延伸前端,利用应力纤维的收缩来缩回后端(图2)。因此,很多细胞在移动过程中无法维持固定形状。不过,角质形成细胞(图3A)由前方的月牙形宽大叶状伪足和后部的纺锤形细胞体构成,移动过程中能维持这种形状。另外,角质形成细胞的应力纤维与行进方向基本垂直(图3B),因此,应力纤维的收缩对细胞的移动基本没有作用。即便如此,角质形成细胞仍然以哺乳类动物的普通表皮移动细胞10倍以上的速度移动。

日本研究人员发现车轮细胞

研发小组认为,在这种独特的细胞中,除了以移动为目的的收缩外,应力纤维或许还发挥其他的独特作用,因此,首先拍摄了角质形成细胞的固定标本断层图像,研究了应力纤维的立体排列情况(图4A, B)。发现应力纤维正好像橄榄球接缝一样环绕着细胞体排列(图4C)。

日本研究人员发现车轮细胞

推测这个橄榄球应该在旋转。为此,研发小组此次利用光片显微镜(基础生物学研究所的野中茂纪副教授开发的高速型)和共聚焦激光显微镜,拍摄了三维视频,确认正在移动的活角质形成细胞中,应力纤维确实在旋转。从移动的细胞体截面来看(图5),表示应力纤维的亮点明显在旋转。

日本研究人员发现车轮细胞

如果由应力纤维构成的车轮旋转是细胞移动的原动力,那么破坏正在移动的细胞的应力纤维,移动应该会变得不正常。研发小组用激光烧断正在移动的活角质形成细胞的部分应力纤维,破坏车轮后,不出所料,角质形成细胞移动失败(图6)。这表示,在角质形成细胞中,呈橄榄球状排列的应力纤维发挥了车轮的功能。

日本研究人员发现车轮细胞

人们已经知道通过肌动蛋白聚合延伸细胞前端的动作(图2)在角质形成细胞上也会发生。为确认应力纤维车轮究竟是在前端肌动蛋白聚合的作用下被动旋转,还是自动旋转,研发小组切断正在移动的角质形成细胞的前后端进行了确认。切断前端后,细胞体内的应力纤维车轮继续旋转(图7)。这个结果表示,应力纤维车轮是自动旋转的。

日本研究人员发现车轮细胞

文 客观日本编辑部

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