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Science:新发现许多动物细胞也能跟神经元一样伸长并彼此间形成突触


Science:新发现许多动物细胞也能跟神经元一样伸长并彼此间形成突触
 

摘要:
加州大学旧金山分校的研究人员发现,许多的动物细胞类型同样能够伸长并在彼此之间形成突触,它们采用信号蛋白代替神经元所利用的神经递质和电冲动作为信息单位。这一研究发现直接地挑战了普遍的动物细胞通讯生物学模型。相关文章发表于2014年1月2日的《Science》杂志上。
加州大学旧金山分校心血管研究所生物化学教授、资深研究员Thomas B. Kornberg博士说:“这一机制与神经元和其他细胞之间通讯的方式相似。而普遍的观点认为非神经元细胞主要是将信号蛋白胞吐到细胞外液中,希望它们找到正确的目标。”
采用果蝇活体组织开展研究,Kornberg和他的研究小组证实细胞生长出了称作为cytoneme的胞质细长管状结构。Kornberg说:“在接触到靶向的细胞之前,它们能够延伸跨越50个或100个细胞的长度。Cytoneme和靶细胞之间的接触点在两个细胞之间发挥了通讯桥梁的作用。”
“很久以前人们都知道,神经元以一种相似的方式进行通讯——在称之为轴突的长管中长距离传导冲动,在称作为突触的接触点传递信号。然而,一直以来人们认为这种信号模式为神经元所独有。我们现在证实,许多的动物细胞类型同样能够伸长并在彼此之间形成突触,它们采用信号蛋白代替神经元所利用的神经递质和电冲动作为信息单位。
Kornberg说:“我认为,目前唯一有强力的实验数据表明,这些信号蛋白是在接触点通过Cytoneme从一个细胞移动到另一个细胞。”
“在100年来的研究工作和成千上万的科学论文中,人们只是简单地认为这些蛋白是穿过细胞外液从一个细胞移动到另一个细胞的。因此这是以一种完全不同的方式来思考组织中的信号传送机制。”
利用果蝇翅膀上的细胞生成和发送信号蛋白Decapentaplegic (Dpp),Kornberg和研究小组证实Dpp是在细胞之间cytoneme形成连接的位点进行传送,cytoneme是Dpp在细胞之间移动的导管。
科学家们发现接触点具有神经元所形成的突触的特征。他们在基因工程改造缺失突触生成蛋白的果蝇中证实,细胞不能够成功地形成突触或传送信号。
Kornberg 说:“在突变体中,靶细胞不接收信号,信号传导被阻断。这证实了直接接触是信号传递、信号接收和信号发送的必要条件。”
Kornberg说以往未观察或研究动物细胞cytoneme的主要原因在于这些结构太过脆弱,采用传统的实验室成像细胞制备方法它们无法存留下来。“在过去的10多年里取得了极大的技术进步,涌现了一些遗传工程新技术,活细胞成像分辨率和敏感度提高的新型显微镜,以及开发了一些能够附着到目的蛋白上去的荧光标记蛋白。”
利用这些新技术,Kornberg和研究小组捕获了正移动通过荧光标记cytoneme的荧光信号蛋白的生动图像及影像。
“我们并没有说细胞总是利用cytoneme来传送信号。例如,激素是远距离细胞信号传导的另一种手段。摄取胰岛素的细胞并不会在意胰岛素来自何处——是来自胰腺或是静脉注射。但有一些特殊信号类型,例如在干细胞以及周围细胞之间传递的信号,或是决定组织生长、模式和功能的信号,必须精确确定通讯细胞的特征。这些信号是在生成它们的细胞环境下被接收,这一点很重要。”
Kornberg指出,其他一些研究小组的观察结果表明,基于cytoneme的信号有可能也发生在干细胞和向它们下达指令的细胞之间。癌细胞也可能利用了这种方法来与他们的相邻细胞进行通讯。
“发现动物细胞cytoneme以及它们在长距离信号传导中起重要作用,开启了在这方面我们了解甚少的奇妙生物学。例如,这些cytoneme是如何找到它们的靶标的?它们是如何知道何时找到了靶标的?其中有一些问题我们正在探究,”Kornberg说。
原文摘要:
Cytoneme-Mediated Contact-Dependent Transport of the DrosophilaDecapentaplegic Signaling Protein
Sougata Roy, Hai Huang, Songmei Liu, Thomas B. Kornberg
Decapentaplegic (Dpp), a Drosophila morphogen signaling protein, transfers directly at synapses made at sites of contact between cells that produce Dpp and cytonemes that extend from recipient cells. The Dpp that cytonemes receive moves together with activated receptors toward the recipient cell body in motile puncta. Genetic loss-of-function conditions for diaphanous, shibire, neuroglian and capricious perturbed cytonemes by reducing their number or only the synapses they make with cells they target; and reduced cytoneme-mediated transport of Dpp and Dpp signaling. These experiments provide direct evidence that cells use cytonemes to exchange signaling proteins, that cytoneme-based exchange is essential for signaling and normal development, and that morphogen distribution and signaling can be contact-dependent, requiring cytoneme synapses.
 

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