长安城里的望楼、武侯,原来细胞上也有?

长安城里的望楼、武侯,原来细胞上也有?
2019年08月06日 09:38 新浪科技综合

  来源:科学大院

  最近热播的《长安十二时辰》把人们带到了昔日繁华的大唐,剧中人物通过远距离密码通信设备——望楼,便能实现信息传输,从而知晓整个长安的动静。

  其实,我们的细胞上也具有像“望楼”一般的通信系统,称为纤毛。它高高的突起于细胞表面,是一类高度保守的细胞器。没听说过细胞长毛?其实科学家们也是在二十世纪后期才逐渐重新认识它们。

“望楼”和结合了八卦唐韵的密码破解攻略(图片来源:北斗北工作室)“望楼”和结合了八卦唐韵的密码破解攻略(图片来源:北斗北工作室)

  “纤毛”和“鞭毛”,傻傻分不清楚

  如果你对中学时期的生物知识还有印象,那你应该还记得教科书里草履虫的细胞周围就长满了纤毛。它们在水中一收一放地摆动着,可以像船桨一样帮助细胞前进和后退。

草履虫不断摆动的纤毛(图片来源:YouTube)草履虫不断摆动的纤毛(图片来源:YouTube)

  纤毛的发现最早可以追溯到四百多年前的十七世纪时期。那时候荷兰有个博物学家叫列文虎克(Leeuwenhoek),他喜欢用自制的显微镜观察各种微小的生物,并第一次描述了一种有“快速移动的脚”的小虫——鞭毛虫。这些“脚”就是鞭毛[1]。

  鞭毛和纤毛有着相似的结构,可谓是师出同门。鞭毛往往指细胞表面一根或两根较长的突起,是细胞运动的重要结构;而纤毛常以较短且较密集的突起出现,通过摆动感受周围液体环境。有时我们并不特意区分它们,鞭毛也可称作动纤毛。

  比如,单细胞植物衣藻上的两条鞭毛就是动纤毛,像极了美猴王头上的“凤翅紫金冠”。衣藻在1945年由美国植物学家吉尔伯托(Gilbert M。 Smith)引入实验室,从此便在纤毛研究领域大显本领。很多纤毛相关蛋白都是在衣藻中第一次被发现,并在高等生物中得到进一步证实。

  可动可静的纤毛

  纤毛的摆动依赖于水环境,随着进化的历程,生物逐渐离开海洋并在陆地上生活。所以,很长一段时间以来,人们认为纤毛属于一种退化的细胞器。我们人体内的细胞不会像草履虫这些微生物一样,周围长一圈纤毛或者拖两根长长的尾巴。高等动物中一度被认为只有精子和部分组织中有鞭毛/纤毛结构,它们都与摆动相关。比如呼吸道上皮细胞的纤毛,它们不断摆动,把粘附了灰尘和病菌的粘液送到鼻咽部排出。

  1898年,瑞士科学家齐默尔曼(Zimmerman)第一次在哺乳动物肾细胞中观察到了纤毛[2]。大多数肾细胞上只有一根纤毛,它们的长度短于鞭毛,不会自我摆动,只会随着液体流动而偏转方向。到了十九世纪末期,随着细胞生物学和显微镜技术的发展,人们逐渐发现很多真核细胞表面都有纤毛,如胰脏细胞、肝细胞、脂肪细胞、神经细胞等等,纤毛不再是细胞运动的专利。这打破了人们长久以来对纤毛的常规认识,连细胞的经典结构模型都受到了挑战!

很多细胞上都长了纤毛:标记绿色荧光的是细胞纤毛,蓝色荧光的是细胞核。(图片来源:www.genengnews.com)很多细胞上都长了纤毛:标记绿色荧光的是细胞纤毛,蓝色荧光的是细胞核。(图片来源:www.genengnews.com)

  1968年,美国科学家索罗金(Sorokin)通过电子显微镜发现这类纤毛的微管骨架与动纤毛不同,为了加以区分,它们被命名为“初级纤毛”(primary cilia),或者叫静纤毛[3]。

  这根纤毛不会摆动,也不会帮助细胞运动,却是细胞上的“望楼”天线系统。

纤毛短,鞭毛长。不停摆动是鞭毛,可动可静是纤毛。(图片来源:网络)纤毛短,鞭毛长。不停摆动是鞭毛,可动可静是纤毛。(图片来源:网络)

  细胞的“通讯天线”

  如果把细胞比作一座长安城,那么纤毛就是城中的一座“望楼”。望楼里有精心挑选的武侯,掌握一套繁复有序的密码通信系统。纤毛里也有传讯的“武侯”。这些“武侯”分为两类,一类负责维持纤毛结构,一类负责信号传递。“武侯”失职将使整个细胞城陷入混乱与危险。

   负责维持纤毛结构的“武侯”被称作纤毛内转运蛋白(IFT),它们在纤毛里来来回回地搬运物质,保证“望楼”的正常运营。这类蛋白发生突变会直接影响纤毛的形成,好比八丈高的望楼变成了一丈,视野受限,收到的信号也不一样了。2000年的时候,科学家发现,如果突变小鼠的一个IFT基因,不仅纤毛生成受到影响,突变小鼠还会因为严重的多囊肾综合症导致出生致死[4]。这也是第一次纤毛的功能真正受到研究者们的重视,而距离初级纤毛的命名已有半个世纪之久。

  负责信号传递的“武侯”有很多 。它们有的向细胞内的重要决策机构“靖安司”——细胞核——发送信息。这些“武侯”是纤毛上的受体蛋白,它们是细胞接收信号的起点。比如,Sonic Hedgehog是与癌症发生密切相关的一个细胞信号通路,它的受体蛋白PTCH1位于纤毛上,当PTCH1离开纤毛时,会传递信号至细胞核,激活核内的部分癌基因转录,加速细胞分裂增殖。

  纤毛还充当着细胞“信号增强接收器 ”的角色。初级纤毛突出于细胞表面,纤毛膜又有丰富的脂筏,上面分布了大量受体和离子通道。纤毛的体积很小,这方便了它迅速改变受体分布和下游分子浓度,可以将外界信号更快速地传递至细胞内部。在神经系统中,听觉、视觉、嗅觉分别通过纤毛传递声波、光线、气味等信号。

  比如视网膜色素变性蛋白和视网膜色素变性G蛋白调控因子都位于光感受器中特异化的纤毛上。纤毛的缺陷会导致光感受器细胞外段的视色素蛋白不能得到及时补充,使视力下降乃至失明。内脏细胞通过纤毛感受周围激素和离子浓度变化,进而改变细胞分裂增殖和代谢稳态。内脏细胞的纤毛发生缺陷的典型例子就是多囊肾,这也是研究最多的纤毛疾病之一。多囊肾的患者肾细胞分裂增加,常随着年龄增大而出现更多的囊肿,并会伴有肾区疼痛和血尿等,极大地影响了生活质量。

  有的“武侯”负责向远处细胞的“望楼”传递信号。这部分“武侯”包括纤毛分泌的小分子或蛋白,它们会随着体液在身体内流动,告诉其他细胞响应环境变化。这时候纤毛又变成了细胞的“信号发射器”。纤毛会向外分泌囊泡(外泌体),这些囊泡包裹着各种小分子,充当着细胞信使的职责。比如线虫神经细胞上的纤毛可以分泌小囊泡进行个体间的信息交流。哺乳动物细胞上的纤毛也可以通过分泌小泡进行物质交流和信息传递[5]。

 纤毛内转运蛋白在不断运动(图片来源:Cold Spring Harbor perspectives in biology) 纤毛内转运蛋白在不断运动(图片来源:Cold Spring Harbor perspectives in biology)

  细胞上的纤毛并不是一直存在,它会随着细胞分裂期消失,在细胞分裂间期时又重新生成。胚胎发育是细胞分裂分化最旺盛的时候,其中一些关键细胞上的动纤毛在器官形成前集体向左倾斜并带动周围液体流动,而附近细胞上的静纤毛感受到液体流动方向后通过复杂的信号传递使胚胎发生不对称分裂,这样我们的心脏才能长在左边。发育时期纤毛发生缺陷将导致严重的内脏转位等疾病。另外,肿瘤细胞往往处于高度分裂的状态,肿瘤患者的组织中会常常出现纤毛缺失现象 ,这使得肿瘤细胞的极性发生改变,从形态上就能与正常细胞相区分。

细胞信号通路(图片来源:CST)细胞信号通路(图片来源:CST)

  结语

  纤毛的信号传递系统十分庞大,它与细胞内的各种信号通路共同组成了庞大的细胞“舆图”。《长安十二时辰》中至关重要的长安舆图,记录着长安城一百零八坊的大小商户府邸和暗渠走向,是破案的关键。而细胞舆图仍在不断填充中,细胞的“大案牍术”也需要更多科学家的共同分析完成。

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