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Science:新發現許多動物細胞也能跟神經元一樣伸長并彼此間形成突觸


Science:新發現許多動物細胞也能跟神經元一樣伸長并彼此間形成突觸
 

摘要:
加州大學舊金山分校的研究人員發現,許多的動物細胞類型同樣能夠伸長并在彼此之間形成突觸,它們采用信號蛋白代替神經元所利用的神經遞質和電沖動作為信息單位。這一研究發現直接地挑戰了普遍的動物細胞通訊生物學模型。相關文章發表于2014年1月2日的《Science》雜志上。
加州大學舊金山分校心血管研究所生物化學教授、**研究員Thomas B. Kornberg博士說:“這一機制與神經元和其他細胞之間通訊的方式相似。而普遍的觀點認為非神經元細胞主要是將信號蛋白胞吐到細胞外液中,希望它們找到正確的目標。”
采用果蠅活體組織開展研究,Kornberg和他的研究小組證實細胞生長出了稱作為cytoneme的胞質細長管狀結構。Kornberg說:“在接觸到靶向的細胞之前,它們能夠延伸跨越50個或100個細胞的長度。Cytoneme和靶細胞之間的接觸點在兩個細胞之間發揮了通訊橋梁的作用。”
“很久以前人們都知道,神經元以一種相似的方式進行通訊——在稱之為軸突的長管中長距離傳導沖動,在稱作為突觸的接觸點傳遞信號。然而,一直以來人們認為這種信號模式為神經元所獨有。我們現在證實,許多的動物細胞類型同樣能夠伸長并在彼此之間形成突觸,它們采用信號蛋白代替神經元所利用的神經遞質和電沖動作為信息單位。
Kornberg說:“我認為,目前唯壹有強力的實驗數據表明,這些信號蛋白是在接觸點通過Cytoneme從一個細胞移動到另一個細胞。”
“在100年來的研究工作和成千上萬的科學論文中,人們只是簡單地認為這些蛋白是穿過細胞外液從一個細胞移動到另一個細胞的。因此這是以一種完全不同的方式來思考組織中的信號傳送機制。”
利用果蠅翅膀上的細胞生成和發送信號蛋白Decapentaplegic (Dpp),Kornberg和研究小組證實Dpp是在細胞之間cytoneme形成連接的位點進行傳送,cytoneme是Dpp在細胞之間移動的導管。
科學家們發現接觸點具有神經元所形成的突觸的特征。他們在基因工程改造缺失突觸生成蛋白的果蠅中證實,細胞不能夠成功地形成突觸或傳送信號。
Kornberg 說:“在突變體中,靶細胞不接收信號,信號傳導被阻斷。這證實了直接接觸是信號傳遞、信號接收和信號發送的必要條件。”
Kornberg說以往未觀察或研究動物細胞cytoneme的主要原因在于這些結構太過脆弱,采用傳統的實驗室成像細胞制備方法它們無法存留下來。“在過去的10多年里取得了極大的技術進步,涌現了一些遺傳工程新技術,活細胞成像分辨率和敏感度提高的新型顯微鏡,以及開發了一些能夠附著到目的蛋白上去的熒光標記蛋白。”
利用這些新技術,Kornberg和研究小組捕獲了正移動通過熒光標記cytoneme的熒光信號蛋白的生動圖像及影像。
“我們并沒有說細胞總是利用cytoneme來傳送信號。例如,**是遠距離細胞信號傳導的另一種手段。攝取胰島素的細胞并不會在意胰島素來自何處——是來自胰腺或是靜脈注射。但有一些特殊信號類型,例如在干細胞以及周圍細胞之間傳遞的信號,或是決定組織生長、模式和功能的信號,必須**確定通訊細胞的特征。這些信號是在生成它們的細胞環境下被接收,這一點很重要。”
Kornberg指出,其他一些研究小組的觀察結果表明,基于cytoneme的信號有可能也發生在干細胞和向它們下達指令的細胞之間。癌細胞也可能利用了這種方法來與他們的相鄰細胞進行通訊。
“發現動物細胞cytoneme以及它們在長距離信號傳導中起重要作用,開啟了在這方面我們了解甚少的奇妙生物學。例如,這些cytoneme是如何找到它們的靶標的?它們是如何知道何時找到了靶標的?其中有一些問題我們正在探究,”Kornberg說。
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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