粘液霉菌中复杂结构的组织被研究

2019-09-03 521粘菌粘液霉菌

日本研究人员认为,他们已经找到了一个基本生物学问题的答案:单个细胞如何在一个复杂的多细胞体内定位自己。根据细胞在更大结构中的作用,接触或扩散的化学信号将其导向最终目的地。

从卵子和精子到一个完全发育的身体需要的不仅仅是繁殖。植物、动物和人都是由数万亿个细胞组成的,它们被小心翼翼地组织成更大的结构,比如组织和器官。不知何故,每个细胞都知道自己的位置——心脏的左侧,结肠的内层,等等——并且通常保持不变。

“细胞在多细胞生物中定位时发生了什么几乎是不可能分析的,因为有很多参与者:不同的细胞类型,细胞内不同的分子,细胞外不同的化学信号,细胞生长,细胞程序性死亡,“来自东京大学的教授Satoshi Sawai说。

粘液霉菌中复杂结构的组织被研究

粘液霉菌系统

粘菌提供了一个更简单的系统来理解细胞定位。粘菌是阿米巴原虫,但在大小和形状上与人类白细胞相似,并具有细胞动力学的基本特征,如迁移和吞噬致病病原体。

粘菌盘状盘柄上皮的单个细胞可以独立存在,自由地生活在土壤中,以细菌和真菌为食。当食物缺乏时,独立的粘菌细胞聚集在一起,作为一个多细胞有机体。

当粘液霉菌细胞聚集在一起时,有时是100个,有时是10000个,它们会分化成两种不同的类型。

第一种类型,预柄细胞,最终形成一个柱,支持由第二种类型,预孢子细胞组成的球体。研究人员称这种由两部分组成的结构为子实体。随着前孢子细胞最终飘到一个更好的环境中,在那里它们可以作为独立的阿米巴原虫生长和分裂,前茎细胞将会死亡。

在子实体成形之前,在子实体内部,细胞附着在一起形成长长的序列,并在周围打转,沉浸在它们分泌的化学信号中。这种名为cAMP的扩散化学物质在20世纪70年代首次被发现,能吸引细胞。

传统上,cAMP信号的吸引程度被认为是将细胞分裂成前茎细胞和前孢子细胞。然而,最近的基因实验显示,与黏附或细胞间接触有关的分子可能也很重要。

Sawai说:“粘液霉菌的伟大之处在于,你可以把单个细胞从更大的结构中取出来,它们仍然可以在一个模仿多细胞环境的相对简单的环境中自然地活动。”

粘液霉菌中复杂结构的组织被研究

两种信号

在他们的新实验中,研究人员从一个多细胞丛中取出细胞,并追踪单个细胞对人工触摸和cAMP信号的反应。

当细胞序列形成时,领头细胞向cAMP方向移动。跟随者细胞没有被拉着前进,而是积极地向前推动着领导细胞。

“细胞与细胞的接触激活了细胞运动的过程。跟随细胞是引擎,领导细胞是方向盘,总是指向化学信号的方向。”

研究人员还将单个的预茎细胞或预孢子细胞放置在表面涂有黏附分子的珠子上,这种分子似乎在细胞的尾部起作用。所有附着在珠上的细胞,如在细胞列中一样。研究人员随后在实验中加入了cAMP。前茎细胞释放出珠粒并向cAMP移动。然而,前孢子细胞忽略了cAMP,紧紧抓住珠粒。

Sawai的研究团队证明,细胞之间的头尾接触指导着它们的迁移,但是cAMP只是在茎前细胞中以某种方式覆盖了这种接触。

“很多人认为你必须去火星寻找生命的基本规律。但我们可以看看地球上生命之树所有尚未被探索的分支。粘液霉菌给了我们一些线索,让我们知道应该寻找什么来理解更复杂物种背后的力学逻辑,”Sawai说。

细胞与细胞接触对激活细胞运动和组织的重要性的发现,将为研究胚胎发育或乳腺癌扩散等事件中细胞模式的形成开辟新的可能性。此项研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。

粘液霉菌中复杂结构的组织被研究

引用

University of Tokyo. "Complex structures' organization studied in slime mold: How cells organize into complex structures studied in slime mold." ScienceDaily. ScienceDaily, 20 February 2019.
www.sciencedaily.com/releases/2019/02/190220145030.htm.

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