细胞是如何移动的？科学家说，“拔掉”薄膜内侧的电荷插头

　　

   

   

图示一种变形虫，红色表示沿着内膜的负电荷减少，在那里形成突起来移动生物体。    

图源:Tatsat Banerjee和Peter N Devreotes

约翰霍普金斯医学院的科学家们说，细胞运动的关键是调节细胞膜内侧的电荷，这可能为理解癌症、免疫细胞和其他类型的细胞运动铺平道路。

他们对免疫细胞和变形虫的实验表明，在细胞膜内表面排列的大量负电荷可以激活脂质、酶和其他蛋白质的通路，这些蛋白质负责推动细胞向某个方向移动。

这一发现发表在《自然细胞生物学》杂志上，它促进了生物学家对细胞运动的理解，并可能有助于解释与运动相关的生物学过程，例如癌细胞如何移动和扩散到肿瘤的原始部位，免疫细胞如何迁移到感染或伤口愈合区域。

“我们体内的细胞比我们想象的要移动得多，细胞移动执行许多功能，包括当它们吞噬营养物质或分裂时。”

许多参与细胞运动的分子在细胞的前沿被激活，或者在那里形成一种脚或突出物，使细胞朝着特定的方向运动。

Tatsat Banerjee是约翰霍普金斯大学细胞生物学、化学和生物分子工程系的研究生，也是这项研究的主要作者，他开始注意到排列在细胞膜内层的带负电荷的脂质分子并不像科学家以前认为的那样均匀。他注意到，这些分子总是离开细胞突起的区域。他有一种预感，一种普遍的生物物理性质，比如电荷，而不是特定的分子，可以刺激和组织与细胞运动有关的酶和其他蛋白质的活动。

为了验证这一想法，Banerjee和Devreotes使用了一种生物传感器，一种荧光标记的带正电荷的肽来测量人类免疫细胞(吞噬入侵细胞的巨噬细胞)和一种单细胞土壤生活变形虫。

他们发现，当细胞形成突起时，沿内膜的负电荷相应减少。或者，沿着细胞的静息膜表面，电荷增加，这有助于招募更多带正电的蛋白质。

约翰霍普金斯大学的研究人员还设计了一种新型的高电荷、基因编码的分子，可以在细胞内通过光移动。无论科学家们在细胞上照射什么地方，新的突起就会形成或抑制，使细胞向某个方向移动，这取决于表面电荷是减少还是增加。

Devreotes说，这些实验结果可能是第一个证明一般膜表面电荷水平在控制细胞信号和运动中起因果作用的证据。

研究人员与约翰霍普金斯大学惠廷工程学院电气与计算机工程系的Pablo Iglesias博士及其研究团队合作，建立了一个计算模型，以演示内膜上电荷的微小变化如何影响细胞信号活动。

“表面负电荷似乎足以激活与细胞运动有关的一连串生物分子反应，”Banerjee说。“……这篇论文有可能开创这一领域的新方向。”

接下来，科学家们计划精确地研究细胞膜上的电荷是如何以及何时随着外界信号而减少的，以及负电荷是如何与复杂的蛋白质和脂质信号网络联系起来的，这些信号网络促进细胞运动和其他相关的生理过程。

该研究由美国国立卫生研究院(R35 GM118177, S10 OD016374)， DARPA和AFOSR MURI资助。