我们从来不知道，细胞中有一条绿色通信系统

莫菲特癌症中心的一项新研究表明，细胞有一个以前未知的基于离子梯度和细胞骨架的信息系统，能够快速适应环境变化。这挑战了DNA是细胞信息唯一来源的传统观点，并可能影响我们对细胞功能和癌症的理解。

　　

一项新的研究表明，离子梯度跨越细胞膜创造了一个快速细胞决策的网络，分离于DNA．

细胞不断地在动态环境中导航，面临着不断变化的条件和挑战。但是细胞是如何迅速适应这些环境波动的呢?

莫菲特癌症中心发表在《iScience》杂志上的一项新研究通过挑战我们对细胞功能的理解来回答这个问题。一组研究人员提出，细胞拥有一种以前未知的信息处理系统，使它们能够独立于基因做出快速决定。

几十年来，科学家们一直认为DNA是细胞信息的唯一来源。这个DNA蓝图指导细胞如何构建蛋白质和执行基本功能。然而，由Dipesh Niraula博士和Robert Gatenby医学博士领导的莫菲特大学的一项新研究发现，一种与DNA一起工作的非基因组信息系统，使细胞能够从环境中收集信息，并对变化做出快速反应。

离子梯度的作用

这项研究的重点是离子梯度在细胞膜上的作用。这些梯度由专门的泵维持，需要大量的能量消耗来产生不同的跨膜电位。研究人员提出，这些梯度代表了一个巨大的信息库，使细胞能够连续监测它们的环境。

当信息在细胞膜上的某个点被接收时，它与离子通道中的专门通道相互作用，然后通道打开，允许这些离子沿着预先存在的梯度流动，形成一个通信通道。离子通量触发了膜附近的一系列事件，使细胞能够分析并快速响应信息。当离子通量较大或时间较长时，它们可引起细胞骨架微管和微丝的自组装。

通常，细胞骨架网络为细胞提供机械支持，并负责细胞的形状和运动。然而，莫菲特的研究人员指出，细胞骨架中的蛋白质也是优秀的离子导体。

这使得细胞骨架作为一个高度动态的细胞内布线网络，将基于离子的信息从膜传递到细胞内的细胞器，包括线粒体、内质网和细胞核。研究人员提出，这个系统允许对特定信号做出快速和局部的反应，也可以对更大的环境变化产生协调的区域或全球反应。

本研究的见解和意义

机器学习系的应用研究科学家Niraula说:“我们的研究揭示了细胞利用跨膜离子梯度作为通信手段的能力，使它们能够快速感知和响应周围环境的变化。这种复杂的网络使细胞能够做出迅速而明智的决定，这对它们的生存和功能至关重要。”

研究人员认为，这种非基因组信息系统对于形成和维持正常的多细胞组织至关重要，并认为神经元中描述良好的离子通量代表了这种广泛信息网络的一个特殊例子。这些动态的破坏也可能是癌症发展的关键组成部分。

他们证明了他们的模型与多个实验观察结果是一致的，并强调了从他们的模型中产生的几个可测试的预测，希望为未来的实验铺平道路，以验证他们的理论，并揭示细胞决策的复杂性。

“这项研究挑战了生物学中隐含的假设，即基因组是信息的唯一来源，细胞核是一种中央处理器。“我们提出了一个全新的信息网络，它允许细胞生存所需的快速适应和复杂的通信，并且可能深入参与允许多细胞生物功能的细胞间信号传导，”莫菲特进化治疗卓越中心的联合主任Gatenby说。

参考文献:“Modeling non-genetic information dynamics in cells using reservoir computing” by Dipesh Niraula, Issam El Naqa, Jack Adam Tuszynski and Robert A. Gatenby, 28 March 2024, iScience.

这项工作得到了美国国立卫生研究院(R01-CA233487)的支持。