细胞间粘附通过膜张力升高引导细胞集体迁移

细胞-细胞粘附通过连接邻近细胞来协调集体运动。在这里，作者使用人工光切换粘接剂来证明膜张力的增加可以驱动集体迁移。

　　

细胞间黏附通过提升膜张力促进集体细胞迁移的研究解读

德国明斯特大学（University of Münster）生理化学与病理生物化学研究所的 Brent M. Bijonowski、Jongkwon Park 等人在《Nature Communications》期刊上发表了题为 “Intercellular adhesion boots collective cell migration through elevated membrane tension” 的论文。该研究揭示了细胞间黏附促进集体细胞迁移的新机制，为深入理解细胞在多细胞系统中的行为提供了关键线索，在发育生物学、伤口愈合以及癌症转移等研究领域具有重要意义。

一、研究背景

在多细胞系统中，细胞的迁移模式与细胞间相互作用紧密相关。依据细胞间相互作用强度的不同，细胞呈现出集体迁移或单独迁移的状态。在形态发生和伤口愈合过程中，细胞常以集体形式迁移；而免疫细胞和成纤维细胞则倾向于单独迁移。细胞 - 细胞黏附的介质，如经典钙黏蛋白，通过连接相邻细胞的细胞骨架来协调集体细胞动力学。然而，细胞间结合是否能独立触发源自质膜的信号，这一问题尚不明晰。以往研究多聚焦于连接细胞骨架的蛋白复合物引发的信号通路，而质膜直接产生的信号在集体细胞动力学中的作用却被忽视。质膜通常被视为被动结构，主要功能是分隔细胞内外环境，通过跨膜蛋白复合物实现信号转导。但近年来的研究表明，在单细胞层面，膜性质的改变能显著影响细胞前沿动态和迁移行为，且这些改变不仅源于机械 - 化学反馈回路，还与细胞内信号传导和基因表达变化相关。这意味着质膜变化不仅会引起细胞的短期改变，还会产生长期影响，暗示着源自质膜的非蛋白依赖信号级联可能引发细胞动力学的持续变化。但目前缺乏有效工具来剖析质膜机械信号与通过细胞 - 细胞黏附分子传递到细胞骨架和生化信号的机械转导之间的关系，这给研究质膜衍生信号对集体细胞迁移的贡献带来了挑战。

二、研究材料与方法

（一）实验细胞

研究选用 MDA - MB - 231（MDA）细胞和 MCF - 7 细胞。MDA 细胞缺乏 1 型钙黏蛋白，细胞间黏附较弱，以单细胞形式迁移；MCF - 7 细胞高表达 1 型钙黏蛋白，细胞间黏附强，具有集体细胞迁移特性。

（二）构建人工黏附分子

利用蓝藻光敏色素 1（Cph1）构建人工光控细胞 - 细胞黏附分子 Cph1 - PM。将 Cph1 的胞外结构域与血小板衍生生长因子受体的跨膜结构域融合，使其能锚定在质膜上。Cph1 在红光（660nm）照射下形成同源二聚体，引发细胞间黏附，在远红光（720nm）照射下则解聚为单体，实现对细胞间黏附的动态可逆控制。

（三）实验方法

1. 伤口愈合实验：在 24 孔板中进行，将细胞以特定密度接种，添加藻蓝胆素（PCB）激活 Cph1 - PM，用 200μL 枪头创建伤口，添加含不同药物的新鲜培养基，在特定温度和二氧化碳浓度下培养，利用显微镜定时拍照记录细胞迁移情况。

2. 显微镜观察与分析：使用倒置显微镜搭配特定软件和滤光片，在不同光照条件下对细胞进行成像。利用 ImageJ、MATLAB 等软件进行图像处理和分析，包括测量伤口面积、进行速度矢量分析、单细胞追踪等，以获取细胞迁移速度、直线度指数、迁移方向等参数。

3. 膜性质检测：采用 Pro12A 染色结合荧光成像，检测 Cph1 - PM 激活对脂质有序性的影响，通过计算广义极化（GP）值评估膜结构变化；运用原子力显微镜（AFM）进行静态系链拉伸实验，测量细胞的表观质膜张力。

4. 蛋白与基因检测：通过蛋白质免疫印迹（Western blot）检测细胞中 E - cadherin、Vimentin 等蛋白的表达水平；利用免疫荧光染色结合共聚焦显微镜观察细胞中 YAP、pERM、Vinculin 等蛋白的定位和表达情况；采用逆转录定量聚合酶链反应（RT - qPCR）分析相关基因的表达变化。

5. 磷脂酸（PA）检测：使用磷脂酸检测试剂盒，对细胞进行处理和脂质提取后，通过检测荧光强度测定 PA 含量。

三、研究结果

（一）Cph1 - PM 介导的跨细胞黏附改变集体细胞迁移

研究人员将 Cph1 - PM 转染到 MDA 细胞中，构建稳定表达的细胞系 Cph1 - PM - MDA。通过免疫染色、流式细胞术和共聚焦显微镜证实了 Cph1 在细胞表面的成功表达。伤口愈合实验结果显示，在红光照射下，Cph1 - PM - MDA 细胞表现出集体迁移且前沿统一，速度矢量分析表明此时细胞迁移方向更垂直于伤口边缘，相关性长度显著增加，与 MCF - 7 细胞相当；而在远红光照射下，细胞迁移方向随机，相关性长度与野生型 MDA 细胞相近。进一步的单细胞运动分析表明，红光下 Cph1 - PM - MDA 细胞向伤口的迁移更具方向性且速度更快。此外，光转换实验表明，从红光切换到远红光，伤口愈合速率和相关性长度立即下降；从远红光切换到红光，若细胞已在远红光下分散，则无法恢复集体迁移，这表明 Cph1 - PM 介导的细胞间黏附对集体细胞迁移至关重要。

（二）Cph1 - PM 介导的跨细胞黏附增强质膜张力

利用 Pro12A 染色发现，红光激活 Cph1 - PM 15 分钟后，细胞接触区域的 GP 值增加，表明膜结构更有序、更僵硬；切换到远红光后，GP 值下降。AFM 静态系链拉伸实验显示，红光下 Cph1 - PM - MDA 细胞的静态系链力显著高于远红光下，且伤口前沿和后方的膜张力无明显差异，说明细胞间不存在显著的张力梯度。

（三）Cph1 - PM 介导的膜张力变化、膜 - 皮质连接和黏着斑形成

研究发现，红光下 Cph1 - PM - MDA 细胞中 Ezrin/Radixin/Moesin 蛋白（pERM）的磷酸化水平增加，这表明膜 - 皮质连接增强，进一步证明了膜张力的增加。同时，红光下细胞边缘肌动蛋白应力纤维积累，磷酸化肌球蛋白增加，细胞收缩性增强。此外，染色显示红光下 Cph1 - PM - MDA 细胞的黏着斑数量增加，但细胞铺展面积和单个黏着斑面积在红光和远红光下无显著差异，这意味着黏着斑数量的增加不会减缓细胞迁移。

（四）Cph1 - PM 介导的效应独立于 E - cadherin 信号通路

Western blot 结果显示，Cph1 - PM - MDA 细胞中不存在 E - cadherin 表达，且在红光和远红光处理下，上皮 - 间质转化相关标记物（如 Vimentin、ZEB1、FN1）以及 E - cadherin 相关的机械信号通路标记物（如 YAP、TEAD1、CTGF）均无显著变化，表明 Cph1 - PM 信号和伤口愈合中的集体行为不依赖于任何钙黏蛋白依赖的信号通路。

（五）Cph1 - PM 介导的跨细胞黏附促进 PLD2 信号通路

研究发现，红光下 Cph1 - PM - MDA 细胞的 PA 水平显著高于远红光下和未转染的 MDA 细胞，这表明 PLD2 被激活。添加 PLD2 通路调节剂后，促进 PA 积累的 Propranolol 处理使红光下细胞的伤口愈合速率和迁移行为与远红光下及未处理的 MDA 细胞相似；抑制 PLD2 的 VU - 0285655 - 1 处理则显著降低了红光下细胞的伤口愈合速率和相关性长度。此外，添加油酸（OA）增加膜张力后，远红光下 Cph1 - PM - MDA 细胞和未转染的 MDA 细胞迁移速度加快，但由于缺乏细胞间连接，迁移协调性不如红光下。这些结果表明，PLD2 活性和 PA 水平对 Cph1 - PM - MDA 细胞的迁移能力至关重要，Cph1 - PM 激活了 PLD2 通路。

（六）Cph1 - PM 介导的膜信号影响磷酸肌醇 3 - 激酶 /mTOR 通路

使用 wortmannin 抑制 PI3K 和 rapamycin 抑制 mTOR 复合物后，红光下 Cph1 - PM - MDA 细胞的伤口愈合速率显著下降，相关性长度减小，单细胞追踪显示细胞迁移轨迹不再笔直，速度减慢，而远红光下细胞受影响较小。这表明人工细胞 - 细胞黏附在红光下诱导的 Cph1 - PM - MDA 细胞运动性增加是通过 mTOR 信号通路介导的。

四、研究结论与讨论

该研究表明，细胞间通过 Cph1 - PM 的连接增加了膜张力，激活了 PLD2，进而增加了 PA 水平，PA 激活 PI3K/mTOR 通路，促进了集体细胞迁移和单个细胞的运动性。这揭示了一种基于膜的信号轴，它在不依赖细胞 - 细胞黏附与细胞骨架直接耦合的情况下，促进集体细胞动力学。此前研究多关注细胞 - 细胞黏附蛋白对集体细胞动力学的影响，而该研究补充了质膜在这一过程中的重要作用。通过人工光控的 Cph1 - PM 细胞间连接，排除了其他遗传和环境因素的干扰，明确了细胞间连接对膜力学和细胞迁移的影响。然而，虽然研究确定了介导集体细胞运动的一些成分，但信号在系统中传播的精确顺序仍不明确。细胞间黏附的形成和膜张力变化的时间尺度与细胞内其他过程不同，未来需要进一步研究以明确这些变化的因果关系。此外，研究虽建立了 Cph1 - PM 通过张力依赖激活 TOR 信号的级联反应，但不排除存在其他激活的信号级联。由于 Cph1 - PM 可被任何跨膜蛋白功能性替代，这一信号回路可能在广泛的涉及质膜受到机械应力的现象中具有重要意义，为后续相关研究提供了新的方向和理论基础 。