Nature:重磅!揭示上皮细胞数量维持不变机制

Piezo1(红色)在细胞稀疏时检测拉伸度,在细胞过于拥挤时检测拥挤度,从而控制细胞分裂和死亡。图片来自SwapnaGudipaty。

在一项新的研究中,来自美国犹他大学亨斯迈癌症研究所(HuntsmanCancerInstitute)的研究人员证实上皮细胞如何自然地周转,从而让它们的数量在细胞分裂和细胞死亡之间保持不变。相关研究结果于2017年2月15日在线发表在Nature期刊上,论文标题为「Mechanicalstretchtriggersrapidepithelialcelldivision

throughPiezo1」。

上皮细胞组成包被着内脏器官的皮肤和皮肤样内壁,给器官提供一种保护性屏障,这样它们能够正常地发挥功能。上皮组织中的细胞周转得非常快。为了维持健康的细胞密度,相同数量的细胞必须分裂和死亡。如果这种平衡受到破坏,那么炎性疾病或癌症能够产生。

论文通信作者、犹他大学肿瘤科学副教授、亨斯迈癌症研究所研究员JodyRosenblatt博士说,「如果太多的上皮细胞死亡,那么你能够丢失这种器官屏障功能,而且哮喘和结肠炎等炎性疾病就能够产生。另一方面,如果相比于死亡的数量,太多的细胞发生分裂,那么这能够导致细胞过多,这会导致肿瘤形成。因此,任何一方面失去平衡都会存在问题。」

大约90%的癌症起源自这种简单的包被着内脏器官的上皮组织。理解在正常情形下是什么控制着细胞分裂和死亡以及这些过程如何存在关联对理解这些事件如何发生异常调节而促进癌症产生是必不可少的。尽管科学家们之前已研究了针对实验性触发物作出反应的细胞分裂和死亡,但是这些过程是如何自然发生的仍然是不那么明晰。

Rosenblatt及其团队发现解决这个谜题的答案。他们了解相反的机械张力控制着细胞分裂和细胞死亡。特别地,他们发现拉伸上皮细胞导致它们分裂,而让上皮细胞变得拥挤导致它们挤出和死亡。

Rosenblatt说,「我们已知道存在某种调节机制将细胞死亡和分裂过程关联在一起。我们的发现归结为很简单的原则。这一切都是机械张力。如果细胞过于拥挤(拥挤度增加1.6倍),那么它们挤出一些细胞,这些被挤出的细胞随后会死亡。这种细胞挤出能够让上皮组织返回到它们喜欢的密度。」

另一方面,这些研究人员注意到细胞在更加稀疏的区域发生分裂。他们意识到这些稀疏的区域正在细胞表面上产生一种拉伸张力。

Rosenblatt解释道,「如果这些细胞变得过于稀疏,那么它们激活细胞进行分裂,而且这种激活信号来自机械张力。为了测试这一点,我们拉伸细胞,结果发现这种拉伸能够仅在一个小时内触发细胞发生分裂。这一过程也向我们展示这种拉伸是细胞分裂的一种正常的触发物。」

Rosenblatt团队分析了人结肠细胞、斑马鱼细胞和狗细胞培养物。这些细胞发生分裂的地方总是发生更大的拉伸,而且这种拉伸度增加了1.6倍,刚好与细胞死亡时的拥挤度相同。

下一个问题是找出是什么导致这些过程发生。Rosenblatt团队发现细胞分裂和死亡是由同一个蛋白Piezo1控制着的。

Rosenblatt说,「基本上,这个相同的蛋白检测拥挤度和拉伸度,但是依赖于细胞处于哪种状态,结果是非常不同的。Piezo1类似于一种自动调温器,能够调节着两个不同的方面。正如自动调温器能够调节冷和热,让一种传感器测量拥挤度和拉伸度也说得通。如果存在两种独立的调节器,那么只要一种调节器出现问题,事情就会非常快地失去控制。」

除了理解Piezo1如何参与调节,Rosenblatt团队也鑑定出细胞周期的一种阶段,在此阶段,细胞会停下来进行修复。

Rosenblatt解释道,「我们之前一直认为一旦细胞开始进入分裂周期,那么它们就快速向前推进。我们并不知道它们在整个细胞周期会有停顿。但是我们发现在一个时间点上,这些细胞停顿下来,等待分裂。细胞若要分裂,还需大量事情发生。DNA需要复制,这样它们能够一分为二,从而为每个新的子细胞提供与亲代细胞相同的DNA。这些细胞为进行分裂准备好所有的事情,但是它们仍然在一个我们之前未曾预料到的步骤停下来,接受调节。细胞能够停留下来,等待达到某个大小。一旦它们达到这个大小,拉伸会触发它们分裂。」

通过认识细胞在正常情形下如何凭自己的力量进行分裂,Rosenblatt认为科学家们将更好地理解在癌症等情形下,上皮细胞如何在它们不应当进行分裂时发生分裂。

她说,「通过理解细胞死亡和分裂如何在正常情形下受到调节,我们发现这些过程发生差错的新方式,特别是在我们当前并没有治疗方法的疾病当中,如哮喘和转移性癌症。」

来源:生物谷

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