PNAS：探索細胞間的機械作用力

如果將特定類型的活細胞涂布在顯微鏡載玻片上，細胞會在玻片上緩緩移動，找到它們的鄰居，自組裝成為簡單原始的組織。斯坦福大學的新研究能解釋這一現象，并能幫助人們理解復雜生物體的機械力結構和行為。

化學工程師Alexander Dunn博士和斯坦福大學的一個跨學科研究團隊，對活細胞內和細胞間的機械力作用進行了監測和觀察，文章發表在Proceedings of the National Academy of Sciences雜志上。

有關細胞間化學信號傳導的研究數據很多，“細胞間和細胞內機械力作用機制，是人們了解細胞形成組織、器官和機體的一個巨大障礙，”Dunn說。

通過一種新機械力感應技術，Dunn及其團隊能夠確實看到活細胞內的機械力作用，來了解細胞如何相互，以及單獨細胞如何在組織中控制自身形狀和運動。揭開這一機制的神秘面紗，將有助于人們對多種生物學事件的理解，包括從組織和腫瘤的形成和生長，到形成整個復雜有機體。

細胞就像一個充滿鹽水的氣球，Dunn解釋道。一種特殊蛋白鈣粘蛋白cadherin橫穿細胞膜，在細胞外將細胞與其鄰居們連接起來，Cadherin中的-herin的詞根就是粘附的意思。在細胞內，鈣粘蛋白與肌動蛋白actin和肌球蛋白myosin的長纖維相連。肌動蛋白和肌球蛋白一同起作用，就像細胞的肌肉，為細胞形態維持和細胞運動提供所需張力。

鈣粘蛋白和肌動蛋白通過catenin連接素相互連接，但細胞何時何地以何種方式使用它們的肌肉（肌動蛋白和肌球蛋白）拉動鈣粘蛋白呢?這是機體發育的重要問題，因為細胞生長、分裂和在組織中遷移時，必須控制自身形態并保持與其他細胞的粘附。Dunn及其同事發現，actin-catenin-cadherin的蛋白組合在細胞內傳遞機械力，并且鈣粘蛋白還能在細胞間傳遞機械力。

這種機械力的交流模式，就像提線木偶的提線。Dunn和該領域其他科學家相信，這些機械力對細胞非常重要，幫助細胞在組織中定位、分裂并在組織達到合適形態時停止分裂。

“起初這只是一種理論，”Dunn說。“現在我們的研究證明細胞間機械力的確可以進行傳遞。這一理論是可行的。”

研究人員的研究工具包括：培養的犬類腎臟細胞、水母和蜘蛛絲的DNA以及微小的玻璃針。他們通過一個精妙的分子力感應器來檢測細胞間的機械力，這種感應器結合了水母的熒光蛋白和蜘蛛絲的彈力蛋白。

隨后，研究團隊通過開關肌球蛋白、肌動蛋白和連接素的活性，證實這些蛋白的確連接在一起，并且是細胞內和細胞間機械力傳遞的中心。

zui后，研究人員用微型玻璃針頭對連接在一起的細胞施以機械力，發現這一機械力通過鈣粘蛋白傳遞到了其他細胞。

研究人員將該傳感器的基因整合到細胞DNA中。感應器感應到的張力不同，細胞發光的顏色也不同。在本研究中，力感應器被插入到鈣粘蛋白分子中，當蛋白分子受到張力時，感應器就會感應到。