两项研究揭示了细胞中电信号 生化信号和生物力学信号之间的耦合

几十年来，科学家们已经知道电信号会向细胞发送信息，告诉我们的身体该做什么。由马里兰大学领导的多学科大学研究计划(MURI)中的团队发表的新研究揭示了额外的生物力学信号，这些信号可用于告诉细胞做什么，例如帮助伤口更快愈合。

“我们的研究首次表明生物力学波总是在细胞内发生，并且它们可以充当物理环境的传感器，”UMD物理学教授兼MURI首席研究员WolfgangLosert说。

在iScience和eLife期刊上发表的两篇论文报告了MURI的最新发现。MURI团队由来自UMD和其他几所大学的物理学、化学、生物学、生物工程和皮肤病学研究人员组成，他们正试图了解电信号与生化和生物力学信号之间的耦合。

“这两篇论文确实突出了它们之间的联系，”Losert说，他还在UMD的物理科学与技术研究所担任联合职务。“这项工作为控制细胞和组织以及通过物理控制输入调节细胞命运开辟了新途径。”

iScience中报告的研究表明，电流会发出信号，例如摩尔斯电码，细胞可以读取信号并做出反应。

“我们的iScience研究表明，信号的时间序列中编码了信息，并且细胞可以读出交流电场的时间序列。这会影响细胞的命运，”Losert说。“eLife论文表明，细胞的电场传感器不是直接的化学浓度，而是内波和振荡的动力系统。”

总是在移动

“细胞在你体内不断移动，这对各种过程都非常重要。就像当你割伤自己时，伤口会闭合，”MURI团队成员、纽约大学细胞生物学系教授PeterDevreotes解释说。约翰霍普金斯大学。

“医学上最重要的事情之一是癌症转移。当你有肿瘤时，细胞会迁移并移出肿瘤，形成继发性肿瘤。因此，细胞运动非常重要，它们可以被引导。它们可以由化学物质引导。另一件真正令人惊讶的事情是，我的整个职业生涯都基于展示，它们也可以由电场引导。”

在iScience的论文中，研究人员专注于告诉细胞成为一种不同类型的干细胞，这可能对身体的医学治疗很重要。

“人们使用化学混合物来告诉细胞变成某种类型的细胞。最近，他们使用光遗传学来照射光并诱导细胞变成某种类型的细胞，”iScience论文的主要作者赵敏说，加州大学戴维斯分校医学院皮肤病学教授。“我们的MURI小组发现，我们可以通过电调节细胞成为某种类型的细胞，并且我们可以通过电刺激细胞激活细胞内信号传导。”

“我们已经了解到细胞可以被化学或光信号引导，”Devreotes补充道。“这很难应用于医学，尤其是在组织深处。而电场有可能使细胞深入体内。”

巧妙的方法

MURI团队发表在eLife上的研究为这些电信号如何到达细胞、需要多长时间以及细胞在读取信号时如何反应(这一过程称为兴奋性)带来了新的见解。

“在大脑的电活动中，当我们试图了解大脑如何处理信息时，我们应该关注波和振荡，”洛塞特说。“现在我们换个角度说，当我们提供输入时，我们还应该将输入的时间依赖性视为可能携带的信息。”

一系列聪明的生物学方法导致了关于细胞如何感知电信号的发现。这些技术是由MURI团队成员QixinYang(Ph.D.'22，物理学)设计的。

“如果将细胞置于电场中，它们可以根据电场移动。这早已为人所知，但它是如何发生的仍然是个谜，”Devreotes说。“启新所做的是通过可视化细胞中我们知道使细胞运动的一些分子并看到这些分子直接受到电场的影响，从而更接近于回答这个问题。”

“细胞非常小，以至于你无法区分整体细胞运动与亚细胞动力学，”杨说。“你只是没有那个分辨率来研究独立于细胞运动的亚细胞动力学。”

基于Devreotes实验室的一个想法，Yang创造了一个大画布来获得她所谓的巨细胞。

“我用电击将数十个细胞融合在一起，这样你就会有非常大的巨细胞和更精细的分辨率来观察亚细胞动力学，”杨说。“对于正常细胞，你看到的就像是这幅大画布的一小部分或碎片。但对于巨细胞，你将拥有完整的视野。”

有了这块大画布，该团队将目光投向了生物力学波，将其作为一种潜在的新型电场传感器。Losert与MURI团队成员和UMD化学与生物化学教授JohnFourkas合作，将这些波确定为可能的表面形貌传感器，这是细胞的另一种物理输入。

“齐心表明，生物力学波也直接受电场控制，”洛塞特说。“她开发了一些方法来量化方向波的持续时间，并发现电场使这些波更接近兴奋性的阈值。”

MURI团队将继续致力于更好地了解电信号与生化和生物力学信号之间的耦合。

“这两篇论文真正强调了这些信号是如何连接的，”洛塞特说。“我认为这两个对摩尔斯电码信息的观察和波对电场的感知是新颖的，并且为理解哪种设备可以用于指导细胞运动提供了一个框架。”

Losert将MURI迄今为止的成功归功于不同机构研究人员之间的密切合作。

“五个具有不同专业知识的团队聚集在MURI团队中，使我们能够做出这一发现，”Losert说。“这是关于信息驻留的新视角，我们应该对生命系统有什么感觉，以及你如何能够启动生命系统。”