當(dāng)細(xì)胞相互碰撞時(shí)，有力導(dǎo)致它們移動(dòng)和震動(dòng)，甚至有時(shí)會(huì)破裂。芝加哥大學(xué)的博士后研究員喬納森·溫克爾曼(Jonathan Winkelman)說：“細(xì)胞不斷產(chǎn)生力量并對(duì)其作出反應(yīng)。它們被周圍的環(huán)境所吸引。” 溫克爾曼在瑪格麗特·加德爾(Margaret Gardel)實(shí)驗(yàn)室工作，他是物理學(xué)系和普利茲克分子工程學(xué)院的教授。

橡皮筋在拉伸時(shí)會(huì)斷裂，而橡皮筋會(huì)斷裂，而過度拉伸的橡皮筋會(huì)引發(fā)自我修復(fù)的反應(yīng)。使用顯微鏡已經(jīng)觀察到了這種現(xiàn)象，但是至今仍未回答修復(fù)和適應(yīng)過程如何在細(xì)胞內(nèi)部啟動(dòng)的問題。

在9月28日發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》上的一項(xiàng)創(chuàng)新性新研究中，溫克爾曼與其他幾位芝加哥大學(xué)的研究人員一起證明了蛋白質(zhì)如何檢測細(xì)胞內(nèi)的力并啟動(dòng)修復(fù)作用。

所有細(xì)胞都具有肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架，這是一種絲狀蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于細(xì)胞的遷移，生長，伸展等過程至關(guān)重要。溫克爾曼說：“人們以前曾在細(xì)胞中觀察到一種名為Zyxin的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)會(huì)進(jìn)入這些伸展的肌動(dòng)蛋白結(jié)構(gòu)，但并不確定該功能如何發(fā)揮作用或有多廣泛。”

芝加哥大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，包括Zyxin和單細(xì)胞裂變酵母蛋白paxillin在內(nèi)的動(dòng)物蛋白能夠檢測肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架中的應(yīng)激物質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)室中施加機(jī)械力后，立即將蛋白質(zhì)組裝在需要修復(fù)的地方，并直接結(jié)合到肌動(dòng)蛋白絲的拉伸構(gòu)象上。

記錄他們的觀察結(jié)果需要廣泛的技能來開發(fā)完美的檢測方法，以從純化的成分在細(xì)胞外重建這種自我修復(fù)。研究生凱特琳·安德森(Caitlin Anderson)與溫克爾曼(Winkelman)共同撰寫了第一篇論文，她利用圖像和精細(xì)敏感的分析方法篩選了蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)是她在分子遺傳學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)教授戴維·科瓦爾(David Kovar)領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室中開發(fā)的。

計(jì)算機(jī)程序允許它們梳理整個(gè)人類基因組，以分離可能參與該過程的蛋白質(zhì)。稱為LIM結(jié)構(gòu)域蛋白家族的成員出現(xiàn)在基因組中超過70次，表明其保守在人類進(jìn)化中的重要性。

然后在Gardel實(shí)驗(yàn)室中，溫克爾曼(Winkelman)運(yùn)用激光作為一種人工方式來模仿拉伸等力所造成的損害。他們還為每種LIM蛋白添加了熒光標(biāo)簽，并用高功率顯微鏡觀察了這一過程。一旦出現(xiàn)眼淚或破裂，研究小組觀察到，由人類基因組編碼的70多個(gè)LIM結(jié)構(gòu)域蛋白中有許多迅速檢測到了損傷并結(jié)合到患病部位?？茖W(xué)家們說，很明顯，LIM的力敏感性是廣泛存在的，并且已經(jīng)通過進(jìn)化被復(fù)制并粘貼到許多蛋白質(zhì)中。

溫克爾曼說：“我們正在研究這類蛋白質(zhì)，以在高度復(fù)雜的細(xì)胞中進(jìn)行這種檢測和修復(fù)反應(yīng)，該細(xì)胞含有數(shù)千種不同類型的蛋白質(zhì)。” “但是，要真正理解這個(gè)過程，我們需要純化必要的成分，并在細(xì)胞外部重建整個(gè)過程。”

安德森(Anderson)使用了一種稱為“全內(nèi)反射熒光顯微鏡”的技術(shù)和一個(gè)復(fù)雜的過程來創(chuàng)建他們所需蛋白質(zhì)的非常純凈的樣品，這是以前從未做過的。

他們還發(fā)現(xiàn)通過LIM進(jìn)行的這種力感在酵母和哺乳動(dòng)物中均可見，這表明它是古老的功能，可以保護(hù)和促進(jìn)進(jìn)化。這種高度保守的古老機(jī)制很可能會(huì)被一系列其他過程用來檢測細(xì)胞內(nèi)的力。

Gardel說：“通過LIM結(jié)構(gòu)域進(jìn)行的細(xì)胞力感測除了可以自我修復(fù)外，還可以為許多其他過程提供信息，例如控制干細(xì)胞的命運(yùn)，細(xì)胞增殖或細(xì)胞遷移，以及需要進(jìn)一步探索的多種多樣的信號(hào)傳導(dǎo)途徑。” “喬恩(Jon)和凱特琳(Caitlin)發(fā)現(xiàn)，這些蛋白質(zhì)中有許多共享該結(jié)構(gòu)域。”

Gardel說：“這項(xiàng)工作進(jìn)一步加深了我們對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)的理解，即細(xì)胞如何檢測和處理機(jī)械信號(hào)，上皮細(xì)胞和粘附組織如何調(diào)節(jié)多種機(jī)械通路。” “但是，在具有相同識(shí)別過程的非生物環(huán)境中，也可以用于構(gòu)建柔軟，反應(yīng)靈敏的材料。”