分裂、分化還是死亡?在正確的時(shí)間和地點(diǎn)做出決定決定了細(xì)胞的行為，對(duì)于發(fā)育中的生物體的干細(xì)胞尤為重要。決策依賴于信號(hào)蛋白網(wǎng)絡(luò)如何處理信息。來自多特蒙德馬克斯普朗克分子生理學(xué)研究所的 Christian Schröter 和來自布宜諾斯艾利斯生物醫(yī)學(xué)研究所 (IBioBa) 的 Luis Morelli 周圍的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在首次揭示了 ERK 是干細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)過程中的關(guān)鍵參與者通過快速活動(dòng)脈沖提供信息。脈沖間隔的持續(xù)時(shí)間，可能編碼了干細(xì)胞培養(yǎng)中不同命運(yùn)決定所必需的信息。
在它們發(fā)育成后期胚胎的過程中，干細(xì)胞經(jīng)歷了一系列發(fā)育步驟。這些步驟之間的轉(zhuǎn)換由相鄰細(xì)胞之間交換的信號(hào)分子控制。早期哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)生過程中最關(guān)鍵的信號(hào)之一是成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子 4 (FGF4)。當(dāng)它被細(xì)胞識(shí)別時(shí)，該信息會(huì)被信號(hào)蛋白網(wǎng)絡(luò)處理，從而產(chǎn)生細(xì)胞反應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵參與者、他們的角色和交互現(xiàn)在是眾所周知的，但對(duì)信號(hào)動(dòng)力學(xué)知之甚少。但是動(dòng)態(tài)實(shí)際上意味著什么，為什么動(dòng)態(tài)很重要?
動(dòng)力學(xué)決定細(xì)胞命運(yùn)
在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中動(dòng)力學(xué)重要性的典型例子中，兩種不同的分子信號(hào)觸發(fā)不同的細(xì)胞反應(yīng)——分化和細(xì)胞生長(zhǎng)——即使它們使用相同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。這是可能的，因?yàn)榧せ钚盘?hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)對(duì)于兩個(gè)分子信號(hào)中的每一個(gè)都是特定的：一個(gè)激活系統(tǒng)短時(shí)間導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)，另一個(gè)激活同一系統(tǒng)很長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)差異化。因此，信號(hào)動(dòng)力學(xué)對(duì)于確定細(xì)胞的命運(yùn)顯然很重要。然而，到目前為止，許多研究只能觀察在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)展開的相當(dāng)緩慢的動(dòng)力學(xué)，并且在所有細(xì)胞中都是相同的。他們對(duì)快速動(dòng)態(tài)視而不見，特別是如果同一培養(yǎng)皿中的干細(xì)胞之間存在差異。
ERK 活動(dòng)每六到七分鐘脈沖一次
Christian Schröter 和 Luis Morelli 周圍的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在能夠更好地了解干細(xì)胞中的快速信號(hào)動(dòng)力學(xué)。通過在活干細(xì)胞中引入熒光傳感器，科學(xué)家們可以實(shí)時(shí)測(cè)量主要信號(hào)蛋白 ERK 的活性。ERK 活性對(duì)于將分子信號(hào)轉(zhuǎn)化為遺傳反應(yīng)從而調(diào)節(jié)干細(xì)胞分化很重要。“在短時(shí)間內(nèi)測(cè)量單個(gè)干細(xì)胞中的 ERK 活性在實(shí)驗(yàn)上非常苛刻，以前從未以這種方式完成過。我們第一次可以觀察到，ERK 活動(dòng)每 6 到 7 分鐘脈沖一次，比以前在其他細(xì)胞系統(tǒng)中顯示的類似信號(hào)更快。在單個(gè)細(xì)胞中，脈沖經(jīng)常一個(gè)接一個(gè)地發(fā)生，但是各個(gè)細(xì)胞之間的脈沖模式卻截然不同”，Christian Schröter 說。研究人員還可以觀察到，隨著 FGF4 信號(hào)的增加，當(dāng)對(duì)許多細(xì)胞求和時(shí)，脈沖的數(shù)量會(huì)增加，即使單個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間沒有增加。用 FGF4 改變。
跨學(xué)科方法——洲際合作
“這種數(shù)據(jù)及其在細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)中的作用很難解釋。這就是我們的專業(yè)知識(shí)發(fā)揮作用的關(guān)鍵”，Luis Morelli 說，他是馬普學(xué)會(huì)合作伙伴研究所 IbioBa 的長(zhǎng)期合作伙伴和小組負(fù)責(zé)人。“我們必須開發(fā)一種新的理論方法來描述時(shí)間序列中的動(dòng)態(tài)。通過這樣做，我們看到脈沖間隔的持續(xù)時(shí)間可能會(huì)編碼信息，因?yàn)槲覀兛梢哉业矫}沖和靜默。我們將這種新的動(dòng)態(tài)特征稱為間歇性振蕩”。
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