细胞屏障如何在保持组织完整的同时打开细胞间隙?

【字体: 时间:2021年04月09日 来源:Developmental Cell

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  由Münster大学的发育生物学家Stefan Luschnig教授领导的研究小组发现,在果蝇的卵细胞发育过程中,上皮细胞之间的细胞间隙在三个细胞相遇的地方以一种有控制的方式打开。

  

 

   

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图片:一只果蝇的卵巢内包住了正在发育中的卵细胞的上皮细胞。科学家们用共聚焦荧光显微镜检查了组织培养中的卵巢。

资料来源:Isasti-Sanchez等人/Dev Cell 2021

在多细胞生物中,细胞相互连接,形成细胞层,覆盖在组织和器官的表面,并在体内形成独立的结构。例如,皮肤在整个机体周围形成了一层保护层,而排列在血管上的细胞层在血液和组织之间形成了边界。相邻细胞之间的特殊连接确保了这些细胞屏障一方面稳定而紧密,从而保护身体和器官免受病原体的侵害;另一方面,它们对特定物质或迁移细胞仍然具有渗透性。这就是细胞如何允许溶解的营养物质运输到器官,以及免疫系统的细胞如何能够从血液穿过血管壁迁移到炎症组织。

Münster大学的科学家们现在研究了果蝇(Drosophila melanogaster)卵巢的类似过程。在这里,成熟的卵细胞被一层上皮细胞包围,卵细胞通过上皮细胞吸收卵黄形成卵白。研究人员发现,在三个细胞相遇的点上,上皮细胞以一种可控的方式松开它们的连接,卵黄蛋白通过由此产生的间隙运送到卵细胞。而在只有两个细胞连接的地方,这种连接得以维持,从而保持了组织的完整性。“我们的发现有助于更好地理解细胞屏障在发育过程中如何发挥作用和重组,这为破译某些病理过程的机制提供了基础,”发育生物学家、该研究项目负责人Stefan Luschnig教授解释说。这项研究现已发表在科学杂志《Developmental Cell》上。

对果蝇卵发育过程的调查

当物质通过细胞层运输时,细胞要么通过细胞层一侧的膜将它们带走,然后在另一侧释放——这需要大量的能量——要么物质通过细胞间的缝隙扩散。从其他昆虫的研究中,我们已经知道卵黄蛋白通常是通过包住卵细胞的上皮细胞之间的空隙运输到卵细胞的。新的调查证实,果蝇的情况也是如此。然而,之前并不清楚这些细胞是如何在保持组织完整的同时成功地打开细胞间隙的。

为了可视化这些细胞过程并分析其背后的分子机制,科学家们用荧光分子标记了果蝇的某些蛋白质,将卵巢保留在组织培养中,并使用共聚焦激光扫描显微镜检查活组织。他们把注意力集中在上皮细胞表面的蛋白质上。这些所谓的粘附蛋白机械地将细胞网络连接在一起,并密封细胞之间的空间。

细胞屏障在三个细胞的连接处打开

科学家们发现,上皮细胞依次从细胞膜上剥离了四种不同的粘附蛋白。“这个过程需要几个小时,只有当最后一种蛋白质消失时,细胞连接才会打开,”生物学家Jone Isasti-Sanchez解释说,他是这项研究的第一作者。连接点打开后,卵黄蛋白摄入卵中的过程持续约16小时,随后过程逆转,细胞间隙再次关闭。研究人员证明,细胞通过使用称为内吞作用的基本细胞过程,将粘附蛋白从表面吸收到细胞内部,从而打开其接触部位。一个重要的新发现是,内吞作用似乎在三个细胞相遇的那些点上更大程度地发生,结果,细胞连接仅在这些点处开放。只有两个细胞相遇时,则将保持联系。Stefan Luschnig说,这个过程选择性地发生在三个细胞接触点,而且以这种有序的方式发生,这对于防止组织分裂可能是重要的。此外,他补充说,这个过程大概必须以非常可控的方式进行,因为组织中门的打开会带来病原体进入的风险。

在他们的实验中,科学家们还通过基因的方式增加或减少了粘附蛋白E-cadherin的数量,并且能够证明这种蛋白质的数量决定了细胞间隙开放的宽度。此外,他们发现细胞骨架的机械张力在这一过程中起着关键作用。这种张力是由一种由肌动蛋白和肌凝蛋白组成的结构产生的,这种结构环绕着细胞的外周并能够收缩,类似于橡皮筋。当研究人员增加细胞内肌凝蛋白的活性时,细胞骨架收缩得更厉害,这就阻止了细胞连接的打开。

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