PNAS解码细胞是如何在细胞外环境中对化学刺激做出反应的

科学家们正在解码细胞是如何在细胞外环境中交流和集体对化学刺激做出反应的，这是了解生理过程和阻断疾病机制的关键知识。

　　

   

   

俄勒冈州立大学的科学家们正在解码细胞如何在细胞外环境中交流和集体对化学刺激做出反应，这是了解生理过程和阻断疾病机制的关键知识。

俄勒冈州立大学理学院和卡尔森兽医学院的研究人员进行的一项研究表明，刺激的持续时间在细胞通信网络的连通性方面起着重要作用。

匹兹堡大学的科学家也参与了生物物理学家所说的多细胞化学感应的研究，研究人员指出，尽管它在生物过程中很重要，但它在某种程度上仍然笼罩在神秘之中。

“我们还远远没有完全理解外部刺激或细胞特性是如何调节信息网络的，” Guanyu Li博士说。“所以这就是我们的论文试图研究的。”

 Guanyu Li解释说，细胞外环境——本质上是包围细胞的液体——包含多种化学物质。在某些病理或生理条件下，化学成分会发生变化，并触发信号传递过程，导致细胞产生维持正常功能所需的反应。

一组细胞之间的协调反应是通过细胞与它们最近的邻居交换分子而实现的。这种交换让细胞以一种比单个感知和反应更可靠的方式感知和响应环境变化，并且它们允许多细胞生物——人、动物等——在复杂的环境中生存。

“例如，当你做有氧运动时，细胞需要能量，这将导致有氧代谢，产生大量的ATP，一种能量分子，”他说。“当你口渴时，你的身体会产生抗利尿激素ADH，促进水的重新吸收，这样你就不会脱水。所有这些化学物质的变化就像信号，试图提醒身体正在发生什么。接收这些信号的是单个细胞。”

通过捕获或将化学分子与细胞膜上的受体结合，细胞可以确定发生了什么，并触发适当的过程。但问题是，并不是每个细胞都有相同的能力与这些分子结合。

“因此，在任何多细胞生物中，一组交流细胞之间的协调感知和反应非常重要，”Li说。

在这项研究中，科学家们使用统计分析来确定细胞与最近邻居的关系，然后进行实验来观察刺激化学物质对细胞和网络的影响。

俄勒冈州立大学荣誉学院本科生Alia Starman和生物物理学副教授Bo Sun用ATP刺激被称为神经元的脑细胞，ATP是一种存在于所有生命形式中的能量分子。在他们的实验中，他们改变了细胞外环境中ATP的含量以及神经元暴露在这种环境中的时间。

他们还试验了用一种单不饱和脂肪酸棕榈油酸来抑制细胞的通讯速度，并用一种金属卤化物盐——氯化钾来提高通讯速度。

“我们的分析表明，信息网络的连通性主要是由外部刺激的时间特征(持续时间多长)和细胞本身的通信能力水平调节的，剂量的大小并没有真正影响网络。同样有趣的是，单个细胞的适度通信能力会导致细胞信息网络的最大连通性——通信能力过高或过低都会导致网络连通性降低。”

研究人员说，这些发现揭示了神经网络是如何被调节的，为通过细胞外环境中适当的刺激来控制多细胞反应和对抗疾病打开了一扇门。

Sun补充说，这项研究还表明，即使是相对较小的细胞群也具有集体能量。

他说:“当听到音乐节拍，观看前面汽车的转弯处信号，或者数海滩上的海浪时，我们的大脑会感知到周期，并预测序列中的下一个事件将在何时发生。”“但这种功能需要大脑的全部力量吗?”像一层神经细胞一样简单的最小系统能感知周期性输入吗?我们证明了这是可能的，神经细胞通过形成和组织一个基于信号递归的通信网络来实现这一点。”

国家科学基金会、国家普通医学研究所和国家普通医疗服务研究所支持了这项研究。

文章标题

Temporal signals drive the emergence of multicellular information networks