觀察鄰近細胞間的資訊流動

透過被稱為間隙連線的細胞工程奇蹟,瞭解細胞如何與其鄰居交換訊號

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在他們2015年5月刊的《大眾科學》文章“細胞間的悄悄話”中,戴爾·W·萊爾德、保羅·D·蘭佩和羅斯·G·約翰遜報告了最近的發現,表明稱為間隙連線的細胞結構的破壞會導致多種疾病。間隙連線由數千個通道組成,這些通道允許離子(帶電原子)和小分子直接從一個細胞內部流向相鄰細胞內部。這篇文章還深入探討了間隙連線的發現,並講述了調查人員如何研究出細胞如何製造這些大型結構的偵探故事。

在這裡,蘭佩的合作者,阿爾伯塔大學的傑森·艾登演示了染料分子如何透過間隙連線從一個細胞流向另一個細胞。然後,賈裡德·丘爾科——萊爾德的前學生,現在是斯坦福大學的博士後研究員——繪製了間隙連線是如何形成的。

為了觀察分子交換的實際過程,艾登首先將熒光染料載入到透過間隙連線連線的細胞中。然後,他使用強大的雷射“漂白”其中一個連線細胞的熒光。這個細胞仍然含有染料,但其熒光已被永久淬滅。


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在影片中,左側的細胞在大約三秒標記處被漂白。隨著仍然發出明亮光芒的染料分子透過間隙連線通道從右側的細胞遷移過來,暗淡的細胞隨著時間的推移“恢復”了其熒光。除了人為引入的染料分子外,這些細胞還在交換大量的天然離子和小分子,它們通常使用這些離子和小分子進行通訊。

動畫顯示了間隙連線組裝的主要事件——從間隙連線蛋白(稱為連線蛋白)的合成,到通道的開啟,允許離子和小分子透過。在動畫開始時,核糖體(棕褐色)正在根據信使 RNA 分子(紫色)中編碼的資訊產生連線蛋白(水綠色)。(此動畫側重於一種稱為 Cx43 的連線蛋白,它存在於心臟、皮膚和其他身體部位。)隨著連線蛋白變得更長,一種額外的蛋白質(藍色)幫助將其插入內質網膜中,內質網是蛋白質合成發生的細胞器。

一旦完成,連線蛋白就會被包裹到囊泡(顯示為球體)中,囊泡將它們運送到附近的高爾基體膜,在那裡會發生膜蛋白的額外加工。在那裡,六個連線蛋白結合在一起形成一個稱為半通道(連線子)的結構,然後由另一個囊泡將其運送到細胞的外(質膜)膜。在這個階段,半通道可以開啟,並允許細胞與外部環境交換不同的離子和小分子(顯示為彩色球)。

當一個半通道在相鄰細胞的膜中遇到另一個半通道時,這兩個半通道可以相互對接,形成一個連線一個細胞內部與其鄰居內部的通道;這些對接通道的集合構成了間隙連線。隨後透過通道進行的離子和分子交換代表了一種重要的細胞間通訊形式。

凱倫·霍普金是馬薩諸塞州薩默維爾的自由科學作家。她擁有生物化學博士學位,並且是《大眾科學》60秒科學播客的撰稿人。

更多作者:凱倫·霍普金
大眾科學 Magazine Vol 312 Issue 5這篇文章最初以“觀察鄰近細胞間的資訊流動”為標題發表在《大眾科學雜誌》第 312 卷第 5 期(
doi:10.1038/scientificamerican052015-1AjFt1G5Oyukd0PxhmQ3IL
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