十年來(lái)，科學(xué)家們已經(jīng)知道，與其他細(xì)胞融合以執(zhí)行其基本功能的細(xì)胞(例如結(jié)合在一起形成纖維的肌肉細(xì)胞)會(huì)形成長(zhǎng)遠(yuǎn)的投射，并侵入其融合伙伴的領(lǐng)土。但是，尚不清楚此過(guò)程中涉及的薄而松軟的聚合物如何推動(dòng)機(jī)械上堅(jiān)硬的突起。

在今天在線發(fā)表在《自然細(xì)胞生物學(xué)》上的一項(xiàng)新研究中，UT西南大學(xué)的科學(xué)家概述了這些預(yù)測(cè)背后的機(jī)制，重點(diǎn)研究了肌動(dòng)蛋白和動(dòng)力蛋白這兩種蛋白質(zhì)之間的相互作用。他們說(shuō)，這些發(fā)現(xiàn)提供了對(duì)關(guān)鍵細(xì)胞過(guò)程的洞察力，這對(duì)于多細(xì)胞生物的概念，發(fā)育，再生和生理至關(guān)重要，并且最終可能會(huì)導(dǎo)致罕見(jiàn)肌肉疾病的新療法。

UT西南醫(yī)學(xué)中心分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)系教授，研究負(fù)責(zé)人伊麗莎白·陳(Elizabeth Chen)博士解釋說(shuō)，細(xì)胞融合涉及三個(gè)主要步驟。首先，粘附分子將細(xì)胞膜拉在一起，但在細(xì)胞之間留有間隙。接下來(lái)，一個(gè)細(xì)胞延伸出手指狀的突起，并侵入另一個(gè)細(xì)胞。最后，所謂的融合蛋白使細(xì)胞膜更緊密地接觸和融合。

Chen說(shuō)，對(duì)于這一中間步驟，她實(shí)驗(yàn)室和其他實(shí)驗(yàn)室的研究表明，稱為肌動(dòng)蛋白的蛋白質(zhì)在形成預(yù)測(cè)中起著關(guān)鍵作用。但是，肌動(dòng)蛋白會(huì)形成松軟且稀薄的聚合物，稱為肌動(dòng)蛋白絲，每條直徑僅為7納米。這些細(xì)絲如何在機(jī)械上變得足夠堅(jiān)硬以推出可以侵入其他細(xì)胞的突起物還不清楚。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，Chen和她的同事研究了肌動(dòng)蛋白與動(dòng)力蛋白的相互作用，這種蛋白可以從整個(gè)細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的特定化學(xué)鍵中釋放能量。動(dòng)力的作用之一是通過(guò)在從細(xì)胞膜突出的囊泡的“頸部”周?chē)纬山Y(jié)構(gòu)來(lái)夾住將貨物帶入細(xì)胞的新形成的囊泡。盡管先前的研究表明，動(dòng)力蛋白和肌動(dòng)蛋白在許多細(xì)胞結(jié)構(gòu)中相互關(guān)聯(lián)，但如何協(xié)同工作仍是二十年來(lái)的一個(gè)謎。

Chen和她的團(tuán)隊(duì)以果蠅肌肉細(xì)胞為模型系統(tǒng)，首先觀察了基因改造的胚胎中的肌肉細(xì)胞融合情況，認(rèn)為該基因不產(chǎn)生任何功能性的動(dòng)力蛋白。他們發(fā)現(xiàn)，如果沒(méi)有動(dòng)力蛋白功能，這些細(xì)胞不僅無(wú)法融合，而且無(wú)法形成正常的投影，這表明動(dòng)力蛋白在這一過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。

然后，研究人員使用顯微鏡仔細(xì)觀察了純化的動(dòng)力蛋白和肌動(dòng)蛋白在等量混合后如何相互作用。他們發(fā)現(xiàn)肌動(dòng)蛋白絲似乎是由動(dòng)力蛋白以規(guī)則間隔隔開(kāi)的束組織在一起，當(dāng)多個(gè)動(dòng)力蛋白分子組裝在一起時(shí)，后者形成螺旋。出人意料的是，這些肌動(dòng)蛋白絲不是結(jié)合在肌動(dòng)蛋白絲周?chē)膭?dòng)力蛋白螺旋絲，而是結(jié)合到了螺旋蛋白的外緣，每個(gè)螺旋絲最多捕獲16條絲蛋白。

Chen說(shuō)，盡管此實(shí)驗(yàn)表明，動(dòng)力蛋白具有捕獲多條肌動(dòng)蛋白絲并將其束縛成更牢固束的能力，但完全占據(jù)的動(dòng)力蛋白螺旋不太可能在細(xì)胞中持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，在這種細(xì)胞中，充足的能源可能導(dǎo)致這些動(dòng)力蛋白結(jié)構(gòu)分解成單個(gè)單元豐富。果然，當(dāng)研究人員將能量源添加到動(dòng)力素-肌動(dòng)蛋白混合物中時(shí)，動(dòng)力素螺旋確實(shí)分開(kāi)了，但不是以同步的方式分開(kāi)的。當(dāng)完全組裝好的螺旋破裂時(shí)，其他的仍然存在-將肌動(dòng)蛋白束保持在一起，同時(shí)允許新的細(xì)絲從沒(méi)有被動(dòng)力蛋白束縛的區(qū)域散發(fā)出來(lái)。Chen說(shuō)，這種動(dòng)態(tài)過(guò)程最終導(dǎo)致形成多個(gè)相互連接的平行肌動(dòng)蛋白束，從而進(jìn)一步提高了肌動(dòng)蛋白網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械強(qiáng)度。

盡管Chen和她的同事們使用肌肉細(xì)胞作為模型系統(tǒng)，但Chen指出，他們?cè)谶@里發(fā)現(xiàn)的肌動(dòng)蛋白和動(dòng)力蛋白之間的相互作用可能在其他類型的細(xì)胞融合中發(fā)揮關(guān)鍵作用，例如在骨吸收細(xì)胞之間或免疫細(xì)胞之間。此過(guò)程中的缺陷也可能導(dǎo)致一些罕見(jiàn)的疾病，例如中心核肌病，這種疾病是肌肉細(xì)胞形成過(guò)小的纖維。先前的研究表明，動(dòng)力蛋白的多個(gè)基因突變可導(dǎo)致這種疾病。

Chen說(shuō)：“我們對(duì)研究人類突變?nèi)绾巫柚谷诤线^(guò)程感興趣，這最終可能導(dǎo)致新的干預(yù)和幫助這些患者的方法。”