令人难以置信的3D视频显微镜显示人类白细胞使用分子桨进行游泳

研究人员在《生物物理杂志》上报道说，人类白细胞（称为白细胞）使用一种新近描述的机制进行分子游动。这种微泳机制可以解释免疫细胞和癌细胞是如何在体内各种充满液体的生态位中迁移的，无论是有益还是有害。

“活细胞自主移动的能力令人着迷，并且对许多生物学功能至关重要，但是细胞迁移的机制仍被部分了解，”法国艾克斯-马赛大学的共同资深研究作者奥利维尔•西奥多利说。“我们的发现为变形虫细胞的迁移机制提供了新的思路，这是免疫学和癌症研究中的关键课题。”

细胞已经进化出不同的策略来迁移和探索其环境。例如，精子细胞，微藻类和细菌可以通过形状变形或使用鞭毛状鞭毛游动。相反，已知哺乳动物的体细胞通过附着在表面并爬行而迁移。白细胞不能在不粘附于2D表面上迁移的情况已被广泛接受。

先前的一项研究报告说，某些被称为嗜中性白细胞的人类白细胞可以游泳，但未显示出任何机制。另一项研究表明，小鼠白细胞可以被人工激发来游泳。人们普遍认为，没有鞭毛的细胞游泳需要改变细胞的形状，但是有关白细胞迁移的确切机制已有争议。

这是游泳淋巴细胞的细胞骨架的3D电子显微镜，显示了沿着细胞体传播的模仿蛙泳运动的突起。

与以前的研究相比，格勒诺布尔阿尔卑斯大学的共同资深研究者西奥多莉（Theodoly）和他们的合作者在这项新研究中提供了实验和计算证据，即人类白细胞可以在2D表面上迁移而不会粘附并可以通过一种机制游泳这不依赖于细胞形状的变化。Misbah说：“观察细胞运动会给人一种幻觉，认为细胞会像游泳者一样使身体变形。”“尽管白细胞显示出高度动态的形状，并且似乎以蛙泳模式游动，但我们的定量分析表明，这些运动不足以推动细胞。”

相反，细胞使用跨膜蛋白划桨，跨膜蛋白跨过细胞膜并突出到细胞外。研究人员表明，膜式跑步机（细胞表面的向后运动）可以在有或没有粘附的情况下，在固体或液体环境中促进白细胞迁移。

但是，细胞膜不会像均质的跑步机那样运动。一些跨膜蛋白与肌动蛋白微丝相连，肌动蛋白微丝形成细胞骨架的一部分并收缩以允许细胞移动。肌动蛋白的细胞骨架被广泛认为是推动细胞爬行的分子引擎。新的发现表明，肌动蛋白结合的跨膜蛋白会桨动并推动细胞前进，而自由扩散的跨膜蛋白会阻碍游泳。

该视频显示了细胞外部划桨分子向后跑步的影像。

研究人员提出，肌动蛋白驱动的外部跑步运动和肌动蛋白结合的跨膜蛋白通过水泡运输的内部再循环相结合，可以实现连续的划动。具体而言，将位于细胞后部的划桨蛋白封闭在囊泡内部，该囊泡会从细胞膜中夹出并转运至细胞的前部。相比之下，非浆液性跨膜蛋白被挑选出来，并且不会经历通过水泡运输的内部循环过程。

Theodoly说：“细胞膜的这种再循环被从事细胞内水泡运输的社区进行了深入研究，但几乎没有考虑其在运动中的作用。”“这些蛋白质分选和运输的功能对于游泳来说似乎非常复杂。令我们惊讶的是，我们的研究弥合了诸如微泳者物理学和水泡交通生物学等遥远的领域。”

这组作者说，分子划桨可以使免疫细胞在充满液体的壁migrate（例如身体肿胀的部分，感染的膀胱，脑脊液或羊水）中迁移时，彻底探索体内的所有位置。展望未来，研究人员计划研究分子在各种环境中的功能，并评估其他类型的细胞是否使用这种迁移方式。

参考：Laurene Aoun，Alexander Farutin，Nicolas Garcia-Seyda，PaulinNègre，Mohd Suhail Rizvi，Sham Tlili，Solene Song，Xuan Luo，Martine Biarnes-Pelicot，RémiGalland，Jean-Baptist讲解“淋巴细胞中的分子划动会促进类氨醇游泳” Sibarita，AlphéeMichelot，Claire Hivroz，Salima Rafai，Marie-Pierre Valignat，Chaouqi Misbah和Olivier Theodoly，2020年8月11日，生物物理杂志.DOI：
10.1016 / j.bpj.2020.07.033

这项工作得到了法国国家研究机构，LABEX INFORM，RégionSud，图灵生活系统中心，Aix-Marseille大学卓越计划-A * MIDEX，法国“ Investissements d'Avenir”计划的支持，以及公司Alveole。