发现至关重要的细胞间通讯系统

艺术家关于表达Delta1配体的细胞（左）和表达Delta4配体的细胞（右）的概念。尽管这两个配体以相同的方式激活细胞受体，但随着时间的推移它们以不同的方式激活。这样，接收单元可以解码指令。

像我们这样的多细胞生物，依赖于细胞之间不断的信息流动，协调其活动以增殖和分化。长期以来，了解细胞间通讯的语言一直是生物学的主要挑战。如今，加州理工学院的科学家们发现，随着时间的流逝，有节奏地对信息进行编码，细胞已经进化出了一种通过一条单一的途径或通信渠道传递更多信息的方式，这种方式比以前想象的要多。

该研究在2月8日出版的《细胞》杂志的一篇论文中进行了描述，该研究是由迈克尔·埃洛维兹（Michael Elowitz）的实验室进行的，该教授是霍华德·休斯医学研究所研究员，生物工程学的执行官，生物学和生物工程学教授。

尤其是，科学家研究了一种称为“ Notch”的关键通信系统，该系统几乎用于动物的每个组织中。Notch通路中的功能异常会导致多种癌症和发育性疾病，使其成为研究药物开发的理想靶标。

细胞使用称为配体的专门通信分子进行对话，该分子与称为受体的相应分子触角相互作用。当细胞使用Notch途径与附近的人交流指令时（例如，告诉他们平息或分化为另一种细胞），发送信息的细胞会在其表面上产生某些Notch配体。然后，这些配体与嵌入附近细胞表面的Notch受体结合，触发该受体将称为转录因子的基因修饰分子释放到其细胞内部。转录因子传播到细胞核，细胞的DNA被储存在那里，并激活特定的基因。因此，Notch系统允许细胞接收来自其邻居的信号并相应地改变其基因表达。

配体通过修饰其对接的受体的结构来促进转录因子的活化。所有配体都以相似的方式修饰其受体并激活接收细胞中的相同转录因子，因此，科学家通常认为接收细胞不应该能够可靠地确定哪个配体激活了它，从而确定了它传递的信息。接受。

表示Notch受体的信息接收细胞（底部）的图示，描绘为碟形卫星天线，用于接收来自表达两种不同配体“信息”的细胞的信息，这些信息称为Delta1（左，蓝色）或Delta4（右，红色）。信号分子的身份以搏动（左）或持续（右）动态编码。这些动力又由涉及基因HES1和HEY1（带有拨号盘的白盒）的模块“解码”，以控制细胞的分化决定。

乍看之下，关于细胞如何区分两个配体的唯一解释（如果有的话）似乎是它们必须以某种方式准确地检测出两个配体激活受体的强度方面的差异。然而，到目前为止，所有证据都表明，与手机或收音机不同，细胞很难准确地分析进入的信号，主要作者和前Elowitz实验室研究生Nagarajan（Sandy）Nandagopal（PhD ’18）说。“它们通常擅长区分信号的存在与否，但不多得多。从这个意义上讲，蜂窝消息传递比发短信更接近发送烟雾信号。因此，问题是，作为一个细胞，您如何区分两个配体，这两个配体在远处看起来像是一团类似的烟雾？”

Nandagopal和他的合作者想知道答案是否在于不同配体激活Notch的时间模式，换句话说，“烟”是如何随着时间散发的。为了测试这一点，该团队开发了一种新的基于视频的系统，通过该系统，他们可以在每个个体单元中实时记录信令。通过用荧光蛋白标记物标记受体和配体，研究小组可以观察分子如何在信号发生时相互作用。

该团队研究了两种化学相似的Notch配体，分别称为Delta1和Delta4。他们发现，尽管配体相似，但两者却以明显不同的时间模式激活了同一受体。Delta1配体可同时激活受体簇，将转录因子突然突然发送到核中，就像一个由几个巨大粉扑组成的烟雾信号一样。另一方面，Delta4配体以持续的方式激活了个体受体，向核中不断发送细流的单个转录因子，就像源源不断的烟雾一样。

研究人员说，这两种模式是对不同指令进行编码的关键。实际上，该机制使两个配体能够传达截然不同的信息。通过分析鸡胚，作者发现Delta1激活了腹肌的产生，而Delta4在相同细胞中强烈抑制了这一过程。

“细胞只讲几种不同的分子语言，但它们必须协同工作才能完成难以置信的任务，” Elowitz说。“我们通常认为这些语言非常简单，并且各个单元基本上只能互相打gr。通过在交流过程中观察单元格，我们可以看到这些语言比我们以前想象的要复杂得多，词汇量也更大。这可能只是细胞间通讯的冰山一角。”

出版物：Nagarajan Nandagopal等人，“ Notch信号通路中的动态配体歧视”，Cell，2018年； doi：10.1016 / j.cell.2018.01.002