分裂、分化還是死亡?在正確的時間和地點做出決定決定了細胞的行為，對于發(fā)育中的生物體的干細胞尤為重要。決策依賴于信號蛋白網(wǎng)絡(luò)如何處理信息。來自多特蒙德馬克斯普朗克分子生理學(xué)研究所的 Christian Schröter 和來自布宜諾斯艾利斯生物醫(yī)學(xué)研究所 (IBioBa) 的 Luis Morelli 周圍的團隊現(xiàn)在首次揭示了 ERK 是干細胞信號傳導(dǎo)過程中的關(guān)鍵參與者通過快速活動脈沖提供信息。脈沖間隔的持續(xù)時間，可能編碼了干細胞培養(yǎng)中不同命運決定所必需的信息。
在它們發(fā)育成后期胚胎的過程中，干細胞經(jīng)歷了一系列發(fā)育步驟。這些步驟之間的轉(zhuǎn)換由相鄰細胞之間交換的信號分子控制。早期哺乳動物胚胎發(fā)生過程中最關(guān)鍵的信號之一是成纖維細胞生長因子 4 (FGF4)。當(dāng)它被細胞識別時，該信息會被信號蛋白網(wǎng)絡(luò)處理，從而產(chǎn)生細胞反應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵參與者、他們的角色和交互現(xiàn)在是眾所周知的，但對信號動力學(xué)知之甚少。但是動態(tài)實際上意味著什么，為什么動態(tài)很重要?
動力學(xué)決定細胞命運
在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中動力學(xué)重要性的典型例子中，兩種不同的分子信號觸發(fā)不同的細胞反應(yīng)——分化和細胞生長——即使它們使用相同的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。這是可能的，因為激活信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的動力學(xué)對于兩個分子信號中的每一個都是特定的：一個激活系統(tǒng)短時間導(dǎo)致細胞生長，另一個激活同一系統(tǒng)很長時間導(dǎo)致細胞生長差異化。因此，信號動力學(xué)對于確定細胞的命運顯然很重要。然而，到目前為止，許多研究只能觀察在幾個小時內(nèi)展開的相當(dāng)緩慢的動力學(xué)，并且在所有細胞中都是相同的。他們對快速動態(tài)視而不見，特別是如果同一培養(yǎng)皿中的干細胞之間存在差異。
ERK 活動每六到七分鐘脈沖一次
Christian Schröter 和 Luis Morelli 周圍的團隊現(xiàn)在能夠更好地了解干細胞中的快速信號動力學(xué)。通過在活干細胞中引入熒光傳感器，科學(xué)家們可以實時測量主要信號蛋白 ERK 的活性。ERK 活性對于將分子信號轉(zhuǎn)化為遺傳反應(yīng)從而調(diào)節(jié)干細胞分化很重要。“在短時間內(nèi)測量單個干細胞中的 ERK 活性在實驗上非?？量蹋郧皬奈匆赃@種方式完成過。我們第一次可以觀察到，ERK 活動每 6 到 7 分鐘脈沖一次，比以前在其他細胞系統(tǒng)中顯示的類似信號更快。在單個細胞中，脈沖經(jīng)常一個接一個地發(fā)生，但是各個細胞之間的脈沖模式卻截然不同”，Christian Schröter 說。研究人員還可以觀察到，隨著 FGF4 信號的增加，當(dāng)對許多細胞求和時，脈沖的數(shù)量會增加，即使單個脈沖的持續(xù)時間沒有增加。用 FGF4 改變。
跨學(xué)科方法——洲際合作
“這種數(shù)據(jù)及其在細胞信號傳導(dǎo)中的作用很難解釋。這就是我們的專業(yè)知識發(fā)揮作用的關(guān)鍵”，Luis Morelli 說，他是馬普學(xué)會合作伙伴研究所 IbioBa 的長期合作伙伴和小組負責(zé)人。“我們必須開發(fā)一種新的理論方法來描述時間序列中的動態(tài)。通過這樣做，我們看到脈沖間隔的持續(xù)時間可能會編碼信息，因為我們可以找到脈沖和靜默。我們將這種新的動態(tài)特征稱為間歇性振蕩”。
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