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以新的眼光看待细胞膜 新的研究显示它们更接近于半固体

亚当科恩说,如果你想了解细胞膜是如何工作的,那就看你的厨房了。科恩是化学与化学生物学和物理学教授,他是一项新研究的主要作者,该研究提出了关于细胞膜流体性质及其对张力的反应的传统理论。

长期以来,科学家们一直认为,膜的作用类似于粘稠的液体,类似于蜂蜜,而且张力几乎可以瞬间从细胞的一侧传递到另一侧,但在科恩实验室工作的博士后科恩和郑石表示他们实际上更接近像Jell-O这样的半固体。这项研究发表于11月1日发表于Cell的论文中。

“传统的图片是膜是我们所说的二维液体,意味着构成它的脂质分子被卡在膜的平面上......但在那个平面内,这些分子可以四处移动,”科恩说。 。“就像人们在大中央车站周围碾磨一样 - 每个人都被困在地板的平面上,但他们可以四处走动。人们已经做过实验,在这些实验中他们标记了跨膜蛋白质,这些蛋白质位于膜上并能够观察他们四处弥漫。

“人们已经认为,因为膜的作用就像一种液体,如果你拉扯它的一侧,它会流动,直到张力再次均衡,”他继续道。“人们认为这种张力的传播速度非常快,而且可能是细胞从膜的一部分向另一部分发出信号的一种方式。”但是,尽管有许多研究表明膜以这种方式起作用,但很少有实验证据支持它。

科恩说,有什么工作来自研究人员制造“合成”膜的实验,然后表明张力几乎立即从一侧传递到另一侧。考虑到这种理解,Cohen和Shi开始通过开发荧光蛋白来观察张力的转移,荧光蛋白随着信号穿过膜而点亮。“我们的想法是,我们通过这些张力控制的离子通道具有非常敏感的触觉感觉,我认为如果我们的神经元中只有触摸产生电信号就会很酷......如果我们能看到的话直接触摸,“科恩说。“所以郑制造了这些传感器,我们试图通过拉动细胞的一侧并寻找信号的变化来校准它们,而他的实验只是没有意义。他一直在做实验而没有看到任何反应。 “

虽然在这一点上简单地判断实验不起作用并放弃可能很容易,但科恩及其同事开始怀疑这些关于细胞膜的基本假设是否可能是错误的。

“所以郑建立了一个非常简单的实验,他在机械执行器上有两个探头,”他说。“他在两个地方用力拉动膜,测量了张力......并且看不到任何耦合。所以他可以在一端拉出他想要的一切,而另一端绝对没有。然后他做了同样的实验。自由膜与细胞断开,他看到了完美的耦合。这告诉我们,当细胞膜在细胞上时,它与细胞分离时有一些根本不同的东西。“科恩及其同事假设,这种基本差异是 - 在活细胞中 - 位于膜中并附着在细胞的细胞骨架上的蛋白质。

“那些蛋白质不能四处移动,”科恩说。“而且每一个都像一个不动的屏障,所以任何流动都必须围绕它 - 就好像你在大中央车站有很多人只是静止不动。”Cohen及其同事估计这些蛋白质占细胞膜的20% - 足以对膜的工作方式产生深远的影响。

“你可能会认为,如果你占据了10%或20%的障碍物,你会看到10%或20%的效果,但事实证明它对膜的流动能力产生了一万倍的影响, “科恩说。“每个人都熟悉的类比是Jell-O。当你制作Jell-O时,明胶只占配方的5% - 绝大多数只是水。“百分之五的糖溶液就像水一样流动,但百分之五的明胶凝胶根本不会流动,因为明胶链缠结在一起,不能相对移动,所以水会被困住,因为它可以' t流过股线之间的分子大小的空间,“他继续道。“但如果你清除Jell-O并在其上涂上一滴染料,染料分子就会扩散通过它......因为分子足够小,可以挤过去。”

他说,同样的原理似乎是在细胞膜中起作用。

“个体分子看起来像是在自由地扩散,因为它们基本上是 - 它们可以挤过裂缝,”科恩说。“但是,这不应该导致你错误的结论,即膜像液体一样流动,因为有障碍物被卡在原地并像明胶一样起作用。”展望未来,科恩表示,有两个途径需要进一步研究。

“有一种很好的方法来对膜张力进行成像仍然很有趣,”他说。“因此,我们回到最初的问题来解释细胞中的紧张是如何被调节的,因为它们获得了不同种类的输入。”科恩还计划探索是否有一些细胞能够跨膜转移张力,希望探索这些细胞可能填补的特殊作用。

科恩说,对膜如何发挥作用的新认识不仅可能对科学家未来如何进行生物学实验产生重大影响,甚至可能有一天对我们如何治疗疾病产生影响。

“膜信号传导是生命几乎所有方面的基础,因为这是信息从外部细胞进入细胞内的方式,”科恩说。“绝大多数药物对跨膜蛋白起作用。我们所有的神经元,所有的离子通道和突触受体都是跨膜蛋白,所以我希望有很多地方可以证明这是一个重要的参数。 。

“但是现在我们知道紧张局势并不统一 - 实际上在细胞的不同部分可能会有很大差异 - 这表明它可能是细胞用来调节不同过程的东西,”他继续道。“因此人们对这些合成双分子层中蛋白质的分析可能会错过重要的调节机制......所以这是一个人们必须考虑的参数。”这项研究得到了戈登和贝蒂摩尔基金会以及霍华德休斯医学研究所的资助。

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