细胞和细胞碎片如何在电场中运动

美国加州大学戴维斯分校的科学家发现，完整的活细胞和细胞碎片就像微小、缓慢运动的罗盘指针，它们会对电场做出反应，定向并运动——但是二者向相反的方向运动。他们发表在4月8日的《当代生物学》（Current Biology）杂志上的这些结果可能最终会带来新方法以愈合伤口和进行干细胞疗法。

当细胞缓慢运动到受伤的部位并让它愈合的时候，它们沿着一种电场运动。在健康的组织中，在层与层之间有一种带电粒子流。组织的损伤建立了一个“短路”，改变了这种粒子流的方向并且建立了一个电场，把细胞导向受伤的部位。但是这究竟是如何发生的，又为什么会发生？原因尚不清楚。

“我们知道细胞能够对弱电场做出响应，但是我们不知道它们如何感知到了电场，”皮肤病学和眼科学教授、加州大学戴维斯分校干细胞中心、再生疗法研究所的科研人员Min Zhao说。“如果我们能够更好地理解这个过程，我们就可以让伤口愈合与组织再生变得更为有效。”

“这组科研人员研究了形成鱼鳞的角膜细胞。这些鱼细胞常用于研究细胞运动，而且它们还能容易地脱落细胞碎片，这些碎片包裹在细胞膜里，但是缺乏细胞核与主要的细胞器、DNA或者许多其他与结构有关的东西。

加州大学戴维斯分校的数学、神经生物学、生理学与行为教授、该论文的资深共同作者Alex Mogilner说，他们吃惊地发现在同一电场中整个细胞和细胞碎片向相反的方向运动。

Mogilner说，这是首次证明了这种基本细胞碎片能够在电场中定向运动。这让这组科研人员能够发现这些细胞和细胞碎片在两个竞争的过程中通过 “拔河”而定向。

把一个细胞设想成被一个膜包裹的一滴液体和蛋白凝胶。细胞在表面上缓慢前进是通过滑动以及细胞内部的棘轮蛋白质纤维相互越过达到的，这个过程推进了细胞的前缘，同时收回了细胞的后缘。

助理项目科学家Yaohui Sun发现，当整个细胞暴露在电场中的时候，肌动蛋白纤维在细胞面对负电极（阴极）的那一面聚集并生长，而收缩的肌动蛋白和肌球蛋白的混合体在朝着正电极（阳极）的一边形成。肌动蛋白本身以及肌动蛋白和肌球蛋白的组合都能够创造出驱动细胞前进的马达。

这种极化效应在这两种机制之间建立了一场拔河比赛。在整个细胞中，这种肌动蛋白的机制获胜，细胞缓慢地向阴极移动。但是在细胞碎片中，肌动蛋白/肌球蛋白马达胜出，让细胞的后方朝向阴极，而这个细胞碎片缓慢地向相反方向运动。

Mogilner说，这些结果表明了细胞对电场做出响应至少有两种截然不同的路径。至少有其中一种路径——它造就了有组织的肌动蛋白/肌球蛋白纤维——可以在除了细胞膜和组成了细胞骨架的蛋白质之外没有细胞核或者细胞中的任何其他细胞器的情况下工作。

这两个路径的上游是某种探测电场的传感器。在将发表在同期杂志的另一篇论文中，Mogilner和来自美国斯坦福大学的科研人员Greg Allen 和Julie Theriot缩小了可能的机制。他们得出结论说，最可能的解释是电场导致了细胞膜上的某些带电蛋白在膜的边缘聚集，引发了一种应答。

这个研究组的成员还包括Hao Do、Jing Gao 和Ren Zhao，他们都来自于再生疗法研究所以及加州大学戴维斯分校眼科学与皮肤病学系。Mogilner 和Zhao共同指导了Sun；Gao如今在中国昆明的云南师范大学工作，Ren Zhao在中国重庆的第三军医大学。

EurekAlert!