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Science建立信号传导新概念

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来源: 作者: 2019-05-17 00:53:43

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在动物王国中苍蝇的眼睛具有最快的视觉反应,然而其是如何实现的一直以来是一个谜。一项新研究显示它们的快速视觉可能是由于它们的感光细胞对光产生物理收缩的结果。这1机械力随后生成的电反应以比我们本身眼睛快很多的速度传送到大脑。我们的眼睛是利用常规的化学信使来产生反应。这一研究发表在10月12日的《科学》(Science)杂志上。

过去人们认为负责产生感光细胞电反应的离子通道是被化学信使激活,通常在细胞信号传导通路中是这种情况。然而,这些结果表明负责感光细胞电反应的光敏离子通道有可能通过收缩激活,这是针对苍蝇眼睛感光秘密取得的一个惊人的答案,以及细胞信号传导的一个新概念。

论文的主要作者、剑桥大学生理学系RogerHardie教授说:“谈论中的离子通道称作‘瞬时受体电位’(transientreceptorpotential,TRP)通道,我们最初是在上世纪90年代发现它是一种光敏通道。现在它被视作是基因组中最大离子通道家族之一的基础成员,这些密切相关离子通道在我们的全身发挥至关重要的作用。因此,TRP通道日益被视作是许多病理情况,包括疼痛、高血压、心肺疾病、癌症、风湿性关节炎和脑缺血等的潜伏治疗靶点。我们因此希望这些新结果有可能具有超越苍蝇眼睛的其他意义。”

苍蝇的视觉如此的快速以致于它们追踪移动的速度比我们自己的眼睛要快5倍。这一性能是利用微绒毛感光细胞取得,在这些细胞中感光膜是由称作微绒毛的微小管状膜突出构成。在每个感光细胞中,数万的微绒毛填充在一起形成一种长棒状结构,充当光导管吸收入射光。每一个微绒毛还具有生物化学机器,将吸收光的能量转变为电反应发送到大脑—中国土壤污染防治立法正在调研_0
—这一进程就称作光信号传导。

在所有感光细胞中,光信号传导是通过一种视色素分子(视紫质)吸收光作为开始。在微绒毛感光细胞中,这导致了称作磷脂酶C(PLC)的一种特异酶激活。PLC是一种普遍存在且研究深入的酶,能够裂解来自细胞膜特异脂质元件的一个大的部件("PIP2"),将较小的膜脂(DAG)留在它的位置。

以某种方式这种酶反应致使了微绒毛膜中的“离子通道”开放;一旦打开,这些会使得诸如Ca2+和Na+等正电荷离子流入细胞因此产生电反应。这一基本的事件顺序已经被确立超过20年,但确切PLC酶活性如何引起通道的活性长期以来是一个谜,也是感官生物学一个重要的悬而未决的问题。

Hardie教授说:“传统的看法认为这一酶活性产物之一的一种化学‘第二信使’结合并激活了这一通道。然而过去多年的研究都没有找到令人信服的证据证实这样一种简单的机制。”

新研究利用果蝇揭示了这一谜题不寻常的意料之外的答案。关键的发现是感光细胞对闪光做出了物理收缩反应。这一收缩既小且快,因此需要“原子力显微镜”才能检测它们。其揭露收缩甚至快于细胞的电反应,似乎是由PLC活性直接引发。

研究人员认为PLC酶裂解膜脂PIP2减少了膜面积,由此增加了膜的张力,引发每一个微绒毛对光做出收缩反应。不计其数微绒毛一起同时发生了收缩致使了整个细胞的收缩。

论文的共同作者、剑桥大学的KristianFranze博士说:“我们认为在每一个微绒毛中膜张力的增加直接对光敏通道起了作用。换句话说,并非利用传统的化学第二信使,通道是通过机械被激活。”

在实验中,通过突变减少天然光敏通道,并用机械敏感通道替代,这一概念得到了证实。值得注意的是,这些感光细胞依然对光做出反应生成了电信号,不过现在是由异位机械敏感通道激活所接到。为了检测天然的光敏通道是不是受到细胞膜机械力的影响,通过改变渗透压对微绒毛膜进行了拉伸或紧缩。这1简单的实验操作如预期的快速增进或抑制了通道开启。

这些结果表明PLC通过改变膜的机械状态调控了对感光细胞的影响。研究人员认为膜张力的增加(以及由于PLC活性导致的pH改变)震动了光敏通道开放。机械敏感离子通道众所周知,但通常参与传导机械刺激,例如耳朵中的声音或对皮肤的压力。它们的一个特点是可以极快地激活,这或许可以揭露为什么苍蝇感光细胞进化出这一光信号传导方法。

Hardie教授说:“这1机械信号可能是一个中间信号,或‘第二信使’,在一个纯洁的生化级联反应中这是一个新概念,将我们对细胞信号机制的理解扩大到了一个新水平。”

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