Science：重大發現！細胞凋亡通過觸發波在細胞中傳播

兩隻手向上揮動會產生一個又一個次聲波，直到次聲波在整個體育場里傳播到很遠的地方。這種滾動式激增是由一種或幾種事件的活動所激發的，因而被稱為觸發波（trigger wave）。觸發波需要兩個主要因素：一個正反饋循環和一個閾值，想像一下倒下的多米諾骨牌。一個多米諾骨牌倒在另一個多米諾骨牌上，並觸發後者倒在下一個多米諾骨牌上。這個閾值是讓一個多米諾骨牌完全倒下所需的力量；如果施加一個略低於這個閾值的力量，那麼一個多米諾骨牌將會搖晃並重新回到站立的位置，然而一旦施加一個達到這個閾值的力量，一個多米諾骨牌就會倒下。

人們之前已發現在細胞周期中，細胞通過分裂產生新的細胞，並且觸發波能夠調節新細胞的產生。神經元動作電位也是如此，這就允許神經元通過電脈衝傳播信號。

作為一種比較容易理解的細胞死亡形式，細胞凋亡仍然讓科學家們感到神秘。美國斯坦福大學生物化學教授、化學與系統生物學教授James Ferrell博士說，「有時，我們的細胞死掉，其實我們並不希望它們死掉，比如神經退行性疾病中的神經元。有時，我們的細胞不會 死亡，其實我們真地希望它們死掉，比如癌症中的癌細胞。如果我們想要干預的話，那麼我們需要理解細胞凋亡是受到調節的。」

像野火一樣傳播

在一項新的研究中，Ferrell和博士後研究員Xianrui Cheng博士發現在細胞凋亡中，細胞死亡也是通過觸發波進行擴散的。一旦細胞死亡開始啟動（不論是疾病還是其他方式），細胞中的特定殺傷蛋白---蛋白酶caspase，全稱為含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶---受到 激活。隨後，這些蛋白通過漂浮與其他的caspase接觸並激活它們；這些其他的caspase也紛紛效仿直到整個細胞死掉。相關研究結果發表在2018年8月10日的Science期刊上，論文標題為「Apoptosis propagates through the cytoplasm as trigger waves」。

Ferrell說，「它以這種方式進行擴散，永不減速，永不消失。它的幅度並沒有任何降低，這是因為在產生自身動力的每一步中，它通過將更多非活性的分子轉化為活性分子直到細胞凋亡擴散到細胞的每個角落和裂縫。」

為了觀察死亡對單個細胞的影響，Cheng和Ferrell使用了非洲爪蟾蛙的卵子。當細胞發生凋亡時，非洲爪蟾蛙的卵子具有較大的尺寸，這使它們成為肉眼觀察死亡如何從細胞的一端擴散到另一端的主要候選對象。

首先，Ferrell和Cheng從卵子中提取出液體並將這種提取物加入到幾毫米長的特氟龍管中，並通過分子「死亡信號」啟動細胞凋亡。通過使用一種與細胞凋亡激活相關的熒光技術，這兩名研究人員觀察到當亮綠色的熒光以恆定速度向下移動時，這表明細胞凋亡通過觸發 波進行傳播，而不是通過其他的一些更基本的機制（比如擴散）進行傳播。

問題是在細胞中發生的細胞凋亡也是這樣傳播的嗎？

利用熒光顯微鏡進行觀察是非常困難的，這是因為完整的非洲爪蟾蛙卵子是非常不透明的。然而，Ferrell和Cheng注意到當非洲爪蟾蛙卵子死亡時，一種色素沉著波紋（ripple of pigmentation）會在這種卵子的表面上發生。這兩名研究人員發現，在死亡過程中，一條 黑色的波紋像一條曲線一樣從一側到另一側以恆定的速度穿過卵子。這個表面波的速度是恆定的並且沒有減速，即這也會形成觸發波。因此，為了進一步證實這一點，他們分析了單個死亡的卵子：每個經歷過這種表面波的卵子都含有激活的蛋白酶caspase，而尚未經歷過 這種表面波的卵子則不含有。總之，有更多的證據表明觸發波也會在完整的細胞中傳播細胞死亡信號。

一系列觸發波

到目前為止，細胞凋亡是確定的唯一通過觸發波進行傳播的細胞死亡形式，但是Ferrell正在研究生物學中的其他過程，以便這種連續波是否可能在其中起作用。

如今，他們正在研究觸發波是否可能決定著我們的先天免疫反應在細胞間的傳播方式。病毒通過觸發波在細胞間傳播，因此有理由認為我們的初始免疫防禦線也可能採用相同的策略。

Ferrell說，「我們擁有關於各種生物中蛋白和基因的所有信息。我們證實遠程通信能夠通過觸發波實現。這些觸發波取決於正反饋循環、閾值和空間耦合機制等。這些因素遍佈於生物調節的各個方面。如今，我們想知道在其他的哪些地方是否也會發現觸發波。」

參考資料：Xianrui Cheng1, James E. Ferrell Jr.Apoptosis propagates through the cytoplasm as trigger waves. Science, 10 Aug 2018, 361(6402):607-612, doi:10.1126/science.aah4065.

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