在细胞生物学领域,细胞内部环境的真实状态一直是科学家们关注的焦点。长期以来,大多数细胞内部运动和分子交互的研究主要基于单细胞生物或哺乳动物细胞培养模型。然而,最近加州大学戴维斯分校的研究团队借助线虫这一多细胞生物,深入揭示了细胞内部的拥挤状况远超预期,并指出细胞内的空间是高度受限和分隔的。这一发现不仅改变了我们对细胞物理性质的理解,也为未来生物医学研究提供了新的视角。</p> 线虫,尤其是秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)因其体积微小、透明且细胞结构清晰,成为细胞生物学研究的理想模型。研究团队通过将一种名为基因编码多聚纳米颗粒(GEMs)的荧光蛋白质结构导入线虫基因组,成功实现了在活体多细胞生物内追踪纳米颗粒的运动。
GEMs的直径约为40纳米,大小相当于核糖体,这使得研究者可以直接观察细胞内复杂的物理环境对纳米级物质运动的影响。</p> 借助高帧率(最高每秒50帧)的显微成像技术,研究人员发现线虫细胞内的GEMs运动速度比哺乳动物细胞培养物或酵母细胞慢约50倍。这一结果表明,线虫细胞的细胞质极度拥挤,限制了分子和纳米颗粒的自由移动。不仅如此,GEMs在细胞内还表现出严格的局域性分布,暗示细胞内部存在明显的隔离结构。这种细胞质的空间隔离性在以往的单细胞模型中极少观察到,揭示了多细胞动物体内细胞环境的独特性和复杂性。</p> 为了进一步探究这些隔离的形成机制,研究团队重点关注了一个名为ANC-1的大型蛋白。
ANC-1作为细胞骨架的重要组成部分,承担着维持细胞架构的职责。当研究人员通过基因手段抑制ANC-1的表达后,虽然细胞内部拥挤程度并未减轻,但GEMs的局域限制消失,表明ANC-1蛋白发挥了细胞内部空间划分的"隔板"作用。</p> 此外,细胞质拥挤的主要"填充物"来源于核糖体的密度。核糖体作为蛋白质合成的核心机器,占据了细胞内部大量空间。当同时干扰ANC-1和核糖体的生成时,GEMs的运动立即加快且不再受限。显然,细胞利用这两种互补机制 - - 核糖体作为占位物质"填充"细胞质,而ANC-1蛋白则构建了"空间框架" - - 共同调控细胞内部的分子动态和平衡。
</p> 这一发现对于细胞生物学领域具有划时代意义。传统细胞培养研究多聚焦于人工环境下的单细胞运动规律,忽视了组织内细胞相互作用和空间结构对细胞功能的影响。通过在活体多细胞模型中揭示细胞内部实际的"拥挤度"和"隔离性",研究提供了更接近天然生理环境的真实情况,有助于深化对细胞内物质运输、信号传导及其与疾病之间关系的认知。</p> 同时,这一研究也对药物传递系统设计提出了新的挑战和启示。细胞质的高度拥挤和空间隔离可能是药物分子有效进入及作用的物理障碍。未来药物开发需要充分考虑细胞内部复杂的微环境,设计能够突破拥挤和隔离限制的纳米载体或分子策略,以提高治疗效果。
</p> 科学家们也表示,利用GEMs技术对其他细胞类型如神经细胞进行研究,将有助于理解衰老和神经退行性疾病过程中细胞质性质的变化。目前,团队计划将研究范围扩展到更复杂的模式生物,如斑马鱼,以揭示细胞物理特性与生理功能的关系,为疾病机制和再生医学研究开辟新道路。</p> 研究这一创新性工作的戴维斯团队也强调,活体研究的重要性不容忽视。细胞培养模型与体内环境在物理和化学条件上存在本质差异,依赖体外模型可能导致对细胞行为的误判。只有通过活体多细胞系统,才能捕捉细胞真正的生物物理特性,从而更好地理解生命现象。</p> 这项研究的成功得益于跨学科的合作,结合遗传学、显微成像技术和物理学的前沿方法,为揭示生命最基本单位的内部世界开辟了新视角。
它也提醒科学界,在不断推进分子层面研究的同时,务必关注生物系统的宏观组织和物理环境,以实现对生命全貌的全面把握。</p> 总的来说,线虫细胞内部的拥挤和隔离现象为细胞功能调节提供了新的理论基础,对理解生物分子运动规律、细胞间通信以及疾病治疗都有深远影响。未来随着研究的深入,活体细胞内物理特性将成为生物医学研究不可或缺的重要内容,助力人类破解更多生命之谜。 。
