受擠壓的細(xì)胞記住自身形狀以高效遷移的機(jī)制科普
人體環(huán)境對細(xì)胞而言并非易于駕馭。免疫細(xì)胞巡邏搜尋微生物、胚胎細(xì)胞遷移至器官形成部位，癌細(xì)胞侵入組織......細(xì)胞執(zhí)行功能都需穿越由網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、狹窄通道和巨大障礙物構(gòu)成的復(fù)雜空間。那么，受擠壓的細(xì)胞如何記住自身形狀以高效遷移呢？
Section.01
細(xì)胞遷移也有"形變記憶"？
眾所周知，細(xì)胞能改變形狀以適應(yīng)各種環(huán)境。不止如此！近期，Kalukula 等人在 Nature Physics 發(fā)表研究指出，細(xì)胞還能保留過去形變的記憶！�。�
是的，這種記憶編碼在每個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞骨架——賦予細(xì)胞形狀的蛋白質(zhì)支架中，并且能夠支持細(xì)胞在非均勻環(huán)境中高效遷移[1][2]。
神奇實(shí)驗(yàn)：細(xì)胞的"過橋"游戲與兩種狀態(tài)
為了揭示細(xì)胞的記憶，科學(xué)家設(shè)計(jì)了一個(gè)精妙的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)——“啞鈴”形微圖案。它由兩個(gè)寬敞的“廣場”和一條寬度僅 6 微米的狹窄“獨(dú)木橋”組成。
圖 1."啞鈴"微圖案實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與細(xì)胞形態(tài)[2]。研究者通過在玻璃表面精準(zhǔn)涂布纖連蛋白，構(gòu)建出這種啞鈴狀圖案。將乳腺上皮細(xì)胞放置其上，通過長時(shí)間活細(xì)胞成像，自動追蹤細(xì)胞在“廣場”和“橋”之間的往復(fù)運(yùn)動，并量化其形態(tài)變化[2]。
研究人員讓細(xì)胞在這個(gè)裝置上往復(fù)遷移。一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)浮出水面，當(dāng)“橋”足夠長時(shí)，細(xì)胞會穩(wěn)定地呈現(xiàn)兩種截然不同的形態(tài)：
- 伸長態(tài)：細(xì)胞攤開，形態(tài)相對對稱。
- 壓縮態(tài)：細(xì)胞收縮，呈現(xiàn)流線型[1][2]。
關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)在于，細(xì)胞的形態(tài)并非完全由當(dāng)下環(huán)境決定[1][2]。
圖 2.細(xì)胞的機(jī)械記憶效應(yīng)[1]。細(xì)胞在多次穿越中保持形態(tài)記憶，壓縮態(tài)細(xì)胞 (紫色) 在后續(xù)穿越中傾向于維持壓縮形態(tài)。
為了驗(yàn)證細(xì)胞是否有“記憶”，研究者分析了數(shù)百次連續(xù)的穿越事件。通過統(tǒng)計(jì)建模發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞在一次穿越中的形態(tài)會強(qiáng)烈影響下一次——壓縮態(tài)細(xì)胞后續(xù)仍有約 75% 概率保持壓縮，遠(yuǎn)超隨機(jī)概率[1]。
這意味著，細(xì)胞擁有一種“形態(tài)記憶”，能夠?qū)⒗诖┰降?ldquo;戰(zhàn)斗形態(tài)”保持下去。
Section.02
"記憶"藏在哪？
——"智能記憶骨架"
那么，這種記憶的物理載體是什么？秘密，就藏在細(xì)胞的肌動蛋白皮層里。
你可以把它想象成貼在細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的一層由肌動蛋白 (F-actin) 編織的“智能緊身衣”。這件“衣服”的松緊，由肌球蛋白 (Myosin) 這類“分子馬達(dá)”來調(diào)節(jié)。
研究者直接觀察到：壓縮態(tài)細(xì)胞的肌動蛋白皮層更厚，并且其中肌球蛋白的浸潤程度更高，導(dǎo)致皮層更緊繃、收縮力更強(qiáng)[2]。
圖 3. 壓縮態(tài)細(xì)胞具有更厚的肌動蛋白皮層[2]。為了探究記憶的物理基礎(chǔ)，研究者使用超高分辨率顯微鏡測量了細(xì)胞皮層的厚度。通過分析皮層處肌動蛋白的熒光信號分布寬度 (FWHM)，確證壓縮態(tài)細(xì)胞的皮層厚度顯著大于伸長態(tài)細(xì)胞[2]。
正是這種更厚、更緊繃的物理狀態(tài)，被“記憶”了下來。即使到了開闊地帶，這件“緊衣服”也需要一段時(shí)間才能“松弛”下來。這就是細(xì)胞的“記憶骨架”——它記住的是一種利于快速遷移的物理“緊繃感”。
為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，研究人員使用了藥物進(jìn)行干預(yù)：當(dāng)用 Latrunculin B (肌動蛋白聚合破壞劑) 破壞肌動蛋白，或用 Y27632 (ROCK 信號通路抑制劑) 抑制肌球蛋白收縮活性時(shí)，細(xì)胞的“記憶”被抹除，它們無法維持“壓縮態(tài)”，遷移效率大大降低[2]。反之，用 Jasplakinolide (肌動蛋白穩(wěn)定劑) 穩(wěn)定肌動蛋白后，細(xì)胞即使在寬闊“廣場”上也能頑強(qiáng)地保持“壓縮態(tài)”[2]。
這些實(shí)驗(yàn)證明：肌動蛋白皮層的組織結(jié)構(gòu)和其依賴的 ROCK /肌球蛋白收縮通路，是細(xì)胞機(jī)械記憶的分子基礎(chǔ)[2]。
Section.03
小結(jié)
這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，絕不僅僅是好玩而已。
它揭示了細(xì)胞高效導(dǎo)航的謎底。這種“形狀記憶”讓細(xì)胞在復(fù)雜環(huán)境中減少了重復(fù)變形的能量消耗，實(shí)現(xiàn)了“智能導(dǎo)航”。這也為理解癌癥轉(zhuǎn)移提供了全新視角：那些擅長轉(zhuǎn)移的侵襲性癌細(xì)胞，是否正是利用了這種“機(jī)械記憶”，才在復(fù)雜的組織環(huán)境中穿梭得更快、更高效？這為未來開發(fā)抑制癌細(xì)胞擴(kuò)散的新策略指明了潛在方向，即靶向調(diào)控其細(xì)胞皮層的動態(tài)結(jié)構(gòu)與記憶能力。該研究顛覆了傳統(tǒng)細(xì)胞遷移模型。“機(jī)械記憶”是細(xì)胞行為的關(guān)鍵變量，將其加入模型后，我們對生命過程的預(yù)測將更加精準(zhǔn)。
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產(chǎn)品推薦 |
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細(xì)胞骨架化合物庫 Cytoskeleton Compound Library 細(xì)胞骨架參與細(xì)胞收縮、遷移、細(xì)胞器及小泡的運(yùn)動、胞質(zhì)分裂、細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，以及其他多種對細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定和生存至關(guān)重要的功能。 |
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MCE 羅丹明標(biāo)記鬼筆環(huán)肽是一種高親和的 F-肌動蛋白探針，與橙色染料四甲基羅丹明 (TRITC) 偶聯(lián)。 |
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Cytochalasin B 是一種能透過細(xì)胞的真菌毒素，能夠與肌動蛋白絲的有刺端結(jié)合，擾亂肌動蛋白聚合物的形成，抑制細(xì)胞遷移。 |
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Cytochalasin D (Zygosporin A) 是一種有效的肌動蛋白聚合抑制劑，可以來源于真菌。 |
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Y-27632 dihydrochloride 是一種具有口服活性的、ATP 競爭性的 ROCK (Rho-kinase) 抑制劑 |
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Latrunculin B 是一種抗菌生物堿，是一種肌動蛋白聚合 (actin polymerization) 抑制劑。 |
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Jasplakinolide 是一種有效的肌動蛋白聚合反應(yīng) (actin polymerization) 誘導(dǎo)劑，可以穩(wěn)定先前存在的肌動蛋白絲。 |
[1] d'Alessandro J, Heuzé ML. 'Memory foam' skeleton in cells helps them to navigate. Nature. 2025 Nov;647(8088):42-44.
[2] Kalukula, Y., Luciano, M., Simanov, G. et al. The actin cortex acts as a mechanical memory of morphology in confined migrating cells. Nat. Phys. 21, 1451–1461 (2025).
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