Nano-bio interface 生物物理 科學報導

環境中的「地形」可促使細胞移動

細胞的變形蟲運動具備多種不同的推進機制,其中,整聯蛋白( integrin )家族的蛋白質能以附著( adhesion ) 的方式讓細胞內部的肌動蛋白( actin ) 細胞骨架與外部的環境連動,使細胞前進。但亦有研究發現,白血球在低附著的狀態下也能快速移動 [1-3] ,因此奧地利科技研究所 ( Institute of Science and technology Austria ) Sixt 教授的團隊便深入探討 integrin 以外的細胞移動機制 [4]。

該團隊以小鼠 T 細胞株進行研究,將與 integrin 一同作用的的接合蛋白 Tln1 剔除後,發現細胞在 2D 的平面環境下因為附著力低而難以移動,但在 3D 的膠原蛋白膠中移動的情況卻跟 wild-type 細胞不相上下。為了模擬淋巴管和組織中的環境,團隊讓細胞通過內面地形較複雜的管柱,發現 Tln1 基因剔除的細胞可在內面起伏的管柱中移動,但在平滑的區段卻難以移動;隨著管柱的起伏間距逐漸拉長 ( 6-24 μm ),細胞的移動速度也逐漸減慢,間距長達 24 μm 時便無法進入最後的平滑區段(圖一)。

圖一:細胞移行實驗所使用的管柱構造。管柱分成不同區段,包含起伏間距為 6、12、24 和 ∞(平滑區)μm 的區段。圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41586-020-2283-z

團隊也以螢光追蹤 F-actin 來偵測細胞的 actin 反向流動 ( retrograde actin flow ) 速度,發現管柱的起伏間距愈長,細胞的 actin 反向流動速度愈高,表示地形會對其造成影響。根據這些結果,團隊提出模型解釋細胞在複雜地形中有非附著式的移動機制(圖二)。在平滑的環境中,actin 細胞骨架與環境之間沒有連動,儘管細胞有較高的反向流動還是無法前進;但在地形複雜的環境中,地形使得 actin 的流動產生彎曲,進而造成剪應力 ( shear stress ),只要起伏的間距 λ 小於 actin 反向流動的波長 L,剪應力就能推動細胞前進。

圖二:非附著式之細胞移動模型,左為細胞骨架與環境間缺乏連動,右為細胞骨架與環境在起伏的管柱中連動。紅色:actin所在區域;λ:起伏間距;L:actin反向流動的波長;黑色箭頭:actin的流動方向;U:細胞速度。圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41586-020-2283-z

最後,團隊將細胞放在一鈍化過(讓 integrin 無法附著)但具有刻紋的平面上,發現細胞的移動方向跟刻紋垂直,且與刻紋平行的 actin 會反向流動,但與刻紋垂直的 actin 則不會,顯示細胞能在不使用 integrin 的情況下以垂直刻紋的方向與外界連動。

這項研究揭開了細胞內外力量傳輸的新機制。不過,團隊也指出,仰賴 integrin 附著的力量傳輸、摩擦力和細胞的變形並非互相排斥的機制,而是細胞連動內外的不同方式,細胞可交替或同時使用,在非均質的環境中移行。

參考文獻:

  1. Lämmermann, T. & Sixt, M. (2009). Mechanical modes of ‘amoeboid’ cell migration. Curr. Opin. Cell Biol. 21, 636–644. DOI: 10.1016/j.ceb.2009.05.003.
  2. Liu, Y.-J. et al. (2015). Confinement and low adhesion induce fast amoeboid migration of slow mesenchymal cells. Cell 160, 659–672. doi: 10.1016/j.cell.2015.01.007.
  3. Friedl, P. & Wolf, K. (2010). Plasticity of cell migration: a multiscale tuning model. J. Cell Biol. 188, 11–19. DOI: 10.1083/jcb.200909003
  4. Reversat, A. et al. (2020). Cellular locomotion using environmental topography. Nature 582, 582–585.  DOI: 10.1038/s41586-020-2283-z

撰文|陳柔含
審稿|周文鴻

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陳 柔含

陳 柔含

臺大生化科技學系畢業,喜歡親近山林,與人進行深度的對話。預計用一輩子的時間來了解生命和世界,透過藥物研發與翻譯工作把收穫傳遞給更多的人。

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