近日，一篇刊登在國際雜志Proceedings of the National Academy of Sciences上題為“Evolutionarily diverse LIM domain-containing proteins bind stressed actin filaments through a conserved mechanism”的研究報告中，來自芝加哥大學(xué)等機構(gòu)的科學(xué)家們通過研究首次揭示了細(xì)胞中自我修復(fù)的分子機制。

研究者表示，當(dāng)細(xì)胞相互碰撞時，會使其移動并搖晃，甚至有時候會引起細(xì)胞破裂。與橡皮筋拉伸過度就會發(fā)生斷裂不同，過度拉伸的細(xì)胞會開啟自我修復(fù)反應(yīng)。目前研究人員利用顯微鏡就能觀察到這一現(xiàn)象，但問題是目前他們并不清楚細(xì)胞內(nèi)的修復(fù)和適應(yīng)過程是如何被開啟的。這項研究中，揭示了細(xì)胞內(nèi)的特殊蛋白質(zhì)是如何檢測到驅(qū)動力量并開啟修復(fù)過程的。

圖片來源：Tricia Koning/OGPA/UChicago Biosciences

所有的細(xì)胞都擁有肌動蛋白細(xì)胞骨架，即一種絲狀蛋白網(wǎng)絡(luò)，其對細(xì)胞的遷移、生長、伸展等過程都至關(guān)重要。此前研究人員觀察到，細(xì)胞中名為Zyxin的蛋白質(zhì)能夠移動到這些拉伸的肌動蛋白結(jié)構(gòu)中，但并不清楚其是如何發(fā)揮作用的，也不知道這種蛋白的功能到底有多廣泛。

研究者發(fā)現(xiàn)，包括Zyxin和單細(xì)胞裂殖酵母蛋白paxillin在內(nèi)的動物蛋白能夠檢測肌動蛋白細(xì)胞骨架中受壓的材料。當(dāng)在實驗室中施加機械力后，這些蛋白質(zhì)會立即聚集在其需要修復(fù)的地方周圍，并能與肌動蛋白絲的拉伸構(gòu)象直接結(jié)合。

研究者表示，記錄這些蛋白質(zhì)的行為過程才能夠開發(fā)出完美的檢測手段，并利用純化的組分在細(xì)胞外部成功重現(xiàn)其自我修復(fù)的過程。利用計算機程序，研究人員就能梳理出人類基因組的特性，并從中分離到可能參與了上述過程的特殊蛋白。

研究者發(fā)現(xiàn)，被稱為LIM蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域家族就在基因組中出現(xiàn)了70多次，這就表明，其或許與人類進(jìn)化密切相關(guān)。隨后在實驗室中，研究人員利用激光作為一種人工方法來模擬諸如拉伸等驅(qū)動力對細(xì)胞所造成的損傷，此外他們還在每一個LIM蛋白上添加了熒光標(biāo)簽，并用高倍顯微鏡來觀察細(xì)胞的修復(fù)過程。

研究者發(fā)現(xiàn)，一旦細(xì)胞發(fā)生破裂，人類基因組中編碼的70多種LIM結(jié)構(gòu)域蛋白就會快速響應(yīng)并檢測損傷，隨后聚集到患處。顯然，LIM的驅(qū)動力敏感性是廣泛存在的，同時還能夠通過進(jìn)化被復(fù)制并粘貼到多種蛋白質(zhì)中。

研究者Winkelman表示，目前我們正在含有成千上萬種不同類型蛋白質(zhì)的高度復(fù)雜細(xì)胞中分析這類蛋白所產(chǎn)生的檢測和修復(fù)反應(yīng)，然而為了真正理解該過程，我們還需要純化必要的組分并在細(xì)胞外重建整個過程。隨后研究人員利用了一種名為“全內(nèi)反射熒光顯微鏡”的技術(shù)和一個復(fù)雜的過程創(chuàng)建了其所需要蛋白質(zhì)的純化樣本，而這在以前是他們從未進(jìn)行過的。

研究者表示，我們能在酵母和哺乳動物細(xì)胞中觀察到了LIM所接到的力量感應(yīng)效應(yīng)，這就表明其是一種受進(jìn)化保護和傳播的古老功能，這種高度保守的機制似乎能被其它過程用來感知細(xì)胞中的驅(qū)動力。

通過LIM結(jié)構(gòu)域所介導(dǎo)的細(xì)胞驅(qū)動力感應(yīng)機制或許能指導(dǎo)除了細(xì)胞修復(fù)外的其它多種細(xì)胞過程，比如控制細(xì)胞增殖、細(xì)胞遷移以及需要研究人員更深入探討的多樣化信號通路。

參考資料：

【1】Jonathan D. Winkelman et al. Evolutionarily diverse LIM domain-containing proteins bind stressed actin filaments through a conserved mechanism， Proceedings of the National Academy of Sciences (2020). DOI：10.1101/2020.03.06.980649

【2】For the first time， scientists demonstrate self-repair mechanism in cells

by Maureen McMahon， University of Chicago