细胞信号传导

细

胞

信

号

传

导

学院：园艺学院

专业：设施园艺专业

姓名：元晓房

学号：20112433

细胞通讯的研究进展

细胞是生物有机体结构和功能的基本单位，无论是单细胞生物还是多细胞生物都是由细胞构成的。细胞间通讯（cell communication）是指一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应的反应[1]。细胞间通讯不仅对于单细胞生物群体的社会性的维持,而且对于多细胞生物的分化和发育以及相应生理状态的呈现和改变都存在着深远的影响[2,3]。依据参与细胞间通讯的细胞的类型,细胞间通讯可分为三类:真核细胞和真核细胞之间的通讯,原核细胞和原核细胞之间的交流,真核细胞和原核细胞之间的相互作用[3,4,5]。应该说，正是由于在漫长的进化过程中细胞间通讯方式的不断变化并趋于多样和精巧，才使得细胞与细胞之间

形成了丰富的信息交流形式和复杂的信号传导网络，从而使原核生物和真核生物能够更好的生存和繁衍。

1 真核细胞与真核细胞之间的通讯

所有的动物和植物都是真核生物，大多数动物和植物还是多细胞生物，因此真核细胞间的相互作用直接影响着动物和植物的生长和发育。真核细胞间的相互作用不仅在方式上花样繁多而且各条信号通路相互之间往往形成网络从而使真核细胞之间的通讯变得丰富和精巧。植物细胞间的胞间连丝，动物体内相邻细胞间的膜表面黏附分子的直接接触，特征性的间隙连接以及高等动物体内的神经突触，激素调节等都是非常重要但相对研究的比较成熟的细胞间信息交流方式[1,2]。因此，本部分将不再对它们作详细介绍，而主要集中于当前研究中非常热门但相对不是非常为人熟知的真核细胞间的通讯方式----细胞通道（intercellular channel）。细胞通道不仅对于细胞间的交流同时对于多细胞有机体的发育和形态建成都是必要的[5]。

胞间连丝（plasmodesmata）和小管（nanotubular）分别是植物细胞和动物细胞的细胞间通道，两者的共同点是它们都是由肌动蛋白组成的细胞骨架支持并排除微管的参与[4]。植物细胞间的胞间连丝是相邻的植物细胞之间大分子物质的运输通道[2]。借助胞间连丝植物细胞的细胞质可以直接进行交流，从而使植物细胞间形成超细胞的整体性结构，因此胞间连丝曾被认为是植物细胞特有的细胞质直接联系的细胞间通讯方式[5]。然而借助3D动态显微镜（3D live microscopy），Gerdes 和他的同伴在体外培养的PC12 细胞中观察到高度精巧和动态的细胞间通道，通道建立在两个细胞之间，依赖于肌动蛋白，主要协助在细胞间选择性地转运胞内体来源的小泡，可以观察到以肌球蛋白驱动的胞内体小泡从通道小管的一侧进入从另一侧游出[6]。Frantisˇek Balusˇka 等人的研究表明动物细胞之间形成的这种小管富含肌动蛋白但是缺乏微管，因此又被称作隧道小管（tunnelling nanotubes），简写为TNTs[5]。这一发现使人们认识到，在动物细胞之间也可能形成类似植物细胞的胞间连丝的结构，从而使动物细胞的细胞质也能够实现直接的交流。研究还发现肌动蛋白的多聚化与TNTs的形成直接相关[6]，而另一方面，动物细胞的膜表面能经常性的形成一些以肌动蛋白为动力的特征性突出，包括microspikes , microvilli , stereocilia and filopodia[7]。而在海胆原肠胚形成过程中丝状伪足能够快速的伸出和缩回[8]。病理的黑色素细胞表面伸出的丝状伪足中含有分泌物质,

而相关的角化细胞能够内吞黑色素[9]。由此，可以推测，动物细胞表面经常性的突出可能与TNTs形成相关，它们更像是细胞对于环境状况的不断探测，并根据具体的环境状况决定是否相联接以形成TNTs从而与相邻的细胞进行交流。但动物体内细胞之间通讯的真实的情况是否如此，还有待于进一步的研究。另外，多项研究表明TNTs往往与胞内体小泡相关，推测动物细胞间形成的小管可能是细胞之间胞内体（endosomes）和膜包被的病原体在细胞间转运的通道[4]。因此，隧道小管的存在可以解释一些曾经困惑着科学家们的问题，例如形态素梯度的建立，内含黑色素的溶酶体从黑色素细胞到角质细胞的转运以及动物组织中细菌和病毒的转运[9,10,11]。动物细胞间的隧道小管的研究还处于初步阶段，目前尚不能断言其存在的真实性。但是假设隧道小管存在的话，动物细胞间除了间隙连接以外直接联系通道的存在能够为动物细胞内大分子的运输提供新的解释，另一方面，与植物细胞间的胞间连丝的有很大相似性的隧道小管的存在也为动物细胞之间形成形如植物细胞间的超细胞结构提供了可能，并为植物和动物细胞间信号传导机制的进化关系方面的研究提供了新的思考空间。

2 原核细胞与原核细胞的交流

与真核生物不同，原核生物以单细胞的形式存在，但是往往形成群落。原核细胞相对于真核细胞而言结构相对简单，原核细胞之间的通讯主要表现在群体生存中为了维持社会性的稳定在细胞之间进行的信息交流。由于原核细胞通常以单细胞的形态发挥特有的生物学功能，细胞间的通讯在强度和花式上多不及多细胞有机体中的真核细胞，因此原核细胞之间的通讯研究相对比较少。本部分内容将集中介绍最近研究相对比较热门的细菌间的细胞通讯形式――群体感应（Quorum sensing，QS）。

群体感应首先被Fuqua等运用，描述一种在细菌群体中存在的特殊形式的细胞间通讯方式，表现在特定的基因在达到了一定浓度的信号分子----自诱分子（autoinducer）的刺激下以细胞群体密度依赖的方式进行协调表达[12]。群体感应的完成经历合成，分泌，感知和对阈值浓度的信号分子的反应的一系列过程。在群体感应现象中，细菌之间通过自诱分子的信号传递进行相互交流以协调它们在群体中的行为和功能。群体感应控制的行为只能发生在高的细胞群体密度，这种行为在仅有单个细菌存在时不能发生,而只能在细胞群体中当多个细胞的能够同时行动时发生。因此,这一机制被认为是群体参与的过程[13]。细胞外刺激性分子--自诱分子积累也只能发生在足够数量的细胞群体中。另外值得一提的是，群体感应不仅发生在同种细菌之间也能发生在异种细菌之间[14]。多样的分泌性化学信号分子和信号感知装置协助完成这种种内和种间的信号交流。目前的研究表明至少一部分细菌是借助于这种特异的，可扩散的信号分子――自诱分子进行细胞间的通讯的[12]。QS 系统调控细菌许多重要的生理功能，包括生物发光、Ti 的接合转移、生物膜的形成、对寄主的致病性等[15]。

目前研究表明有三种群体感应的系统[16]。第一，典型的葛兰氏阴性菌的自诱分子为由LuxI-type 酶参与合成的酰化高丝氨酸内酯(acylated homoserine lactone ,AHL)，胞内合成的自诱分子经被动扩散过细菌质膜，在细胞外语细胞内表现为与细胞浓度成一定比例的积累。