慕尼黑路德维希·马西米兰大学 信用:CC0公共领域 位于慕尼黑的LMU大学的生物物理学家开发了一种新理论，该理论解释了细胞可以感知自身形状的观察，并利用这一信息来指导细胞内蛋白质的分布
许多细胞过程严重依赖于细胞膜上蛋白质的精确分布和模式
各种研究表明，除了蛋白质相互作用和转运过程，细胞形状也可以对细胞内模式的形成产生相当大的影响
相反，在一些图案化过程中，任何对细胞形式的依赖都是有害的
以海星卵母细胞为模型系统，由欧文·弗雷教授领导的LMU物理学家现在已经解释了面对细胞形状的剧烈变化，强健的蛋白质模式是如何出现的
弗雷和他的同事在《自然物理学》杂志上报道了一项新的研究，细胞内形成的浓度梯度本身编码了细胞的形状信息，并被自组织蛋白质模式解码
海星卵母细胞相对较大且透明，因此非常适合生化研究
就在减数分裂细胞分裂之前，一波膜收缩沿着细胞膜向细胞不对称分裂的位置传递
这种收缩波是由被称为Rho的膜结合酶触发的，该酶的活性以脉冲的形式在膜上传播
这种波从卵母细胞的植物极发展到动物极，也就是细胞核所在的地方，并随着波的到来不对称地分裂
为了研究细胞形状变化对这一过程的影响，研究人员将单个卵母细胞放入不同形状的微室中，从而迫使细胞采用每个容器边界强加的几何形状
“我们发现，虽然Rho激活脉冲在变形细胞中以相应改变的方式传播，但它总是到达细胞核所在的位置，”弗雷说
“这一引人入胜的观察证明，Rho脉冲识别细胞的形状并适应它
" 自组织蛋白质模式可以解码关于细胞形状的信息 为了理解这种非凡适应性背后的机制，研究小组继续发展了一种解释这一发现的生物物理理论
该模型基于早期的发现，即细胞周期调节剂Cdk1不对称地分布在卵母细胞细胞质中，在那里它形成从细胞核延伸到细胞质并随时间衰减的浓度梯度
这种梯度使膜上的蛋白质能够适应细胞的形状
“关键的见解是，激活Rho的蛋白质测量靠近膜的梯度，并标记梯度的阈值浓度:它在膜上形成类似锋的浓度分布，使得锋正好位于阈值浓度
在这个前端位置，Rho激活器反过来局部触发Rho的活动脉冲
这篇文章的第一作者之一威格斯说
随着梯度的衰减，该阈值的位置根据细胞形状以不同的速度沿膜移动
因此，通过这一层次的蛋白质浓度分布，梯度中编码的形状信息转化为机械化学反应——穿过膜的收缩波
“我们的结果强调了蛋白质层次模式的自组织对于理解生物功能的重要性，”弗雷说
实际上，作者已经整合了蛋白质模式形成领域的两个主要范例——基于反应扩散机制的自组织和位置信息的利用
“我们相信，这种利用蛋白质模式的层次结构来编码反映细胞形状的信息的机制，可以代表识别和调节细胞形状的一般物理原理，”弗雷总结道
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