細胞遷移

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細胞遷移(英文:cell migration,與cell locomotion同義,中文也有譯作細胞移行、細胞移動細胞運動)指的是細胞在接收到遷移信號或感受到某些物質濃度梯度后而產生的移動。過程中細胞不斷重複著向前方伸出突足,然後牽拉胞體循環過程。細胞骨架和其結合蛋白是這一過程的物質基礎,另外還有多種物質對之進行精密調節

目 錄1簡介

2研究歷史

3研究技術

4參與細胞遷移分子

5信號分子

5.1 細胞外

5.2 細胞內

5.3 細胞骨架

5.4 微絲和其結合蛋白

5.5 微管

5.6 中間纖維

5.7 分子馬達

5.8 過程簡述

6過程詳細機制

6.1 運動方向的確定和極化

6.2 化學趨向性

6.3 路標信號

6.4 極化

6.5 運動四步驟

6.6 細胞前端突出

6.7 突出與底質的粘著

6.8 細胞體前移

6.9 牽引尾部往前

6.10 與之有關的生理過程

6.11 胚胎髮生

6.12 損傷修復

6.13 細菌感染

6.14 白細胞滲出

6.15 癌症轉移

7開關調節

1簡介若以移動方式與型態來比較,細胞遷移是通過胞體形變進行的定向移動, 細胞遷移

這有別于其他﹔如細胞靠鞭毛纖毛的運動、或是細胞隨血流而發生的位置變化,而且就移動速度來看,相比起后兩者,細胞遷移要慢得多。舉例而言:成纖維細胞的移動速度為1微米/分,若以XX的平均遊動速度56.44微米/秒,即3384微米/分來比較,兩者約差距3000倍以上。角膜細胞(Keratocyte)即使比成纖維細胞快十倍,但是要完成從不來梅到漢堡這93公里的路程仍需要17123年。而且細胞用力甚輕。成纖維細胞胞體收縮的力只有2×10-7牛頓,而角膜細胞的則是2×10-8牛頓(一牛頓約為人用手舉起一雞蛋所用的力)。

但此細胞遷移「步緩力微」的運動特性,卻是細胞覓食、損傷的痊愈、胚胎髮生、免疫、感染和癌症轉移等等生理現象所涉及到的。因此細胞遷移是目前細胞生物學研究的一個主要方向,科學家們試圖通過對細胞遷移的研究,在阻止癌症轉移、植皮等醫學應用方面取得更大成果。也因為細胞遷移獨有的運動特性,成為今生物學熱門研究方向。

最新研究發現:Nudel蛋白在細胞遷移過程中通過Cdc42GAP調節Cdc42的活性,從而揭示了一條新的調節Cdc42的信號通路,對於深入了解細胞遷移的調節機制有重要意義。

移動過程中,細胞不斷重複著向前方伸出突觸,然後牽拉後方胞體的循環過程。細胞骨架和其結合蛋白,還有細胞間質是這個過程的物質基礎,另外還有多種物質會對之進行精密調節。細胞遷移是通過胞體形變進行的定向移動,因此細胞遷移的移動速度很慢。但此細胞遷移「步緩力微」的運動特性,卻是細胞覓食、傷口痊愈、胚胎髮生、免疫反應、感染和癌症轉移等生理現象所涉及到的。因此細胞遷移是目前細胞生物學研究的一個主要課題科學家們試圖通過對細胞遷移的研究,在阻止癌症轉移、異體植皮等醫學應用方面取得更大成果。也因為細胞遷移獨有的運動特性,成為今生物學熱門研究方向。

2研究歷史1675年,顯微技術的先驅人物安東尼·凡·列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek)往英國皇家學會寄出一封信,裡面描寫了細菌的運動。這封信可以說是打開了科學家對細胞遷移研究的第一頁。在往後這300多年時間,人們就一直試圖去理解細胞遷移過程的細節

而細胞遷移的關鍵物質—細胞骨架則要等到20世紀才被發現。雖然1939年科學家阿爾伯特·山特吉爾吉(A. Szent-Györgyi)就已發現細胞骨架的成分肌動蛋白和肌球蛋白,但是因為電子顯微鏡製作樣本時需要對樣品進行0到4℃的低溫固定,在這樣的溫度下細胞骨架會被破壞,即所謂的「解聚」。所以當時認為細胞質不過是一「蛋白湯」,各種細胞器懸浮於細胞質液(Cytosol)中。但在60年代后,人們使用戊二醛常溫固定的方法開始逐漸發現細胞骨架。科學家發現,細胞骨架在這個細胞遷移過程起到承載和支撐的作用。在20世紀末21世紀初,科學家對細胞遷移複雜機理的認識有了非常大的進步,對細胞與基質的粘著,非對稱性極化和胞內分層運動都有了進一步的了解。但是整個過程其實仍未被了解透徹,很多中間過程就是連起作用的物質都未明。科學家對其中部分需要進行假設,再進一步通過實驗去證實。

3研究技術為了研究某一蛋白質在細胞遷移中所扮演的角色,一般來說科學家可以將某蛋白的編碼基因進行突變,甚至應用新近的RNAi現象,或者加入該蛋白質的阻斷劑(inhibitor)來抑制某一個蛋白質的表現,並分析此抑制對於細胞遷移的影響,反而得知被抑制的蛋白質與細胞遷移的作用。

新科技對細胞遷移研究起到了極大的推動作用。科學家通過ECIS技術(Electric Cell-substrate Impedance Sensing;電子細胞基質阻抗判斷)可以觀察到細胞在傳統細胞培養甚至是液體環境中的移動行為。根據ECIS技術觀測細胞電學參數的能力,ECIS技術還可以量化測量腫瘤細胞遷移過程中細胞層形態變化。同樣是在腫瘤研究領域,ATIM(Fluorescence- Assisted Transmigration Invasion and Motility Assay,熒光協助轉移侵入和運動分析法) 提供了快速定量細胞侵入(細胞從一個區域XX另一區域)的更好方法,允許檢測大量樣品和不同條件下時間依賴性侵入。更重要的是,這一系統可以方便地通過在多孔膜上增加胞外基質的厚度來監測細胞侵入結構的深度。韓國延世大學的朴宗哲和朴峰珠則發展出一套細胞跟蹤系統。它是由電腦輔助的時間流逝顯示微觀複製系統,其中有影象形成過程軟體,其程序編製含有自動影象分析和自設計CO2微小細胞培育器,它的功能是在一個倒置顯微鏡平台上,對於細胞遷移進行迅速而精確的分析,從而形成對於細胞的培育。目前已知他們運用這一電腦輔助系統計算了外細胞間質(ECMs)覆蓋表面的細胞遷移過程。

斑馬魚是目前在該領域最常用於研究的生物。細胞遷移是脊椎動物胚胎髮育的核心過程之一。細胞從原分裂生成部位移動到目的部位就是細胞的遷移。斑馬魚有著很大的優勢,首先是其胚胎能在母體發育,速度快,XX24小時後身體器官已大部分就位。而且斑馬魚繁殖量大,容易對之進行變異。還有其胚胎透明,在高解析度快進攝影技術的幫助下,人們可以很好的觀察到細胞遷移的過程,還可以利用綠色熒光蛋白(GFP)可以觀察到細胞在斑馬魚體內分佈情況。

4參與細胞遷移的分子細胞遷移需要內外因素配合。外部的因素指的是細胞外的信號分子。內部因素則指細胞的信號傳導系統和執行運動的細胞骨架和分子馬達,還有參與粘著斑形成的各種分子(關於參與形成粘著斑的各種分子請見突出與底質的粘著)。細胞外信號結合胞膜受體完成其使命后,需要細胞內信號分子接力,將運動信息進一步傳給細胞遷移的執行單位——細胞骨架和分子馬達。種類繁多的細胞內信號分子會相互作用,影響後述這兩種分子的分佈,結構和活性,達到精細調整細胞運動的目的。

5信號分子細胞外在一定條件下,細胞外的化學信號能引發細胞的定向移動。這些信號有些時候是底質表面上一些難溶物質,有些時候則是可溶物質。信號分子有很多,可以是肽,代謝產物,細胞壁或是細胞膜的殘片,但是作用方式卻是一樣的,就是與細胞膜表面上的受體結合,啟動細胞內信號,完成一系列的反應,去激活或抑制肌動蛋白結合蛋白的活性,最終改變細胞骨架的狀態。可溶物質通常不是均勻溶解溶劑中,而是靠近源的區域濃度高,遠離源的區域濃度低,形成所謂的「濃度梯度」。細胞膜上的受體可感受到那些被稱為化學趨向吸引物(chemotactic attractant),並且逆著它們的濃度梯度去追根尋源。某些信號分子甚至會影響細胞移行的速度,這些信號分子則被稱為化學趨向劑(chemokinetic agent)。細胞這種因化學分子改變自己移動的行為,被稱為化學趨向性。例如盤基網柄菌(Dictyostelium discoideum)會逆著cAMP濃度梯度的運動。白血球也會受到一些細菌分泌的三肽化學物質f-Met-Leu-Phe(N-甲酰蛋-亮-苯丙氨酸)吸引而往細菌移動,發揮其免疫功能。而在胚胎髮生中的神經嵴細胞則並非靠濃度梯度,而是路標物質識別去向(請見下文「路標信號」一節)。

但是細胞外基質中也存在著一些蛋白,如硫酸軟骨蛋白多糖(chondroitin sulfate proteoglycan)會與神經細胞的粘著蛋白起作用,對細胞遷移形成阻滯。它會抑制脊髓損傷患者神經損傷區域新突觸的相連與再生。

細胞內胞外信號種類繁多,但是當它們與細胞膜上受體結合之後,細胞內起作用的途徑卻只有有限的幾種。而與細胞遷移有關的信號傳導過程如下:信號分子結合到膜上受體,或者是激活與受體偶聯的蛋白質—大G蛋白,或者先是激活受體酪氨酸激酶,再激活下游的小G蛋白Ras。G蛋白是一個很大的家族,包括Rho,Rac,Ras等小家族,它們在細胞中扮演著信號傳導開關的角色。當它們與GDP結合時,呈現失活狀態。在鳥嘌呤交換因子(英文:Guanin exchange factor,簡稱GEF)的幫助下,G蛋白脫離GDP並與GTP結合,XX激活狀態。G蛋白的GTP會被GTP酶激活蛋白(英文GTPase-activating proteins,簡稱GAP)水解,並釋放出其中的能量,讓G蛋白行使其功能。就是說,G蛋白通過這一GTP/GDP循環在激活/失活狀態中迴旋,傳遞信號。當G蛋白被激活后,它下游的多種分子會被激活。從插圖2中可見,這些下游分子本身會形成網路,相互制約,或者是相輔相成。它們調控著細胞遷移中各個方面。它們作用的詳細情況請見文章中的相應章節。 胞內信號分子的作用網路

致癌物質也可以通過這些信號傳導通路發揮其負面作用,如強烈致癌物質佛波酯(Phorbol ester)。佛波酯會不可逆地激活細胞的RasGRP3/4,以激活Ras,Ras會再激活蛋白激酶C(Protein kinase C,PKC)。後者是調節細胞分裂分化的酶。它被佛波酯不正常的激活,有可能對癌症的產生起促進作用。研究還發現,佛波酯對黑素瘤(melanoma)細胞轉移到肺部有促進作用。而細菌者,如志賀氏菌會在宿主胞膜上打洞,向細胞質注入效應蛋白質,激活宿主Rac和Cdc42,調整細胞的微絲網路,以使自己順利XX宿主內。

細胞骨架細胞骨架的定義分為狹義和廣義兩種,前者是微絲,微管和中間纖維的總稱,它們存在於細胞質內,又被稱為「胞質骨架」。後者還包括細胞外基質(extracellular matrix),核骨架(nucleoskeleton)和核纖層(nuclear lamina)。細胞骨架是細胞內運動,細胞器固定,細胞外型維持,信號傳導和細胞分裂的物質基礎之一。

微絲和其結合蛋白微絲是由肌動蛋白 微絲是由雙股單鏈扭曲而成的

(Actin)組成的直徑約為7nm纖維結構。肌動蛋白單體(又被稱為G-Actin,全稱為球狀肌動蛋白,Globular Actin,下文簡稱G肌動蛋白)為球形,其表面上有一ATP結合位點。肌動蛋白單體一個接一個連成一串肌動蛋白鏈,兩串這樣的肌動蛋白鏈互相纏繞扭曲成一股微絲。這種肌動蛋白多聚體又被稱為纖維形肌動蛋白(F-Actin,Fibrous Actin)。

微絲能被組裝和去組裝。當單體上結合的是ATP時,就會有較高的相互親和力,單體趨向于聚合成多聚體,就是組裝。而當ATP水解成ADP后,單體親和力就會下降,多聚體趨向解聚,即是去組裝。高ATP濃度有利於微絲的組裝。所以當將細胞質放入富含ATP的溶液時,細胞質會因為微絲的大量組裝迅速凝固成膠。而微絲的兩端組裝速度並不一樣。快的一端(+極)比慢的一端(-極)快上5到10倍。當ATP濃度達一定臨界值時,可以觀察到+極組裝而-極同時去組裝的現象,被命為「踏車」。

微絲的組裝和去組裝受到細胞質內多種蛋白的調節,這些蛋白能結合到微絲上,影響其組裝去組裝速度,被稱之為微絲結合蛋白(association protein)。

微絲的組裝先需要「核化」(nucleation),即幾個單體首先聚合,其它單體再與之結合成更大的多聚體。Arp複合體(Arp:Actin related-protein)是一種能與肌動蛋白結合的蛋白,它起到模板的作用,促進肌動蛋白的多聚化。Arp複合體由Arp2,Arp3和其它5種蛋白構成,也寫成Arp2/3複合體。

封閉蛋白(end-blocking protein)則是微絲兩端的「帽子」。當這種蛋白結合到微絲上時,微絲的組裝和去組裝就會停止。這對一些長度固定的蛋白來說很重要,如細肌絲

而前纖維蛋白(Profilin,或譯G肌動蛋白結合蛋白)則是促進多聚的,相應地促解聚的蛋白則有絲切蛋白(Cofilin)。纖絲切割蛋白(filament severing protein),如溶膠蛋白(Gelsolin),能將微絲從中間切斷。粘著斑蛋白(Vinculin)則能固定微絲到細胞膜上,形成粘著斑。交聯蛋白(cross-linking protein)有兩個以上肌動蛋白結合位點,起到連接微絲的作用,其中,絲束蛋白(fimbrin)幫助微絲結成束狀,而細絲蛋白(filamin)則將微絲交聯成網狀。

微管微管是另一種具有極性的細胞骨架。它是由13 條原纖維(protofilament)構成的中空管狀結構,直徑22—25nm。每一條原纖維由微管蛋白二聚體線性排列而成。微管蛋白二聚體由結構相似的α和β球蛋白構成,兩種亞基均可結合GTP,α球蛋白結合的GTP 從不發生水解或交換,是α球蛋白的固有組成部分,β球白結合的GTP 可發生水解,結合的GDP 可交換為GTP,可見β亞基也是一種 G 蛋白。微管和微絲一樣,具有生長速度較+端和較慢的-端。微管在細胞內起支撐作用。另外它還是兩種運載分子:驅動蛋白(Kinesin)和發動蛋白(Dynein),的行走軌道。微管,可能連帶負在其上的發動蛋白會發放信號促進粘著斑的解聚,後者是粘著斑的周轉和尾部與底質分離過程中重要的一步。

中間纖維中間纖維(intermediate filaments,IF)直徑10nm 左右,介於微絲和微管之間。與后兩者不同的是中間纖維是最穩定的細胞骨架成分,它主要起支撐作用。中間纖維在細胞中圍繞著細胞核分佈,成束成網,並擴展到細胞質膜,與質膜相連結。中間纖維沒有正負極性。

角蛋白是中間纖維中的一類,分子量約40~70KD,出現在表皮細胞中,在人類上皮細胞中有20 多種不同的角蛋白,分為α 和β 兩類。角蛋白賦予細胞體一定的剛性。癌細胞需要對角蛋白進行重新分佈,以使自身變得柔韌,可以通過基底膜血管壁上的細小孔洞。

分子馬達分子馬達(Motorprotein)是一類蛋白質,它們的構象會隨著與ATP和ADP的交替結合而改變, ATP水解的能量轉化為機械能 ,引起馬達形變,或者是它和與其結合的分子產生移動。就是說,分子馬達本質上是一類ATP酶。例如肌肉中的肌球蛋白(Myosin)會拉動粗肌絲向中板移動,引起肌肉收縮。而另外兩種分子馬達:驅動蛋白(Kinesin)和動力蛋白(Dynein),它們能夠承載著分子「貨物」——如質膜微粒,甚至是線粒體溶酶體,在由微管構成的軌道上滑行,起到運輸的作用。例如驅動蛋白的重鏈則會運輸參與粘著斑解聚過程的信號物質。所以在驅動蛋白的重鏈受到抑制的情況下,粘著斑會比正常情況下顯得更大。

肌球蛋白是微絲結合蛋白,最早發現于肌肉組織,1970年代后逐漸發現許多非肌細胞的肌球蛋白。其家族有13個成員,每個成員在結構上都分為頭,頸和尾部三個部分,形似豆芽,而組成上則有輕重兩種鏈。其中的調節輕鏈(regulatory light chain)是肌球蛋白接受調解的位點,就是說,調節輕鏈的磷酸化/去磷酸化狀態影響著肌球蛋白的活性。其中I和Ⅱ型是研究得最徹底的分子馬達。一些細胞具有突變的肌球蛋白,它們能正常伸出偽足,但是卻不能成功移動。I型肌球蛋白是單體,Ⅱ型和V型則是二聚體。趨向微絲的+極運動。蛋白的頭部能就尾部作屈伸運動,並在「屈」的時候拉動微絲相對向後運動。肌球蛋白除了參與肌肉收縮外,還被認為是細胞遷移所需的重要分子之一。肌球蛋白非常可能參與了「前進的四個步驟」裡面胞體收縮一步。另外,在細胞突出一端也可觀察到肌球蛋白,它可能是幫助運輸粘著所需要的蛋白質,提高粘著效率。

過程簡述細胞遷移的過程可以用右圖闡明。細胞遷移是一系列生理程序的集合,接收到外界信號后(關於外界信號作用於細胞的過程,請見運動方向的確定和極化),細胞內每一個階段都要相應的蛋白質在適當的位置被激活。這一連串的蛋白質的活化並不是同時平行進行,而是有先後順序的。處於懸浮狀態的成纖維細胞,會處於一種所謂閑逛(random walk)狀態,或者被稱之為處於各向同性伸展期(Isotropic spreading phase),它在不斷伸出偽足后又不斷將之收回,可能是要在就近一探其究竟。細胞或者是靠外界信號物質濃度梯度(請見化學趨向性),或是利用某些特定分子作為路標信號,確定前進的方向。細胞內部的分子會因應需要發生變化,一些蛋白質和離子會重新排列,顯示出不均勻分佈,就是出現了所謂的極性,而這個過程請見極化。

值得一提的是,細胞在前進的過程中,可以不斷改變其前進的方向。在顯微鏡下觀察大腸桿菌(Escherichia coli)尋找食物時的運動,可見細胞先向前直線移動一段時間,然後會停下來並且調整一下方向,然後又再作直線移動。如此不斷反覆。可見細胞內調控能力的有效和精確。

細胞極化后,細胞的前端會伸出極狀足(請見細胞前端突出)。極狀足伸出后,會與細胞前方的底質附著;粘著處會形成一種固定結構,名曰粘著斑(請見突出與底質的粘著)。此時,胞體主體會被牽拉向前(請見細胞體前移);最後細胞的後端與底質剝離(請見牽引尾部往前)。這樣前進的4個步驟完成,並準備下一次循環。

不同的細胞,它們直線運動的速度和持續的時間是不同的。使用分子干擾技術可以很好的研究這兩者。一般來說,細胞直線前進速度越慢,其保持直線運動的時間就越長,例外是魚的上皮細胞,它能夠在快速遷移的同時,顯示出長時間保持直線運動的能力。

6過程詳細機制運動方向的確定和極化細胞要「有效」的運動,首先要確定哪裡是「前方」,否則會出現細胞體兩部分同時向相反方向運動的情況(這在一些神經系統不發達的無脊椎動物中是可以見到的)。而這個確定方向的過程,其實是細胞內與運動有關的物質,如鈣離子,肌球蛋白,和各類細胞骨架物質的濃度重新分佈的過程,因此細胞顯出「極性」,這個重新分佈的過程也因而被稱為細胞「極化」(Polarization)。細胞可以靠其表面的受體順著誘餌的濃度「嗅」到其發放的源頭,或者「感受到」底質上的「路標」而確定自身去向,前者被稱為細胞的化學趨向性。這兩種機制好比一個人或者是順著樓梯行進或是依著路標的指示駕駛一樣。

化學趨向性細胞的化學趨向性是指細胞具有沿著外界某一物質的濃度朝向或是背離發放源運動,甚至形變的能力,這是一種基本的細胞反應。例如黏菌盤基網柄菌(Dictyostelium discoideum)會憑這種能力去尋找外界的養料,哺乳動物細胞在這方面的行為和它很相似。當細胞飢餓時,它會極化並且在周圍尋找環磷酸腺苷(3,5-cyclic adenosine monophosphate),簡稱cAMP。細胞膜上有四種cAMP受體,分別被命名為cAR1—cAR4。它們和膜內其中的「分子開關」——三聯體大G蛋白(G Protein,三個亞基被稱為α,β和γ)相偶聯。這裡所說的G蛋白是其4大家族裡面的Gi家族。該家族的作用是抑制cAMP的生成。但是也可在其他哺乳類細胞裡面看到其它的信號傳導策略,例如cGMP,Ca2+和IP3水平的短暫上升。而三磷酸磷脂酰肌醇(Phosphatidylinositol trisphosphate),簡稱PI(3,4,5)P3則是阿米巴和白細胞極化過程中的樞紐物質。

在細胞接收到外部遷移信號cAMP之前,一部分同源磷酸酶-張力蛋白(phosphatase and tensin homolog,由第十染色體同源丟失性磷酸酶-張力蛋白基因,即PTEN基因編碼,其英文全名為phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten,又名同源磷酸酶-張力蛋白基因(變異於多種進行性癌1),英文:phosphatase and tensin homolog (mutated in multiple advanced cancers 1)。但下文所提及的PTEN,乃指其翻譯產物,即同源性磷酸酶-張力蛋白,而非基因。)分佈在細胞膜上。而磷脂酰肌醇-3激酶(下文將之簡稱為PI3K,Phosphoinositide 3-Kinase)則分佈在細胞質里。當細胞膜上的受體與外界的化學信號結合后,分子開關G蛋白被激活,α亞基攜帶著一GTP並與βγ亞基分離。通過這種形式,信號被進一步傳遞,結果是在胞質內的PI3K迅速結合到細胞膜上,而PTEN則從細胞膜上脫離。這兩種分子的位置變化帶來的是PI(3,4,5)P3的濃度上升。

PI(3,4,5)P3的濃度會因為細胞內一套負反饋機制被壓制下去。而細胞前端比後端接觸到更多的外界刺激,因此PI(3,4,5)P3會在集中到前端。PI(3,4,5)P3濃度的上升則會促進所在部位微絲的多聚化,細胞移動方向也就被確定下來了。

路標信號信號分子可能並不一定要形成濃度梯度才能為細胞指路,或者只要它做出連續的分佈讓細胞「順瓜摸藤」即可,甚至是沿途的不遷移細胞,在自身胞膜表面表達一些蛋白質,做出「邀請」或是「排擠」的姿態。遷移中的細胞被觀察到會不斷伸出偽足「摸索」其周圍的環境,找出與其膜上受體配對的信號分子后,經過一番「吸引—排斥」的拉鋸拔河,得出凈遷移方向後再繼續前進。細胞對路徑的識別可能涉及多種分子和機制。不同的細胞可能使用不同的分子組合作遷移指引。德國圖賓根馬克思·普朗克研究所為了了解細胞究竟是憑哪些信號分子識別路徑,而在斑馬魚中製作出所謂的「奧德修斯變種」,探明了一對配體和受體組合:SDF-1和Cxcr4b,它們是XX細胞從發生位置遷移到日後XX的路標和「盲公棒」。正常的XX細胞會在斑馬魚胚胎髮育時期與其他細胞集中在身體中線,然後從那裡開始向將來的XX腺遷移。而研究人員則為斑馬魚胚胎引入突變,使之成為奧德修斯變種。他們發現,XX細胞因為細胞膜上的化學趨向受體Cxcr4b發生了變異,不能識別擁有「路標」作用的信號分子,而迷失了方向。它們遊離于身體各處。而Cxcr4b也是白細胞游向細菌過程中的重要分子。而在人體和老鼠體內發現,Cxcr4b分子在HⅣ感染T細胞B細胞和神經細胞的移動中都起著重要作用。

免疫學研究則表明,「路標」是SDF-1(stromal cell derived factor 1,中譯:基質細胞衍生因子-1),該因子對多種細胞均具有趨向作用。也就是說,SDF-1是Cxcr4b的配體。研究人員為了證實這一點,除了觀察正常胚胎之外,還製作了兩種變種:第一變種在XX細胞的必經之路上SDF-1濃度被降低,XX細胞又成了「奧德修斯」。而第二種變種則是將SDF-1分子散播在斑馬魚身體的其他部位,觀察XX細胞遷移出錯。

而研究人員還發現SDF-1對斑馬魚體側線的細胞遷移有關。魚類通過一些細小的感受器—神經丘(neuromast)[16]感受水流變化,這些神經丘排列成線列于魚體側皮下,從100多個表皮細胞(被稱為體側線原基細胞,英文:Primodium)分化而成,從耳後基板(Placode)排列直至尾部。它們與體側線神經相連,通過這些神經傳導衝動到中樞再作信號整合。而神經纖維(即神經細胞的軸突)是由神經膠質細胞包繞。因此體側線原基細胞,體側線神經纖維和神經膠質細胞是很適合作為研究多種類型細胞共同遷移的模型的。研究人員應用了一種名叫彩色快進分析法(Multicolor-Zeitraffer-Analyse)對斑馬魚的體側線進行研究。研究發現,三者的遷移是同時進行的。神經膠質細胞跟著神經纖維前進,但神經纖維即使沒有膠質細胞的陪伴,也能找出正確的路徑。而神經纖維則是跟著體側線原基細胞前進。

體側線原基細胞也是透過Cxcr4b分子的幫助去識別路徑分子SDF-1。原基細胞的Cxcr4b如果發生變異,細胞不能前移。神經纖維即使正常,也只能因為「領路人」而停步。但是神經纖維即使有變異的Cxcr4b,卻也能跟著原基細胞前進。總結說來,原基細胞「拉著」神經纖維行進。馬克思·普朗克研究所這項工作也是對很早就已被提出的「神經纖維(軸突)跟著它所支配的感受器遷移」假設的首次證實。這種「拖拉」機制不但在胚胎髮育階段,也在動物的長成階段,保證了神經纖維與感受器的正確連接。

至於神經膠質細胞,研究人員通過製作一系列的變異,篩選出其中那些神經膠質細胞不能跟隨神經軸突一起移動的變種並加以研究,並且對ErbB受體施以阻斷劑,發現神經膠質細胞的遷移涉及到神經調節蛋白—Erb信號傳導通路。神經膠質細胞膜上具有神經調節蛋白受體ErbB2和ErbB3,它們都是屬於受體酪氨酸激酶家族。該家族的成員接受表皮生長因子(Epithel growth factor)或其他肽類的信號,然後兩兩結合,相互激活再發揮作用。ErbB3能結合配體,與另外的ErbB3或其他家族成員結成同二聚體(Homodimer)或異二聚體(Heterodimer)。ErbB2不會與配體結合,正常情況下只會與其他家族成員組成二聚體(但若果ErbB2過度表達,則會形成同二聚體,與癌症產生相關)。

受體酪氨酸激酶信號傳導過程如下,當單體膜外段與信號分子結合後會兩兩配對,稱二聚化,雙方催化中心的附近激活唇(activation lip)一或多個酪氨酸殘基被磷酸化激活,接著雙方會發生構象改變,結果是對ATP親和力的增高,或是對某種蛋白質結合能力增強,並磷酸化激活受體胞質內其他酪氨酸位點。這些被磷酸化的酪胺酸通常會與適配器蛋白作用。一如其名中的「適配器」,適配器蛋白本身並不具有催化活性,只是為兩種酶提供一個溝通的介面,正如日常轉插座所起的作用一樣。通過適配器蛋白Ras激活蛋白(其實就是Ras的鳥嘌呤交換因子)被激活,它會將Ras-ADP的ADP換為ATP,Ras被激活,信號進一步被傳遞。在斑馬魚的神經膠質細胞,這條被激活的信號通路會讓細胞跟隨軸突前進。這種軸突—神經調節蛋白—神經膠質細胞機制保證了膠質細胞與神經纖維的緊密結合。而神經調節蛋白代謝在很多癌症的演進過程中起到重要的作用,異常的ErbB受體信號與腫瘤的發生、發展有著密切的關係。因此,ErbB受體阻斷劑有可能成為一種癌症治療手段。

極化當細胞胞膜上的受體接觸到周圍環境裡面的遷移信號分子之後,細胞內部與細胞遷移有關的物質會重新分佈,細胞顯出「前」和「后」兩端,為遷移做準備。物質如β肌動蛋白的mRNA,Arp2/3複合體還有一些化學感受器,會呈現出前多后少的分佈狀況,與之相反的是Ca2+。雖然兩種物質有著不同的分佈趨勢,但是它們的目的都是一樣的,就是促進細胞的移動性。

β肌動蛋白的mRNA在細胞收到遷移信號之後會集中在細胞前端,為這裡提供微絲單體。而為Arp2/3複合體七條肽鏈編碼的mRNA也會齊集在突出端。這種mRNA的局部匯聚反過來卻需要微絲還有微管的協助。這種mRNA匯聚的發生對細胞遷移有極大的好處。一方面降低了細胞對之調控或降解的難度,另一方面它們的新生翻譯產物互相靠近又有利於複合體的快速組裝(這種現象被稱做共同翻譯組裝,英文:cotranslational assembly),同時也保證了各自的正確摺疊,避免與其他細胞成分發生負面的相互作用。

鈣離子的分佈與上面提到的不同。Ca2+前端分佈濃度低,而尾端高。如果在一遷移中的白細胞側邊放入遷移信號物,人們發現細胞內的鈣離子水平先是總體升高,然後再分佈成前低后高的狀態,細胞轉彎。如果此時撤銷新放入的信號,白細胞會接著按照新的信號物濃度繼續其遷移。很多微絲結合蛋白,如I和Ⅱ型肌球蛋白,凝膠溶素,輔肌動蛋白(輔肌動蛋白)和絲束蛋白(fimbrin)都受到鈣離子的調控。因此鈣離子是細胞由溶膠變凝膠(sol-to-gel)過程中重要的一員。前端鈣離子濃度低,能激活I型肌球蛋白,抑制微絲分解蛋白,撥轉由鈣離子調控的微絲交聯蛋白,因此有利於微絲網路的形成。而尾部高鈣離子濃度則會導致微絲的解聚,激活凝溶膠蛋白,促成溶膠狀態的出現,而且會激活Ⅱ型肌球蛋白,使外皮微絲網路收縮。總的說來,鈣離子的胞內濃度梯度對微絲的周轉起到了很重要的作用。

運動四步驟當人們觀察角膜細胞的遷移時,可看到細胞體外形的改變。這可以類比於人的步行過程,首先是確定前進方向,然後是重複一系列動作循環,即一隻腳先往前踏出,並且在地上踏實,而鞋紋則有防止向後滑的功能,再是上身重心前移,最後是後腳提起並向前腳靠攏,完成一個循環。而其中的每個步驟,都受到一個精巧的調節網路控制,以保證原料和能量的合理利用和細胞遷移的有效進行。

細胞前端突出這是上面說到的步行過程中前腳伸出。細胞首先會伸出極狀足,極狀足有兩種,一是板狀偽足(lamellipodia),另一則是絲狀偽足(filopodia),這兩種偽足可同時出現在一個細胞膜的某一局部。但構成兩者的微絲蛋白結合蛋白有異,板狀偽足因為有Arp2/3的幫助,微絲會形成網狀,而在絲狀偽足裡面,微絲成直線狀。所以在外形上板狀偽足顯得扁平,絲狀偽足則是薄薄的針狀突出。但兩者的形成機制究竟是否有別,則仍未有定論。極狀足的內部,是因為個體分子的不斷加入而變長的肌動蛋白纖維(英文:Actinfilament,即微絲),這個過程被稱為多聚化(Polymerisation))。而且這些變長的微絲之間會靠一些蛋白,如細絲蛋白的連接而成網成束,加強其韌性

分佈在細胞前端的肌動蛋白多聚化,可以被看作是一種動力來源,不斷推細胞膜向前突出。這種被稱為「基於肌動蛋白多聚化機制」(actin polymerization–based mechanism)可以理解為不斷多聚變長的微絲在內部不斷地「頂」著細胞膜往前,一如XX的頂體反應。其過程如下:肌動蛋白單體被不斷添加到微絲近胞膜一端,而Arp2/3則為微絲網路不斷添加側枝,促成新的側枝以70°生成展開,讓更多的單體添加到網路上。蛋白質如細絲蛋白(Filamin)則負責鞏固這種結構。前纖維蛋白將從多聚體脫離下來的ADP肌動蛋白轉換成ATP肌動蛋白,使之從新具備多聚化的能力。而彈性布朗棘輪模型(elastic Brownian ratchet model)則進一步解釋突出是如何被不斷變長的微絲「鞭」出來的。根據電子顯微鏡觀察得出的結果,微絲的尾部是抵著細胞膜的,肌動蛋白單體無法被載入。但是熱能會促使微絲彎曲,這時單體就有機會加入到多聚物的末尾。微絲和一根塑料棒有著相當的剛性,彎曲所保存的勢能會幫助微絲變會原來伸直的狀態。數量眾多的微絲這樣「鞭」打細胞膜,會提供足夠的動力促使細胞膜突出。

微絲的核化除了Arp2/3複合體外,還需要形成素(formins)中的mDia1和mDia2的協助。而Arp2/3會受到WAVE/Scar,WASP(歐德里綜合症蛋白)和N-WASP蛋白的調控。這些蛋白如果出現突變或者功能缺損,患者很有可能會得到歐德里綜合症(Wiskott-Aldrich syndrome,或譯威斯科特·阿德里希綜合症)。WAVE/Scar是Abi,NCK連接蛋白(NCK-associated protein,簡稱Nap125),特異Rac1連接蛋白(Specifically Rac 1-associated proteins, 簡稱Sra-1)和HSPC-300多聚體的一部分。這個複合體受小GTP蛋白Rac的調控,Rac會促進Abi,Nap125和Sra-1與WAVE分離,使之激活。WASP和N-WASP則是受到Cdc42調控。這些蛋白質又會受磷酸化過程或磷酸肌醇,WIP和TOCA等分子的控制。

與Arp2/3促成側枝不一樣,形成素會結合到微絲的末端,使之線形延長。形成素也受到小GTP蛋白調控,mDia1受RhoA,而mDia2則受Cdc42調節。它們還需要與前纖維蛋白相互作用才能達到促進微絲多聚化的目的。前纖維蛋白的行為模式可能與抑制微絲末端「帽子」的形成有關,這種蛋白也為Ena/VASP介導的微絲末端多聚化所需。前纖維蛋白和胸腺嘧素4都是G肌動蛋白結合蛋白,而胸腺嘧素4是前纖維蛋白的拮抗劑。但是前纖維蛋白能夠與不同的肌動蛋白結合,胸腺嘧素4則不能。所以後者被視為是維持胞質G肌動蛋白水平的重要一員,使之形成G肌動蛋白庫,G肌動蛋白可以從中靠前纖維蛋白的幫助進行多聚化。

突出與底質的粘著該步對應於人的前腳固定。不論細胞的前端是如何向前伸出的,但是伸出后的極狀足需要在底質上固定。在顯微鏡下可觀察到肌動蛋白束在細胞前端內部往落點上固定,並發展為一塊具有一定結構的斑,被稱為「粘著斑」。粘著提供摩擦力,能使細胞鞏固向前邁出的步伐而不致向後「滑」。粘著斑的聚合和解聚受到細胞外物質的影響,同時也影響著細胞的行進。

粘著斑由整合蛋白(Integrin)和負在上面的適配器蛋白(Adaptor protein),再加上纖維結合蛋白(Fibronectin)共同構成。整合蛋白是細胞膜上主要的細胞外基質受體,在一系列細胞生理過程中起作用[20]。根據一些實驗的結果,帶有缺陷的整合蛋白無法使細胞留駐在底質上,但不影響細胞突出的形成。適配器蛋白可看作是應力纖維連接整合蛋白的介面。而整合蛋白則是跨膜蛋白,最終負責直接與外界底質接觸的是纖維結合蛋白。

不難想象,細胞前端不斷生成粘著斑,後端不斷解聚粘著斑以供前端使用。但其實前端的粘著斑一樣會不斷解聚,解聚所得的蛋白質最終由蛋白酶分解,分解產物會被運輸到前端的其他位點被再投入使用,稱作「周轉」(Turnover)。所以前端粘著斑有著兩種命運,或是解聚,或是被鞏固XX。在活體裡面的細胞的粘著斑相比起那些體外培養的,在二維平面上移行的細胞的要小。新生的和早建的粘著斑在結構上差異不大,但成分有不同之處。踝蛋白(Talin)連接整合素和肌動蛋白。有很多報道稱,除了肌動蛋白,還有其他信號分子會連接到整合素上,調節整合素和細胞骨架的活性。例如,斑聯蛋白(zyxin)會連接到α-輔肌動蛋白(α-actinin)並調節鄰近微絲末端上的Ena/VASP活性。雖然粘著斑的初始化(也被稱為「核化」)和調控機制是目前細胞生物學研究的熱點之一,但人們還是未知道,究竟什麼機制決定一塊粘著斑是被鞏固還是被解聚。可以肯定的是,結合在細胞骨架上蛋白質的共價修飾(covalent modification)形式之一——酪氨酸殘基磷酸化是粘著斑形成過程中的重要現象。另外,Rho-GTP酶也被肯定是其中不可忽視的一員。但它本身又會被與粘著斑相關的信號分子所調節,如複合體粘著斑激酶(Focal adhesion kinase,簡稱FAK),Src,樁蛋白(paxillin),Crk,CAS,PAK和GIT。其中,FAK,樁蛋白還有張力蛋白(tensin)這三種蛋白,都是目前該調節通路「主角」的候選人。其作用方式,現以粘著斑激酶為例以作說明:在細胞粘著斑形成處,整合蛋白會吸引一批蛋白質到自己周圍,形成一複合體,以便啟動其對其它蛋白質的調控過程。粘著斑激酶是粘著斑形成早期「被招募者」之一,它控制著一大批下游反應,會合諸如適配器蛋白生長因子受體結合蛋白2(Grb2,全稱:growth factor receptor-bound protein 2)和磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)的p85亞基起作用。而研究表明,整合蛋白可以通過這條FAK信號通路作用,增加細胞的移動能力,求生(Survival)能力,甚至是癌細胞的轉移能力。FAK也因此成為了癌症研究的一個對象[21][22]。過去被認為與發炎反應及細胞凋亡有關的c-Jun氨基末端激酶(JNK;c-Jun amino-terminal kinase),也參與了細胞遷移,它能透過將樁蛋白(paxillin)磷酸化,進而影響粘著斑形成。

值得一提的還有微管在周轉過程中發揮的作用。20世紀70年代,瓦斯利夫(Vasiliev,J.M)和他的工作小組用噻氨酯噠唑處理了金魚的成纖維細胞,細胞內的微管被破壞。這時細胞會失去極性。後來他們提出了微管在細胞遷移中的作用:「穩定住細胞邊緣活動的和不活動的部分。」後來,科學家再發現,微管會伸展到細胞前進端早期形成的粘著斑處,所以他們認為微管能穩定細胞與底質的粘著。但是後來的發現是,微管對粘著起到的作用是負面的。微管會限制粘著斑的形成,並且會促進後者在細胞的其它部位被重新利用,後面這種現象被稱為粘著斑的周轉。等到研究技術允許作活細胞觀察的時候,人們才終於認識到,微管與粘著斑的相互作用並非如先前那樣認為的少,而是非常的頻繁。科學家後來利用隱失波顯微術(evanescent wave microscopy)觀察得到的結果同樣證實了這種觀點的正確性。

細胞體前移當細胞前端固定好之後,細胞的主體就可以前進了。但是這個主體推進的過程細節並不明了。現認為,細胞核和細胞器是被「系」在細胞內部縱橫交錯的細胞骨架上的,再通過Ⅱ型肌球蛋白的不斷運動,使得這些「貨物」得以不斷被往前拉。這種觀點得到一些實驗的證實。例如,科學家發現Ⅱ型肌球蛋白會分佈在細胞偽足和細胞主體的分界線上,這樣的分佈有利於肌球蛋白的「拉」行為。這個過程受到小Rho GTP酶Cdc42,Rac和RhoA的調控。而這些蛋白相互之間卻是拮抗的關係。RhoA 激活Rho-激酶(又名ROCK),後者在激活狀態下會將肌球蛋白輕鏈磷酸酶(myosin light chain phosphatase,簡稱MLC磷酸酶。該酶為MLC去掉磷酸基團)磷酸化,就是使它失活了,導致細胞的收縮增強。Cdc42也是通過MRCK起到類似的作用。與它們相反的是,Rac會激活PAK,PAK能磷酸化MLC激酶,使之失活,後果是細胞收縮力減退,擴展受阻。但是PAK也能直接磷酸化MLC,增加細胞收縮能力。究竟是哪種作用占優,取決於PAK的空間分佈和它的活性調節水平。PAK還會通過激活PⅨ/PAK複合體調節細胞極化,該複合體在由G蛋白偶聯受體所引發的細胞遷移中會分佈到細胞前端併發揮其作用。PAK還能通過癌蛋白18(stathmin)的磷酸化作用於微管,減少後者變動(catastrophe,即微管從延長狀態轉變為縮短狀態這個過程)的機會。封閉微絲末端的封閉蛋白,如凝溶膠蛋白則主要靠磷酸肌醇調節。而切斷微絲的蛋白:絲切蛋白則受到LIMK介導的磷酸化影響。而LIMK又會受到PAK介導的或是Rho-激酶介導的絲氨酸/蘇氨酸磷酸化的調節。

牽引尾部往前最後一步,類似於人步行時後腳往前收。細胞後端,或稱為尾部與底質分離並被牽往前方。這個過程可能與應力纖維的收縮,或是簡單的細胞彈性變形有關。值得注意的是,細胞後端是被「撕」(ripping)離底質的。就是說,細胞的尾部會在底質上留下一部分細胞膜殘片。而尾部的粘著斑也會卸載,否則細胞收縮會撕開細胞。這個卸載的過程包括,粘著斑部件以胞吞作用的形式被內吞,然後會被發動蛋白承載並回收轉運,這個過程有微管的參與。在肌球蛋白介導的胞體收縮過程中,RhoA和Rac通過Rho-激酶和PAK可以調節MLC的磷酸化,這也為尾部粘著斑解聚做出貢獻。還有,尾部磷酸酶,如神經鈣蛋白(calcineurin)的磷酸化作用或蛋白質被蛋白酶降解,如踝蛋白被鈣蛋白酶(calpain)降解都會下調粘著斑與底質的親和力。鈣離子可能在此過程中會調節神經鈣蛋白和鈣蛋白酶。

與之有關的生理過程細胞遷移是多種生理過程的前提,例如創傷恢復神經嵴細胞的移行,急性炎症中白細胞的滲出還有癌細胞的轉移。

胚胎髮生等動植物成體的結構非常複雜,但都是來自於一個XX卵。XX卵不斷分裂,所得出的細胞會移動,還會通過基因的開啟或關閉XX分化途徑,形成特異的細胞,執行其被指定的功能。胚胎髮生(Embryogenesis)通常被分為三個階段。第一階段是原腸胚形成,指XX卵分裂到囊胚后,經過囊胚的摺疊逐漸成為有三層胚層結構的原腸胚的整個過程,此過程後身體各部分的構造方向已基本定下。第二階段是器官形成(Organogenesis)。最後階段則是各器官繼續成熟完善至成體狀態。

動物的胚胎髮生涉及大量的細胞遷移行為。科學家在研究這些細胞遷移時,可以使用無毒性的染料,或者是可以遺傳遺傳學標籤(heritable genetic label)對那些將要遷移的細胞進行標示,以追蹤其動向。例如,科學家可以從鵪鶉胚胎內取出其將來要成為翅膀的體節(Somite),將該體節移植入培養了兩天的小雞胚胎中。經過一周后,將小雞翅膀部分剖開並觀察其肌肉,可見它們是來自鵪鶉體節的。

觀察無脊椎動物如海膽(sea urchin)的原腸胚形成過程(Gastrulation),即從囊胚(Blastula)到原腸胚(Gastrula)的形成過程。開始時囊胚是由約1000個細胞組成的,球狀中空結構,球腔即為囊胚腔(blastocoele),球壁由單層細胞組成,植物極(Vegetal pole,可以看作是日後海膽身體的尾部)上皮比較厚,出現細胞內餡的傾向。然後一些間充質細胞開始遊離植物極上皮,並在囊胚腔內爬行。而植物極上皮也開始向內摺疊,上皮外圍的細胞會向囊胚腔伸出絲狀偽足,幫助上皮向動物極(可以看作為海膽日後的頭部)移動並最終與囊胚腔另一端接合。上皮內陷摺疊時,留下的空隙會成為日後的腸道,上皮與囊胚壁接觸之處則是日後海膽的口部。

脊椎動物的神經嵴細胞,在胚胎期會不斷從背側向腹側移行。其中一部分移行於外胚層下方,將來會分化為色素細胞,而那些行走的稍深一點的細胞,會形成後來交感神經神經節細胞,腎上腺髓質。而頸部和骶部的神經嵴細胞則會沿著身體縱軸移到腸壁。就是說,日後的組織腸神經叢,神經節神經元,腎上腺的嗜鉻細胞(chromaffin)都是由神經嵴細胞遷移分化得出的。

值得注意的是,在此過程中,沿途的不遷移細胞可能會影響遷移細胞的行為,改變它們的去向,甚至決定遷移細胞是否能存活。同來自神經嵴的性細胞,血細胞前體和色素細胞都受到一種Kit—Steel因子機制的調節。Kit是一種跨膜受體,其配體是Steel因子。沿途的細胞或者是終點處的細胞會表達Steel因子,激活遷移經過的細胞上的Kit受體。而Kit受體的激活是這些細胞存活和增殖的前提。在一個個體中,兩者之中的任一者出現突變,患者的體色,血細胞供應和性細胞的形成都會出現異常,例如患者額頭可見一白斑

損傷修復損傷會對機體造成身體部分細胞和組織的喪失,機體需要對損傷進行修復(repair)。修復有兩種不同的形式,再生和纖維性修復。這兩個過程都涉及細胞遷移。例如上皮組織中的一種——鱗狀上皮如果出現缺損,其邊緣和底部的細胞就會分裂增生,並向缺損中心遷移。雖然很多種類的細胞都具有分裂再生的能力,如上皮細胞,但是它們最終能否成功修復受損組織卻要依賴於細胞外基質。例如細胞外基質的一種成分—透明質酸(hyaluronan),存在於遷移細胞的周圍,它能夠抑制細胞間的粘附,促進細胞遷移。

如果損傷伴有炎症的發生,實質細胞即使具有再生能力,也很難獨自完成修復工作。這時就要靠肉芽組織(granulation tissue)進行修復了。肉芽組織會首先增生,並溶解吸收壞死組織和異物,填補空缺,再最終轉化為瘢痕組織完成修復。肉芽組織由新生的毛細血管和成纖維細胞組成。血管內皮細胞會先遷移到受損部位新生形成血管。接著血小板炎細胞以及活化了的血管內皮細胞會釋放生長因子,如TGF-β,DGF,表皮生長因子,FGF和促纖維化細胞因子如IL-1和TNF-α等分子,這些因子能吸引單核巨噬細胞和成纖維細胞的增殖和遷移。前者會在受損部位清理細胞外碎片,纖維蛋白和其他外源物質。而成纖維細胞則會合成細胞外基質並不斷積聚。最後經過肉芽組織的結構調整,最終形成瘢痕。

細菌感染病源微生物宿主細胞的入侵同樣會造成微絲的動態改變。很多致病細菌經過演化,甚至是和宿主共同演化(coevolution),發展出一套生存策略,利用宿主細胞動力蛋白的多聚化,為自身的入侵,繁殖或擴布創造條件。而通過研究這些細菌對細胞骨架的作用途徑,科學家可以對細胞遷移的調控作更深入的了解。

1994年研究人員發現,分佈在細胞外或是存在吞噬泡(Phagosome)內的格蘭氏陰性細菌,如志賀氏菌(Shigella)和沙門菌(Salmonella),演化出一套Ⅲ型分泌系統(Type Ⅲ Secretion System,簡稱TTSS),可以將細菌蛋白質注XX入真核細胞細胞質內,模擬細胞內的細胞因子,控制腸上皮細胞或腸內皮細胞細胞骨架的重整理(Rearrangement),賦予這些不具備內吞能力的細胞以胞吞能力,以便自己XX細胞內,這種機制被稱為觸發器機制(Trigger)。具體地說,沙門菌會分泌蛋白質SipC。SipC的N端會與肌動蛋白結合,C端具有促進肌動蛋白核化的功能。而志賀氏菌有著與SipC同源的蛋白質IpaC,則會激活Cdc42和Rac。這樣,肌動蛋白會在細菌與細胞結合處多聚化,為細菌的XX創造條件。同時,志賀氏菌還會分泌IpaA,這種蛋白會結合細胞內的粘著斑蛋白(Vinculin,或譯鈕帶蛋白),並將後者帶到細菌與細胞接觸之處,形成粘著斑樣結構,被稱為入侵焦點(Entry Focus)。這種IpaA-粘著斑蛋白能使所在之處的微絲解聚,使得志賀氏菌更容易XX細胞。

另外還有拉鏈機制(Zipper)。細胞膜表面具有一系列受體,它們是為胞胞連合和胞底質聯合所需的。一些細菌,如單核細胞增生李斯特氏菌(Listeria monocytogenes)和鼠疫桿菌(Yersinia)會在自己表面表達出這些受體的配體,這樣可以誘使細胞伸出偽足包繞自身,並最終被吞入胞內。李斯特氏菌會表達一種名叫內化素A(Internalin A)的蛋白,它會結合胞胞連合蛋白質E鈣粘蛋白(E cadherin)。而耶爾森氏菌則會使用侵染素(Invasin)結合β1-整合蛋白(β1-Integrin)。目前人們認為,這兩種途徑會最終讓肌動蛋白-肌球蛋白組合產生拉力,將細菌拉入胞內。

白細胞滲出炎症反應最重要的功能是將白細胞送到炎症灶,所以白細胞的滲出是炎症反應最重要的特徵。其過程如下:炎症部位的血管內皮細胞會在組胺白三烯等物質作用下,加上骨架重構穿胞作用的增強和損傷而收縮,隨之而來的是血管通透性的增加,這進一步造成血流速度的減慢甚至是停滯。到達該處的白細胞因此會離開血管的中心部,邊集於血管壁,不斷滾動直至最後在胞膜表面選擇素(Selectin)的作用下與內皮細胞黏附。然後,白細胞會在內皮細胞連接處伸出偽足,以阿米巴運動的方式穿過間隙到達炎症灶,需時2到12分鐘。而游出的細胞也有分先後,早期先是中性粒細胞游出,48小時之後再輪到單核細胞。游出的白細胞然後會在炎症灶附近搜索細菌產物,補體成分,細胞因子和白三烯。這些物質能吸引甚至激活白細胞,將白細胞帶到炎症部位併發揮其吞噬,免疫和組織損傷作用。中性粒細胞和巨噬細胞能吞噬病原體或組織碎片,而巨噬細胞還會執行其抗原呈遞功能,激活B,T淋巴細胞,以殺傷病原體。

癌症轉移目前人們對惡性腫瘤的研究是多方面的,從癌症的產生到轉移,血管供給以及分裂增殖都一直是醫學和生物學研究的熱點。癌症細胞增殖失控,短時間內可以繁殖出大量後代,這樣首先會造成生長空間的局促和養分,如氧氣緊張。這樣惡性腫瘤內會形成一片壞死區,正如上面在組織損傷裡面提到的,機體會嘗試「修復」這些損傷。壞死組織會釋放出一系列促血管生成因子,如血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor),還會招來巨噬細胞。巨噬細胞也會釋放大量促血管生成細胞因子和生長因子。過程中有一類名叫高機動性組蛋白(high-mobility group proteins,簡稱HMGB)可能起到協調作用。最近研究表明其中的一種:HMGB1能強烈誘導血管內皮遷移[25]。新生血管既解決了癌組織的供給問題,也為癌細胞的遠端轉移提供了管道。癌細胞借血道轉移到遠端器官,並在那裡增殖。轉移是惡性腫瘤的確鑿證據,同時也是癌症患者的主要死亡原因

癌細胞既能直接蔓延,如晚期XX頸癌可直接蔓延至直腸膀胱;它們又可以對周遭組織進行浸潤,結果是形成邊界不分明的癌組織,或是XX血管轉移到遠端(見遠端轉移)。兩者的機制比較複雜,目前還有未明的問題尚待解決。目前根據觀察可將癌症浸潤分為四步。首先癌細胞表面的粘附分子會減少,與周圍的細胞彼此分離,被「解除束縛」。同時癌細胞與基底膜的粘附卻會增加,這是癌細胞通過增加自身基底面層粘連蛋白(laminin)受體實現的。然後癌細胞會釋放蛋白酶,用以降解細胞外基質成分,如Ⅳ型膠原酶,使基底膜受損,產生縫隙。最後是癌細胞阿米巴運動樣的遷移,鑽過基底膜的縫隙,到達底下的間質組織。癌細胞此後會繼續用蛋白酶為自己在間質組織開路,直到血管,然後它會以同樣方式XX血管,經血到轉移后,又以同樣方式出管。

癌症轉移過程中涉及的信號傳遞途徑,竟然有很多是胚胎髮育過程中所必需的。科學家在研究中發現越來越多重要的分子,如N-鈣粘蛋白(N-Cadherin),核因子κB(NF-κB),骨連接素(Osteonectin),血栓素A2(Thromboxane A2)和Ras,都是促成癌細胞遷移的因子。

以ras基因(鼠肌小節,Rat sarcoma)這個原癌基因為例,其翻譯產物是一21達爾頓重的G蛋白Ras。Ras可分為四種經典Ras蛋白:H (Harvey)-Ras,N(Neuroblastoma,成神經細胞瘤)-Ras,和一對選擇性剪接產物K(Kirsten)-Ras4A和4B。從插圖2可見,Ras在信號傳導通路中位於中心位置,它的變異所造成的嚴重後果可想而知。人類30%的癌症中被查證有變異的ras基因,它們的產物一方面能抑制細胞凋亡,還會加快癌細胞轉移。H-Ras變異蛋白可見於膀胱癌腎癌。而在幾乎所有的乳腺癌中都可看到變異的K-Ras。另外在肺癌大腸癌直腸癌中都可見其身影。K-Ras的作用很可能是通過Ras-Raf-MEK-ERK途徑實現的。這條途徑不但能促進血管生成,還會誘發癌細胞的浸潤和轉移。

鞘磷脂,(Lysosphingomyelin,或稱鞘氨醇磷酰膽鹼,英文Sphingosylphosphorylcholin),簡稱SPC,目前被懷疑是癌症轉移的啟動子。溶鞘磷脂是一種具有生物活性的胞內外信號傳導物質,能誘導細胞移行。它先是在患有A型尼曼匹克症(Niemann Pick type A)病人腦部被發現。它的受體是胞膜上的卵巢癌G蛋白偶聯受體1(Ovarian cancer G-Protein coupled receptor 1)。研究發現,患有卵巢癌的病人,其腹水中SPC水平明顯高於患良性卵巢腫瘤的患者。

在顯微鏡下通過觀察胰腺癌細胞在存在和不存在SPC情況下的活動和胞內角蛋白(Keratin)的分佈,可以大概了解SPC在癌症轉移中的作用。角蛋白屬於中間纖維,它的作用是維護細胞的穩定,賦予胞體一定的硬性。在未經SPC處理的胰腺癌細胞中,角蛋白均勻分佈在細胞質中。若它受到SPC的處理,可以觀察到其角蛋白會被集中分佈到細胞核周圍,而細胞膜下角蛋白的濃度則會下降。角蛋白這樣的重新分佈無疑使得癌細胞外圍變得更有柔韌性,讓它們更容易通過它們在基底膜打開的狹窄孔洞。

而在1996年被發現的RhoE則飾演著抑制癌症的角色。與其他游移于激活/失活狀態的G蛋白不同,RhoE持續與GTP結合,一直處於激活狀態,所以其功能的上下調節靠的是其表達水平。在2007年一份研究報告中指出,RhoE在肺癌患者中表達異常,而且還與患者吸煙史有關。根據另一項研究,RhoE不僅在細胞增殖方面起到調節作用,則在細胞遷移方面發揮著其功能,甚至將某些癌細胞引向細胞凋亡。路德維希癌症研究所(Ludwig Institute for Cancer Research)的研究人員發現,RhoE會在生長因子的刺激和DNA損壞的情況下表達增高,因此有可能成為癌症的生物標記。RhoE能阻止肌動蛋白的聚合和應力纖維的形成,因此細胞遷移的能力會減弱。RhoE成為癌症治療的又一新目標。

7開關調節 細胞遷移

很多時候,遷移的發生是由於細胞感受到了來自外界的信號,例如白細胞感受到細菌釋放的異常蛋白質。隨後,細胞就會打開自身內部的開關,啟動遷移過程。科學家們已經發現了一種名為Cdc42的酶是其中的一個重要開關。當細胞感受信號后,Cdc42就會被鳥嘌呤核苷酸交換因子(GEF)激活,處於「開啟」狀態。被激活的Cdc42分佈在細胞運動前緣的區域,引起細胞骨架的極性分佈,從而規定了細胞爬行的方向。然而,激活並不是無限的,活性的Cdc42可被GTP酶激活蛋白(GAP)失活,XX「關閉」狀態。GEF和GAP如同兩隻手,一手打開開關,一手關閉開關。但是,這兩隻手必須協調工作,才能精確地調控細胞遷移。在過去的研究中,科學家們對「打開開關的手」研究甚多,而對「關閉開關的手」如何作用缺乏了解。朱學良研究員的小組發現一種名為Nudel的蛋白質能控制這隻「關閉開關的手」,在必要時能將其與開關隔離,從而保證足夠多的開關處於開啟的狀態。

事實上,Nudel通過與GAP結合,阻擋了GAP對Cdc42的作用。但如果Cdc42過量,也能通過與Nudel競爭結合GAP而失活。在實驗中,研究人員發現缺失了Nudel的細胞爬行受到了很大幹擾,在600分鐘的視頻中,正常細胞已經運動了很長距離,而缺失細胞則幾乎在原地一動沒動。這一研究揭示了一條新的調節細胞遷移開關的信號通路,對於深入了解細胞遷移的調節機制有重要意義。該研究也為認識相關疾病的機理提供了一條新線索。

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相關文獻高速泳動族蛋白-1在成體幹細胞遷移中的作用-國際口腔醫學雜誌-2011年 第3期 (38)

血清對血管外膜成纖維細胞遷移的影響-商情-2011年 第22期

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1簡介2研究歷史3研究技術4參與細胞遷移的分子5信號分子5.1細胞外5.2細胞內5.3細胞骨架5.4微絲和其結合蛋白5.5微管5.6中間纖維5.7分子馬達5.8過程簡述6過程詳細機制6.1運動方向的確定和極化6.2化學趨向性6.3路標信號6.4極化6.5運動四步驟6.6細胞前端突出6.7突出與底質的粘著6.8細胞體前移6.9牽引尾部往前6.10與之有關的生理過程6.11胚胎髮生6.12損傷修復6.13細菌感染6.14白細胞滲出6.15癌症轉移7開關調節

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1簡介若以移動方式與型態來比較,細胞遷移是通過胞體形變進行的定向移動, 細胞遷移

這有別于其他﹔如細胞靠鞭毛與纖毛的運動、或是細胞隨血流而發生的位置變化,而且就移動速度來看,相比起后兩者,細胞遷移要慢得多。舉例而言:成纖維細胞的移動速度為1微米/分,若以XX的平均遊動速度56.44微米/秒,即3384微米/分來比較,兩者約差距3000倍以上。角膜細胞(Keratocyte)即使比成纖維細胞快十倍,但是要完成從不來梅到漢堡這93公里的路程仍需要17123年。而且細胞用力甚輕。成纖維細胞胞體收縮的力只有2×10-7牛頓,而角膜細胞的則是2×10-8牛頓(一牛頓約為人用手舉起一雞蛋所用的力)。

但此細胞遷移「步緩力微」的運動特性,卻是細胞覓食、損傷的痊愈、胚胎髮生、免疫、感染和癌症轉移等等生理現象所涉及到的。因此細胞遷移是目前細胞生物學研究的一個主要方向,科學家們試圖通過對細胞遷移的研究,在阻止癌症轉移、植皮等醫學應用方面取得更大成果。也因為細胞遷移獨有的運動特性,成為今生物學熱門研究方向。

最新研究發現:Nudel蛋白在細胞遷移過程中通過Cdc42GAP調節Cdc42的活性,從而揭示了一條新的調節Cdc42的信號通路,對於深入了解細胞遷移的調節機制有重要意義。

移動過程中,細胞不斷重複著向前方伸出突觸,然後牽拉後方胞體的循環過程。細胞骨架和其結合蛋白,還有細胞間質是這個過程的物質基礎,另外還有多種物質會對之進行精密調節。細胞遷移是通過胞體形變進行的定向移動,因此細胞遷移的移動速度很慢。但此細胞遷移「步緩力微」的運動特性,卻是細胞覓食、傷口痊愈、胚胎髮生、免疫反應、感染和癌症轉移等生理現象所涉及到的。因此細胞遷移是目前細胞生物學研究的一個主要課題,科學家們試圖通過對細胞遷移的研究,在阻止癌症轉移、異體植皮等醫學應用方面取得更大成果。也因為細胞遷移獨有的運動特性,成為今生物學熱門研究方向。

2研究歷史1675年,顯微技術的先驅人物安東尼·凡·列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek)往英國皇家學會寄出一封信,裡面描寫了細菌的運動。這封信可以說是打開了科學家對細胞遷移研究的第一頁。在往後這300多年時間,人們就一直試圖去理解細胞遷移過程的細節。

而細胞遷移的關鍵物質—細胞骨架則要等到20世紀才被發現。雖然1939年科學家阿爾伯特·山特吉爾吉(A. Szent-Györgyi)就已發現細胞骨架的成分—肌動蛋白和肌球蛋白,但是因為電子顯微鏡製作樣本時需要對樣品進行0到4℃的低溫固定,在這樣的溫度下細胞骨架會被破壞,即所謂的「解聚」。所以當時認為細胞質不過是一「蛋白湯」,各種細胞器懸浮於細胞質液(Cytosol)中。但在60年代后,人們使用戊二醛常溫固定的方法開始逐漸發現細胞骨架。科學家發現,細胞骨架在這個細胞遷移過程起到承載和支撐的作用。在20世紀末21世紀初,科學家對細胞遷移複雜機理的認識有了非常大的進步,對細胞與基質的粘著,非對稱性極化和胞內分層運動都有了進一步的了解。但是整個過程其實仍未被了解透徹,很多中間過程就是連起作用的物質都未明。科學家對其中部分需要進行假設,再進一步通過實驗去證實。

3研究技術為了研究某一蛋白質在細胞遷移中所扮演的角色,一般來說科學家可以將某蛋白的編碼基因進行突變,甚至應用新近的RNAi現象,或者加入該蛋白質的阻斷劑(inhibitor)來抑制某一個蛋白質的表現,並分析此抑制對於細胞遷移的影響,反而得知被抑制的蛋白質與細胞遷移的作用。

新科技對細胞遷移研究起到了極大的推動作用。科學家通過ECIS技術(Electric Cell-substrate Impedance Sensing;電子細胞基質阻抗判斷)可以觀察到細胞在傳統細胞培養甚至是液體環境中


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