40年未解之謎終于有了答案:生物電如何影響肌肉發(fā)育

【字體: 時(shí)間:2024年06月28日 來(lái)源:AAAS

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  俄勒岡大學(xué)的一項新研究描述了神經(jīng)細胞和肌肉細胞在發(fā)育過(guò)程中是如何通過(guò)電信號進(jìn)行交流的——這種現象被稱(chēng)為生物電。這種通過(guò)細胞間的特殊通道進(jìn)行的交流對正常的發(fā)育和行為至關(guān)重要。這項研究確定了控制這一過(guò)程的特定基因,并確定了當這一過(guò)程出錯時(shí)會(huì )發(fā)生什么。這一發(fā)現為人類(lèi)肌肉疾病的遺傳起源提供了線(xiàn)索。

  

一位生物學(xué)家在實(shí)驗室筆記本上留下了40年未解之謎,終于有了答案,這要感謝一條不會(huì )扭動(dòng)尾巴的小魚(yú)。

俄勒岡大學(xué)的一項新研究描述了神經(jīng)細胞和肌肉細胞在發(fā)育過(guò)程中是如何通過(guò)電信號進(jìn)行交流的——這種現象被稱(chēng)為生物電。

這種通過(guò)細胞間的特殊通道進(jìn)行的交流對正常的發(fā)育和行為至關(guān)重要。這項研究確定了控制這一過(guò)程的特定基因,并確定了當這一過(guò)程出錯時(shí)會(huì )發(fā)生什么。

這一發(fā)現為人類(lèi)肌肉疾病的遺傳起源提供了線(xiàn)索,并觸及了發(fā)育生物學(xué)中長(cháng)期存在的問(wèn)題。

“這是我們許多人多年來(lái)一直想知道的事情——現在我們已經(jīng)弄明白了!”UO的神經(jīng)科學(xué)家Judith Eisen說(shuō),她在20世紀80年代發(fā)現了斑馬魚(yú)肌肉細胞之間的一種交流模式,但她無(wú)法解釋。

Eisen和她的同事在6月26日發(fā)表在《當代生物學(xué)》上的一篇論文中報告了他們的發(fā)現。

這項工作將UO的三代神經(jīng)科學(xué)家聯(lián)系在一起,并為所有研究人員提供了一個(gè)教訓:保留那些實(shí)驗室筆記本。幾年前,Eisen搬到臨時(shí)實(shí)驗室裝修時(shí),發(fā)現了她原來(lái)的精裝筆記本。多年前她用墨水寫(xiě)下的草圖和速記筆記至今仍有意義。

肌肉之謎

1983年,Eisen是蒙特韋斯特菲爾德實(shí)驗室的博士后研究員,剛剛開(kāi)始她在UO的職業(yè)生涯。她是一個(gè)科學(xué)家小組的成員,他們致力于將斑馬魚(yú)作為一種新的模式生物,希望利用這些發(fā)光的小魚(yú)來(lái)探索有關(guān)脊椎動(dòng)物發(fā)展的問(wèn)題。

像小鼠、果蠅和線(xiàn)蟲(chóng)這樣的模式生物使科學(xué)家們能夠進(jìn)行在人類(lèi)身上無(wú)法進(jìn)行的實(shí)驗,回答基本的生物學(xué)問(wèn)題,并為在人類(lèi)身上進(jìn)行更集中的測試提供指導。

斑馬魚(yú)是一個(gè)很有希望的場(chǎng)景。斑馬魚(yú)和人類(lèi)有許多共同的基因,這使得斑馬魚(yú)可以用于測試人類(lèi)疾病和病癥的遺傳基礎。由于斑馬魚(yú)的胚胎是透明的,科學(xué)家可以在顯微鏡下實(shí)時(shí)觀(guān)察發(fā)育過(guò)程。

但在當時(shí),這個(gè)系統的一切都是新的。生物學(xué)家必須弄清楚如何在實(shí)驗室里照顧這些魚(yú),并在實(shí)驗中有效地利用它們。

一天,Eisen和Westerfield正在用黃色示蹤染料突出斑馬魚(yú)的單個(gè)神經(jīng)細胞,以便在顯微鏡下觀(guān)察。他們想要到達的細胞只有通過(guò)在肌肉中插入一個(gè)充滿(mǎn)發(fā)光染料的移液管才能到達。因此,一些染料最終也與肌肉細胞混合在一起。

Eisen和Westerfield對染料在肌肉細胞中擴散的方式很感興趣。它在細胞間傳播的方式表明,細胞之間是直接共享信息的——通過(guò)它們之間的某種物理連接通道,而不是通過(guò)遠距離的化學(xué)信使。

這與我們對成人肌肉細胞如何相互溝通的理解不符。但是,這個(gè)領(lǐng)域逐漸意識到,肌肉細胞之間的聯(lián)系在肌肉發(fā)育過(guò)程中可能很重要。

Eisen在她的實(shí)驗筆記本上勾勒出了她所看到的,Westerfield也是如此。但Eisen說(shuō),沒(méi)有一個(gè)好的方法來(lái)進(jìn)一步探測。雖然當時(shí)的科學(xué)家們知道這些交流渠道的存在,但他們不知道創(chuàng )造它們的基因,也沒(méi)有工具來(lái)詢(xún)問(wèn)它們在做什么。所以這是個(gè)死胡同。

Eisen轉向其他問(wèn)題,在她的職業(yè)生涯中對發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域做出了重大貢獻。今年4月,她被選入美國國家科學(xué)院,這是科學(xué)家享有的最高榮譽(yù)之一。

在過(guò)去的40年里,Eisen和她的同事們,以及世界各地的科學(xué)家們,一直在繼續把斑馬魚(yú)作為一種模式生物;蚣夹g(shù)的進(jìn)步使這種小魚(yú)成為了解生物學(xué)的更有力的盟友。

一條不會(huì )游泳的魚(yú)

幾年前,Eisen的觀(guān)察在另一位UO神經(jīng)科學(xué)家Adam Miller的實(shí)驗室中重新出現。

Miller被Eisen和同事招募到俄勒岡大學(xué),建立一個(gè)研究小組,專(zhuān)注于細胞間的電通訊。他的實(shí)驗室研究神經(jīng)回路如何建立連接并創(chuàng )造行為。其中一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域是間隙連接,即允許電信號在細胞間直接傳遞的物理通道。這些溝通途徑在早期發(fā)育期間尤為重要,因為身體的許多系統正在建立和組織起來(lái)。

斑馬魚(yú)是研究電通信的完美物種。Rachel Lukowicz-Bedford說(shuō),多虧了他們透明的胚胎,“我們可以實(shí)時(shí)成像電流流過(guò)細胞的情況!

在尋找具有不同間隙連接突變的斑馬魚(yú)時(shí),Lukowicz-Bedford有一個(gè)有趣的發(fā)現:一條斑馬魚(yú)不能正常移動(dòng)它的尾巴。通常情況下,斑馬魚(yú)的胚胎會(huì )四處翻滾,并自發(fā)地甩動(dòng)它的尾巴,但這些魚(yú)沒(méi)有這樣做。

當他們做實(shí)驗找出原因時(shí),研究小組意識到這條魚(yú)可能與艾森在20世紀80年代對肌肉細胞的觀(guān)察有關(guān)。

在健康的斑馬魚(yú)身上,研究人員可以觀(guān)察到電信號通過(guò)肌肉細胞之間的間隙連接傳播,就像一縷食用染料擴散到一杯水中一樣。在有這種突變的魚(yú)身上,信號不會(huì )流動(dòng)。這種突變破壞了細胞間通過(guò)間隙連接的電通訊。

研究小組發(fā)現,這種溝通障礙導致肌肉發(fā)育不正常。在普通健康的斑馬魚(yú)中,肌肉纖維是直而有序的。在這條有這種突變的斑馬魚(yú)身上,肌肉纖維是皺巴巴的,波浪狀的,就像皺巴巴的紙帶。

研究人員將這種變化歸因于一種特定基因的突變。通過(guò)一系列實(shí)驗,他們發(fā)現這種基因在正常運作時(shí),會(huì )在肌肉細胞之間形成間隙連接通道,使神經(jīng)系統能夠協(xié)調早期肌肉發(fā)育的活動(dòng)。在發(fā)育過(guò)程中,如果沒(méi)有適當的電信號,肌肉纖維就不能正常組織,導致肌肉纖維起皺和嚴重的肌肉缺陷。

Lukowicz-Bedford說(shuō):“我們發(fā)現這個(gè)間隙連接通道是一個(gè)導管,它允許神經(jīng)細胞的電流發(fā)送到肌肉纖維!

這一發(fā)現回答了Eisen幾十年前的問(wèn)題,她在實(shí)驗室筆記本上勾畫(huà)了這個(gè)問(wèn)題:黃色染料在肌肉細胞之間移動(dòng)是因為這些特定的通信通道。

不過(guò),這些發(fā)現不僅僅是出于好奇,還可以幫助科學(xué)家了解人類(lèi)肌肉的發(fā)育。在肌肉不能正常發(fā)育的疾病中,有缺陷的間隙連接通道可能是一個(gè)原因,這個(gè)聯(lián)系以前是未知的。

“我們在這篇論文中研究的基因不是一個(gè)奇怪的斑馬魚(yú)基因;它也存在于人類(lèi)身上,”Lukowicz-Bedford說(shuō)!巴ㄟ^(guò)使用斑馬魚(yú),我們可以追蹤這種在人類(lèi)中基本未知功能的基因,并能夠了解它在環(huán)境中的作用。我們已經(jīng)能夠揭示一個(gè)非常難以捉摸的基因的功能!

這項研究還表明,不同系統之間的電信號對發(fā)育至關(guān)重要。研究人員認為,類(lèi)似的交流也可能在其他身體系統的發(fā)育中發(fā)揮作用——這可能不僅僅局限于肌肉。

“生物電從一個(gè)器官系統轉移到另一個(gè)器官系統對發(fā)育和成人功能至關(guān)重要,找到導致這種情況發(fā)生的基因,了解它們是如何工作的,以及當通信中斷時(shí)究竟是什么出了問(wèn)題,將為人類(lèi)疾病提供新的見(jiàn)解!


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