本文与 苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）合作发表。
人体在不断进行自我更新。每天，我们体内有数万亿个细胞死亡。与此同时，随着其他细胞分裂，许多新细胞也随之形成。为了分裂，细胞会经历一个称为细胞变圆（cell rounding）的过程，这使染色体得以复制，然后被纳入两个子细胞之中。这一景象每天在我们体内发生数万亿次：细胞在分裂之前，会将其功能所特有的形状改变为球形。子细胞随后会重新呈现出其特有的细胞形状。
细胞变圆在相邻紧密排列的柱状细胞中尤为剧烈且困难，例如形成肠道及其他黏膜和血管壁内衬的上皮细胞。这些细胞就像盒子里紧挨着排列的牙签，与相邻细胞紧密并排。它们在壁组织中几乎没有空间可以变圆以进行细胞分裂。巴塞尔苏黎世联邦理工学院生物系统科学与工程系（D-BSSE）的研究人员现已揭示了其中的相关机制。
膜蛋白使细胞膨胀
上皮细胞迁移至表面以进行分裂。（可视化图像：Sorce B 等，Nature Communications，2015）
细胞变圆的基本机制已为人所知。几年前，生物物理学教授 Daniel Müller 及其团队展示了细胞如何激活其外膜中的分子泵，将钠离子转运至细胞内部。细胞内部离子浓度升高产生所谓的渗透压，使水流入细胞，细胞随之变圆。
利用显微镜可以观察杆状上皮细胞在何处找到空间变圆。“细胞从上皮层迁移至表面，在那里进行分裂，然后再迁回上皮层，”Müller 解释道。
细胞从壁中挤出自身
但细胞如何抵达表面？在一项新研究中，Müller 课题组的成员与D-BSSE的其他研究团队合作表明，上皮细胞使用的机制与所有其他细胞相同。“细胞向内泵入钠离子，并因渗透压而变得紧绷。细胞的内部骨架也随之收缩。于是，细胞能够产生所需的力量，几乎克服外部阻力，将自己从上皮层中挤出，并弹至表面，”Müller 表示。
研究人员在细胞培养中检测到了这一过程。他们与生物系统工程学教授 Andreas Hierlemann 的团队共同开发了一种橡胶微型钉床，在弹性“钉子”（更准确地说是柱子）之间培养上皮细胞。这使研究人员能够在显微镜下观察细胞行为并测量相关力：所产生的细胞力导致柱子变形或弯曲，而这种变形可以很容易地被检测到。
疾病的测试环境
当科学家抑制细胞的离子转运蛋白时，他们发现细胞内盐含量的增加不仅是细胞变圆的原因，也对细胞被“挤出”上皮层起决定性作用。通过测量橡胶柱的偏转，科学家还能够计算细胞为迁移至上皮表面而产生的力。
研究人员甚至将这种微型钉床用作特定疾病的测试环境。例如，已知一些上皮细胞因未能到达上皮层表面进行分裂，因而无法顺利分裂，这可能导致上皮层脱离。这反过来可能导致肿瘤形成并扩散，例如发生在胃、肠、肾或胆囊中。“借助我们的微型钉床，我们现在可以研究细胞无法再拉拽自身上升至表面的条件，”Müller 表示。研究人员已开始在该测试环境中寻找某些疾病的遗传病因。他们还可以利用所开发的方法测试新药的功效。
参考文献
Sorce B 等：有丝分裂细胞收缩肌动球蛋白皮层并产生压力，以对抗或逃离上皮束缚而变圆（Mitotic cell contract actomyosin cortex and generate pressure to round against or escape epithelial confinement）。Nature Communications，2015年11月25日，doi: 10.1038/ncomms9872
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作者：Fabio Bergamin 曾在巴塞尔和斯特拉斯堡学习生物技术，并获得伯尔尼大学免疫学博士学位。
图片：显微镜下的癌细胞。REUTERS。