細胞遷移

細胞遷移，與細胞移動同義，與細胞運動義近，指的是細胞在接收到遷移訊號或感受到某些物質的濃度梯度後而產生的移動。移動過程中，細胞不斷重複著向前方伸出突觸/偽足，然後牽拉後方胞體的迴圈過程。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。若以移動方式與型態來比較，細胞遷移是透過胞體形變進行的定向移動，這有別於其他；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，相比起後兩者，細胞遷移要慢得多。舉例而言：成纖維細胞的移動速度為1微米每分，若以精子的平均遊動速度56.44微米/每秒，即3384微米/每分來比較，兩者差距約3000倍以上。角膜細胞即使比成纖維細胞快上十倍，但是要完成從不來梅到漢堡這93公-{裡}-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。但此等「步緩力微」的細胞遷移，卻是細胞覓食、傷口痊癒、胚胎發生、免疫反應、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課題，科學家們試圖透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。細胞遷移的研究史.1675年，顯微技術的先驅人物安東尼·凡·列文虎克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 °C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。而且這些變長的微絲之間會靠一些蛋白，如細絲蛋白的連線而成網成束，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”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。微絲和一根塑膠棒有著相當的剛性，彎曲所儲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，使之啟用。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，但是伸出後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。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。介面卡蛋白可看作是應力纖維連線整合蛋白的介面。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。它們的結構示意圖請看插圖11。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“週轉”磷酸化，進而影響粘著斑形成。值得一提的還有微管在週轉過程中發揮的作用。20世紀70年代，瓦斯利夫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瞭。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，再透過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 啟用Rho-激酶的機會。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”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。與細胞遷移有關的生理過程.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。胚胎發生.高等動植物成體的結構非常複雜，但都是來自於一個受精卵。受精卵不斷分裂，所得出的細胞會移動，還會透過基因的開啟或關閉進入分化途徑，形成特異的細胞，執行其被指定的功能。胚胎發生。最後階段則是各器官繼續成熟完善至成體狀態。動物的胚胎發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，或者是可以遺傳的遺傳學標籤，將該體節移植入培養了兩天的小雞胚胎中。經過一週後，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的神經節細胞，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，啟用遷移經過的細胞上的"Kit"受體。而"Kit"受體的啟用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，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和促纖維化性細胞因子如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.致病源微生物對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，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。而透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瞭解。1994年研究人員發現，分佈在細胞外或是存在吞噬泡。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進入細胞。另外還有拉鍊機制。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的作用下與內皮細胞黏附。然後，白細胞會在內皮細胞連線處伸出偽足，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尋細菌產物，補體成分，細胞因子和白三烯。這些物質能吸引甚至啟用白細胞，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，啟用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侷促和養分，如氧氣的緊張。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。 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，如晚期子宮頸癌可直接蔓延至直腸和膀胱；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，或是進入血管轉移到遠端受體實現的。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進入血管，經血到轉移後，又以同樣方式出管。癌症轉移過程中涉及的訊號傳遞途徑，竟然有很多是胚胎發育過程中所必需的。科學家在研究中發現越來越多重要的分子，如N-鈣粘蛋白和Ras，都是促成癌細胞遷移的因子。以"ras"基因這個原癌基因為例，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在訊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和腎癌。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，大腸癌和直腸癌中都可見其身影。K-Ras的作用很可能是透過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。溶鞘磷脂，。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。在顯微鏡下透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的分佈，可以大概瞭解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，讓它們更容易透過它們在基底膜開啟的狹窄孔洞。而在1996年被發現的RhoE則飾演著抑制癌症的角色。與其他遊移於啟用/失活狀態的G蛋白不同，RhoE持續與GTP結合，一直處於啟用狀態，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，而且還與患者吸菸史有關。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。