细胞迁移

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细胞迁移（英文：Cell migration，中文也有译作“细胞移行”，或“细胞运动”）指的是细胞在接收到迁移信号或感受到某些物质的浓度梯度后而产生的移动，过程中细胞不断重复着向前方伸出突足，然后牵拉胞体的循环过程。细胞骨架和其结合蛋白是这一过程的物质基础，另外还有多种物质对之进行精密调节。细胞迁移是通过胞体形变进行的定向移动，这有别于细胞靠鞭毛与纤毛的运动，或是细胞随血流而发生的位置变化。而且相比起后两者，细胞迁移要慢得多。成纤维细胞（Fibroblast；纖維母細胞）的移动速度为1µM/min，角膜细胞（Keratocyte）即使比它快十倍，但是要完成从不来梅到汉堡这93公里的路程仍需要17123年。而且细胞用力甚轻。成纤维细胞胞体收缩的力只有2×10^-7牛顿，而角膜细胞的则是2×10^-8牛顿（一牛顿约为人用手举起一鸡蛋所用的力）^[1]。但是，这样的步缓力微的运动，却是细胞觅食，损伤的痊愈，胚胎发育，免疫，感染和癌症转移等生理现象都涉及到的。因此细胞迁移是目前细胞生物学研究的一个方向，科学家试图通过对细胞迁移的研究，在阻止癌症转移，植皮等医学应用方面取得更大成果。

[编辑] 细胞迁移的研究史

1675年，显微技术的先驱人物安东尼·凡·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）往英国皇家学会寄出一封信，里面描写了细菌的运动。这封信可以说是打开了科学家对细胞迁移研究的第一页。在往后这300多年时间里，人们就一直试图去理解细胞迁移过程的细节。

而细胞迁移的关键物质—细胞骨架则要等到20世纪才被发现。虽然1939年科学家阿尔伯特‧山特吉尔吉（A.Szent-Györgyi）就已发现细胞骨架的成分—肌动蛋白和肌球蛋白，但是因为电子显微镜制作样本需要对样品进行0到4°C的低温固定，在这样的温度下细胞骨架会被破坏，即所谓的“解聚”。所以当时认为细胞质不过是一“蛋白汤”，各种细胞器悬浮于细胞质液（Cytosol）中。但在60年代后，人们使用戊二醛常温固定的方法开始逐渐发现细胞骨架。科学家发现，细胞骨架在这个细胞迁移过程起到承载和支撑的作用。在20世纪末21世纪初，科学家对细胞迁移复杂机理的认识有了非常大的进步，对细胞与基质的粘着，非对称性极化和胞内分层运动都有了进一步的了解。但是整个过程其实仍未被了解透彻，很多中间过程就是连起作用的物质都未明。科学家对其中部分需要进行假设，再进一步通过实验去证实。

[编辑] 研究技术

研究技术方面，新科技对细胞迁移研究起到了极大的推动作用。科学家通过ECIS技术可以观察到细胞在传统细胞培养甚至是液体环境中的移动行为^[2]。根据ECIS技术观测细胞电学参数的能力，ECIS技术还可以量化测量肿瘤细胞迁移过程中细胞层形态变化^[3]。同样是在肿瘤研究领域，ATIM（Fluorescence- Assisted Transmigration Invasion and Motility Assay，荧光协助转移侵入和运动分析法） 提供了快速定量细胞侵入的更好的办法，允许检测大量样品和不同条件下时间依赖性侵入。更重要的是，这一系统可以方便地通过在多孔膜上增加胞外基质的厚度来监测细胞侵入结构的深度^[4]。韩国延世大学的朴宗哲和朴峰珠则发展出一套细胞跟踪系统。它是由计算机辅助的时间流逝显示微观复制系统，其中有影象形成过程软件，其程序编制含有自动影象分析和自设计CO2微小细胞培育器，它的功能是在一个倒置显微镜平台上对于细胞迁移进行迅速而精确的分析从而形成细胞的培育。目前已知他们运用这一计算机辅助系统计算了外细胞间质(ECMs)覆盖表面的细胞迁移过程^[5]。

斑马鱼是目前在该领域最常用于研究的生物。细胞迁移是脊椎动物胚胎发育的核心过程之一。细胞从原分裂生成的部位移动到目的部位就是细胞的迁移。斑马鱼的有着很大的优势，首先是其胚胎能在母体外发育，速度快，受精24小时后身体的器官已大部分就位。而且其胚胎透明，在高分辨率快进摄影技术的帮助下，人们可以很好的观察到细胞迁移的过程。人们利用绿色荧光蛋白（GFP）可以观察到细胞在斑马鱼体内的分布情况^[6]。

[编辑] 参与细胞迁移的分子

细胞迁移是由外源信号和内在因素，如遗传信息引起的。而细胞运动的物理过程则是细胞内部细胞骨架和分子马达促成的。信号分子会影响这两种分子的分布，结构和活性。

[编辑] 信号分子

在一定条件下，细胞外的化学信号能引发细胞的定向移动。这些信号有些时候是底质表面上一些难溶物质，有些时候则是可溶物质。而可溶物质通常不是均匀溶解在溶剂中，而是靠近源的区域浓度大，远离源的区域浓度低，形成所谓的“浓度梯度”。细胞膜上的受体可感受到这些环境信息，并且逆着浓度梯度去追根寻源。这种行为，被称为化学趋向性。例如盘基网柄菌（Dictyostelium discoideum）逆着cAMP浓度梯度的运动。白血球也会受到一些细菌分泌的三肽化学物质f-Met-Leu-Phe（N-甲酰蛋-亮-苯丙氨酸）吸引而往细菌移动，发挥其免疫功能。

信号分子有很多，可以是肽，代谢产物，细胞壁或是细胞膜的残片，但是作用方式却是一样的，就是与细胞膜表面上的受体结合，启动细胞内信号，完成一系列的反应，去激活或抑制肌动蛋白结合蛋白的活性，最终改变细胞骨架的状态。

[编辑] 细胞骨架

细胞骨架的定义分为狭义和广义两种，前者是微丝，微管和中间纤维的总称，它们存在于细胞质内，又被称为“胞质骨架”。后者还包括细胞外基质（extracellular matrix），核骨架（nucleoskeleton）和核纤层（nuclear lamina）。细胞骨架是细胞内运动，细胞器固定，细胞外型维持，信号传导和细胞分裂的物质基础之一。

[编辑] 微丝和其结合蛋白

微丝是由双股单链扭曲而成的。

微丝是由肌动蛋白（Actin）组成的直径约为7nm纤维结构。肌动蛋白单体（又被称为G-Actin，全称为球状肌动蛋白，Globular Actin）为球形，其表面上有一ATP结合位点。肌动蛋白单体一个接一个连成一串肌动蛋白链，两串这样的肌动蛋白链互相缠绕扭曲成一股微丝。这种肌动蛋白多聚体又被称为纤维形肌动蛋白（F-Actin，Fibrous Actin）。

微丝能被组装和去组装。当单体上结合的是ATP时，就会有较高的相互亲和力，单体趋向于聚合成多聚体，就是组装。而当ATP水解成ADP后，单体亲和力就会下降，多聚体趋向解聚，即是去组装。高ATP浓度有利于微丝的组装。所以当将细胞质放入富含ATP的溶液时，细胞质会因为微丝的大量组装迅速凝固成胶。而微丝的两端组装速度并不一样。快的一端（+极）比慢的一端（-极）快上5到10倍。当ATP浓度达一定临界值时，可以观察到+极组装而-极同时去组装的现象，被命为“踏车”。

微丝的组装和去组装受到细胞质内多种蛋白的调节，这些蛋白能结合到微丝上，影响其组装去组装速度，被称之为微丝结合蛋白（association protein）。

微丝的组装先需要“核化”（nucleation），即几个单体首先聚合，其它单体再与之结合成更大的多聚体。Arp复合体（Actin related-protein）是一种能与肌动蛋白结合的蛋白，它起到模板的作用，促进肌动蛋白的多聚化。Arp复合体由Arp2，Arp3和其它5种蛋白构成。

封闭蛋白（end-blocking protein）则是微丝两端的“帽子”。当这种蛋白结合到微丝上时，微丝的组装和去组装就会停止。这对一些长度固定的蛋白来说很重要，如细肌丝。

而蛋白Profilin则是促进多聚的，相应地促解聚的蛋白则有Cofilin。纤丝切割蛋白（filament severing protein），如溶胶蛋白（Gelsolin），能将微丝从中间切断。粘着斑蛋白（Vinculin）则能固定微丝到细胞膜上，形成粘着斑。交联蛋白（cross-linking protein）有两个以上肌动蛋白结合位点，起到连接微丝的作用，其中，丝束蛋白（fimbrin）帮助微丝结成束状，而细丝蛋白（filamin）则将微丝交联成网状。

[编辑] 微管

微管是另一种具有极性的细胞骨架。它是由13 条原纤维（protofilament）构成的中空管状结构，直径22—25nm。每一条原纤维由微管蛋白二聚体线性排列而成。微管蛋白二聚体由结构相似的α和β球蛋白构成，两种亚基均可结合GTP，α球蛋白结合的GTP 从不发生水解或交换，是α球蛋白的固有组成部分，β球白结合的GTP 可发生水解，结合的GDP 可交换为GTP，可见β亚基也是一种 G 蛋白。微管和微丝一样，具有生长速度较+端和较慢的-端。

20世纪70年代，瓦斯利夫（Vasiliev, J.M）和他的工作小组用噻氨酯哒唑处理了金鱼的成纤维细胞，细胞内的微管被破坏。这时细胞会失去极性。后来他们提出了微管在细胞迁移中的作用：“稳定住细胞边缘活动的和不活动的部分。”后来，当科学家再发现，微管会伸展并终止于在细胞前进端早期形成的底质粘着斑那里，所以他们认为微管能稳定细胞与底质的粘着。但是后来的发现是，微管对粘着起到的作用是负面的。微管会限制粘着斑的形成，并且会促进后者在细胞的其它部位被重新利用，后面这种现象被称为粘着斑的周转（Turnover）。

等到研究技术允许作活细胞观察的时候，人们才终于认识到，微管与粘着斑的相互作用并非如先前那样认为的少，而是非常的频繁。科学家后来利用隐失波显微术（evanescent wave microscopy）观察得到的结果同样证实了这种观点的正确性。

[编辑] 分子马达

I型和II型肌球蛋白

分子马达（Motorprotein）是一类蛋白质，它们的构象会随着与ATP和ADP的交替结合而改变， ATP水解的能量转化为机械能 ，引起马达自身并引起与其结合的分子产生移动。例如肌肉中的肌球蛋白（Myosin）会拉动粗肌丝向中板移动，引起肌肉收缩。而另外两种分子马达：驱动蛋白（Kinesin）和动力蛋白（Dynein），它们能够承载着分子“货物”——如质膜微粒，甚至是线粒体和溶酶体，在由微管构成的轨道上滑行，起到运输的作用。

而肌球蛋白则是微丝结合蛋白，最早发现于肌肉组织，1970年代后逐渐发现许多非肌细胞的myosin。。其家族有13个成员，每个成员的结构都分为头，颈和尾部三个部分，形似豆芽。其中I和II型是研究得最彻底的分子马达。肌球蛋白除了参与肌肉收缩外，还被认为是细胞迁移所需的重要分子之一。I型肌球蛋白是单体，II型和V型则是二聚体。趋向微丝的+极运动。蛋白的头部能就尾部作屈伸运动，并在“屈”的时候拉动微丝相对向后运动。

[编辑] 细胞迁移过程

细胞迁移整个过程可以用下面一张流程图表示：

[编辑] 运动方向的确定和极化

细胞要“有效”的运动，首先要确定哪里是“前方”，否则会出现细胞体两部分同时向相反方向运动的情况（这在一些神经系统不发达的无脊椎动物中是可以见到的）。而这个确定方向的过程，其实是细胞内与运动有关的物质，如钙离子，肌球蛋白，和各类细胞骨架物质的重新分布的过程，因此细胞显出“极性”，这个重新分布的过程也因而被称为细胞“极化”（Polarization）。细胞可以靠其表面的受体顺着诱饵的浓度“嗅”到其发放的源头或“感受到”底质上的“路标”而确定自身去向，前者被称为细胞的化学趋向性。这两种机制好比一个人或者是顺着楼梯行进或是依着路标的指示驾驶一样。

[编辑] 化学趋化性

细胞的化学趋向性是指细胞具有沿着外界某一物质的浓度朝向或是背离发放源运动，甚至形变的能力，这是一种基本的细胞反应。例如阿米巴盘基网柄菌（Dictyostelium discoideum）会凭这种能力去寻找外界的养料，哺乳类动物细胞在这方面的行为和它很相似。当细胞饥饿时，它会极化并且在周围寻找环腺苷酸（3,5-cyclic adenosine monophosphate），简称cAMP。cAMP在胞膜上有四种受体，分别被命名为cAR1—cAR4。它们和膜内其中的G蛋白三联体（G Protein）相偶联。这里所说的G蛋白是其4大家族里面的Gi家族。该家族的作用是抑制cAMP的生成。但是也可在其他哺乳类细胞里面看到其它的信号传导策略，例如cGMP，Ca²⁺和IP₃水平的短暂上升。而三磷酸磷脂酰肌醇（Phosphatidylinositol tris phosphate），简称PI(3,4,5)P₃则是阿米巴和白细胞极化过程中的枢纽物质。

[编辑] 路标信号

根据H. Knaut试验照片所作的示意图。图宾根马克思·普朗克研究所制作的斑马鱼奥德修斯变种与正常胚胎对比示意图，36小时大。上图为正常胚胎，下图为奥德修斯变种。正常的胚胎，生殖细胞集中在中线，然后从那里开始向将来要成为性腺的部位迁移。而奥德修斯变种则因为化学受器Cxcr4b的变异，不能对作为路标的信号分子作出识别，而游离于胚胎各处。

细胞迁移时，细胞对路径的识别可能涉及多种分子和机制。不同的细胞可能使用不同的分子组合作迁移指引。德国图宾根马克思·普朗克研究所为了了解细胞究竟是凭哪些信号分子识别路径，而在斑马鱼中制作出所谓的“奥德修斯变种”，探明了一对配体和受体组合：SDF-1和Cxcr4b，它们是性腺细胞从发生位置迁移到日后性腺的路标和“盲公棒”。正常的生殖细胞会在斑马鱼胚胎发育时期与其他细胞集中在身体中线然后从那里开始向将来的生殖腺迁移。而研究人员则为斑马鱼胚胎引入突变，成为奥德修斯变种。他们发现，性腺细胞因为细胞膜上的化学趋向受体Cxcr4b发生了变异，不能识别拥有“路标”作用的信号分子，而迷失了方向。它们游离于身体各处。而Cxcr4b也是白细胞游向细菌过程中的重要分子。而在人体和老鼠体内发现，Cxcr4b分子在HIV感染T细胞，B细胞和神经细胞的移动中都起着重要作用。

而免疫学研究则表明，“路标”是SDF-1（stromal cell derived factor 1，中译：基质细胞来源因子1 ），该因子对多种细胞均具有趋化作用^[7]。也就是说，SDF-1是Cxcr4b的配体。研究人员为了证实这一点，除了观察正常胚胎之外，还制作了两种变种：第一变种在性腺细胞的必经之路上SDF-1浓度被降低，性腺细胞又成了“奥德修斯”。而第二种变种则是将SDF-1分子散播在斑马鱼身体的其他部位，观察性腺细胞迁移出错。

斑马鱼体侧线形成期间，三种细胞（其中，神经元的轴突参与该过程）的迁移情况

斑马鱼胚胎体侧线示意图

而研究人员还发现SDF-1对斑马鱼体侧线的细胞迁移有关。鱼通过一些细小的感受器—神经丘（neuromast）^[8]感受水流变化，这些神经丘排列成线列于鱼体侧皮下，从100多个表皮细胞（被称为体侧线原基细胞，英文：Primodium）分化而成，从耳后基板（Placode）排列直至尾部。它们与体侧线神经相连，通过这些神经传导冲动到中枢再作信号整合。而神经纤维（即神经细胞的轴突）是由神经胶质细胞包绕。因此体侧线，体侧线神经纤维和神经胶质细胞是很适合作为研究多种类型细胞共同迁移的模型的。研究发现，三者的迁移是同时进行的。神经胶质细胞跟着神经纤维前进，但神经纤维即使没有胶质细胞的陪伴，也能找出正确的路径。而神经纤维则是跟着体侧线原基细胞前进。

体侧线原基细胞也是透过Cxcr4b分子的帮助去识别路径分子SDF-1。原基细胞的Cxcr4b如果发生变异，细胞不能前移。神经纤维即使正常，也只能因为“领路人”而停步。但是神经纤维即使有变异的Cxcr4b，却也能跟着原基细胞前进。总结说来，原基细胞“拉着”神经纤维行进。马克思·普朗克研究所这项工作也是对很早就已被提出的“神经纤维（轴突）跟着它所支配的感受器迁移”假设的首次证实。这种“拖拉”机制不但在胚胎发育阶段，也在动物的长成阶段，保证了神经纤维与感受器的正确连接。

而神经胶质细胞的迁移则涉及ErbB信号传导通路。神经胶质细胞膜上具有神经调节蛋白受体erbB2和erbB3，它们会接受来自神经纤维的信号分子，并跟随前进。这种机制保证了胶质细胞与神经纤维的紧密结合^[6]。

[编辑] 极化

当细胞胞膜上的受体接触到周围环境里面的迁移信号分子之后，细胞内部与细胞迁移有关的物质会重新分布，为迁移做准备。

[编辑] 运动的四个步骤

当人们观察角化细胞的迁移时，可看到细胞体外形的改变。这可以类比于人的步行过程，首先是确定前进方向，然后是重复一系列动作循环，即一只脚先往前踏出，并且在地上踏实，而鞋纹则有防止向后滑的功能，再是上身重心前移，最后是后脚提起并向前脚靠拢，完成一个循环。

[编辑] 细胞前端突出

细胞迁移过程的四个步骤

这是上面说到的步行过程中前脚伸出。细胞首先会伸出极状足（英文：lamellipodium，中文也有译作“薄片状伪足”和“层形足板”），而细胞前端的肌动蛋白纤维（英文：Actinfilament，即微丝）会因为纤维个体分子的不断加入而变长，这个过程被称为多聚化（Polymerisation），这些变长的微丝之间会靠一些蛋白，如Arp2/3的连接而成网成束，加强其韧性。但这些现象并未能提供足够理由，为什么细胞膜能向前突出。有一假说认为，不断变长的微丝在内部不断地“顶”着细胞膜往前，一如精子的顶体反应。

[编辑] 突出与底质的粘着

该步对应于人的前脚固定。不论细胞的前端是如何向前伸出的，但是伸出后的极状足需要在底质上固定。在显微镜下可观察到肌动蛋白束在细胞前端内部往落点上固定，并发展为一块具有一定结构的斑，被称为“粘着斑”。粘着提供摩擦力，能使细胞巩固向前迈出的步伐而不致向后“滑”。

[编辑] 细胞体前移

当细胞前端固定好之后，细胞的主体就可以前进了。但是这个主体推进的过程细节并不明了。现认为，细胞核和细胞器是被“系”在细胞内部纵横交错的细胞骨架上的。肌球蛋白的不断运动，使得这些“货物”得以不断被往前拉。这个过程，非常有可能是肌球蛋白作用的结果。

[编辑] 牵引尾部往前

最后一步，类似于人步行时后脚往前收。细胞后端，或称为尾部与底质分离并被牵往前方。这个过程可能与应力纤维的收缩，或是简单的细胞弹性变形有关。值得注意的是，细胞后端是被“撕”（ripping）离底质的。就是说，细胞的尾部会在底质上留下一部分细胞膜残片。

[编辑] 细胞迁移的调控

细胞对迁移的调控极为复杂，它是一系列分子共同作用的结果。^[9]

[编辑] 与细胞迁移有关的生理过程

细胞迁移是多种生理过程的前提，例如创伤恢复，神经嵴细胞的移行，还有癌细胞的转移。

[编辑] 细胞迁移与疾病

目前人们对肿瘤的研究是多方面的，从癌症的产生到转移，血管供给以及分裂增殖都一直是医学和生物学研究的热点。癌症的转移是通过血管，淋巴管，甚至是简单的物理转移（如胃癌细胞因胃穿孔跌落并殃及卵巢）。而前两者都涉及到癌细胞进入和离开管道的细胞迁移过程。因此对细胞迁移更详尽细节的研究，有助于提供更新的肿瘤治疗方法。

[编辑] 注释及參考文獻

[编辑] 參考书目

• Wedlich, D: Cell Migration in development and disease, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA, Weinheim ISBN 3-527-30587-4
• Lodish, H.; Berk, A.: Molekulare Zellbiologie, 4. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag GmbH Heidelberg, Berlin 2001 ISBN 3-8274-1077-0
• 田润刚：细胞生物学教程，第4版，绍兴文理学院生物科学系，2004年
• Gilmour, D.; Knaut, H.: Zellwanderungen im Embryo des Zebrafisches: Wie Zellen ihren Weg beim Aufbau von Organen finden. 2006 Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, Tübingen
• Johmann, K.: The Computer inside you, 4th Edition, 1998.

[编辑] 连接

• 以细胞移行为主题的网站，里面提供了关于细胞迁移的描述，还有大量的相关文章