细胞凋亡如何推进 以触发波的“名义”

在我们体内，每天有许多新细胞产生，相应地，也有大量旧细胞死去。为了维持体内各组织细胞的适宜数量，其新生与死亡需要达到动态平衡。细胞凋亡，一种由基因精确控制的程序性细胞死亡机制，在这方面则发挥着重要的调控作用。此外，它还能清除无用的细胞，促进人体发育，例如人在胚胎期手指和脚趾的形成。可以说，细胞凋亡无时无刻不在体内运作。

存在于细胞内的蛋白酶Caspase（半胱天冬酶）是细胞凋亡的最终执行者，可以把细胞分解为细小的碎片。当一个细胞大限将至，外界的分子通过与细胞表面的蛋白质受体接触，将死亡信号传递到细胞内，线粒体释放出细胞色素c，激活半胱天冬酶，从而瓦解掉细胞。

距离很“长”，死亡信号要从细胞一端传到另一端

此前有研究发现，在细胞内的死亡信号分子，即激活的半胱天冬酶，总是从一个或几个分散的发源点，传递到各个角落，使细胞达到全局一致的凋亡状态。但具体的传播过程，一直未有实验能够揭示。一个很自然的假设是扩散现象，即分子在某特定区域产生，并向低浓度区域转移，直到均匀分布。一般的体细胞，直径不会超过20微米，死亡信号通过扩散只需要几秒钟，就能从细胞一端传递到另一端。然而，由于扩散速率会随浓度差的减小而逐渐衰减，对于一些大体积的细胞，如可长达20厘米的大腿肌肉细胞，信号的传递得要耗费几十年时间，人体的寿命也不过如此。扩散的理论在这儿就说不通了。那么，细胞内信号的长距离传递又是如何实现的？

美国斯坦福大学医学院的两位科学家程显睿和詹姆斯·费雷尔的一项最新研究，解开了生物学上的这一谜题——死亡信号以触发波的形式在细胞内传递。

触发波是一种自我增强的反应——扩散波，区别于简单的扩散，其传播速度恒定，信号强度不会衰减。如果将扩散现象看作是动物在森林中觅食，那么触发波则是星火燎原。动物的力量会逐渐消耗，行走速度也越来越慢，而由于草木间能彼此点燃，火势凭借这种正反馈作用得以维持。

触发波的产生条件，除了正反馈外，还有空间耦合机制。“我们注意到，参与细胞凋亡的许多细胞质成分存在正反馈，且细胞质不同区域之间可通过扩散进行物质交换。因此，细胞质可以成为触发波的传播媒介。”远在美国的程显睿接受科技日报电子邮件采访时表示，再考虑到触发波的速度恒定，在长距离传播中比扩散快许多，于是他们提出细胞凋亡的传播机制是触发波的假说，并尝试用实验去验证。

一次关灯，研究难题迎刃而解

这次研究材料选用的是非洲爪蟾的卵细胞，其直径约为1300微米，是普通体细胞的100多倍。这样大的体积为信号的长距离传输提供了足够的场所，也方便研究人员区分出究竟是扩散还是触发波在起作用。

科学家将提取的细胞质，放到极细的透明长管里，用荧光探针来标记受到激活的半胱天冬酶，从而检测细胞凋亡在空间的传递。人为触发细胞凋亡后，可以清楚地看到，荧光点从长管一头匀速向另一头移动。经测算得出其传递速度为每分钟30微米，且不会随传递距离而改变。

为了排除这只是将细胞质放入长管后出现的假象，科学家继续对完整的卵细胞进行研究。然而，由于这种细胞不透明，荧光标记法就行不通了，那又如何观测死亡信号的传递呢？这个问题困扰了程显睿几个月。直到某一天，他关掉实验室里为观看荧光信号的荧光灯，把细胞放在普通日光灯下用显微镜观察，一个神奇的现象出现在眼前：正在凋亡的细胞，其表面有一圈环形的深色波纹，从一侧向另一侧移动。通过进一步的研究发现，这种表面波起始于凋亡的触发点，且传播速度与之前的长管试验结果一致，从而有力证明了触发波是细胞内凋亡信号的传播机制。

除了细胞凋亡，触发波也与有丝分裂、神经信号的传导有密切关系。由于它所依赖的正反馈和偶合机制在生物调控中很常见，因此，在詹姆斯看来，今后将会在更多的生命现象中看到触发波的存在，这也是实验团队之后的研究方向。

程显睿告诉科技日报：“很多生物学家还没听说过触发波，但我相信，在不久的将来，它会出现在教科书上。”