落尘小说

04 细胞的生命活动（第2页）

RNA聚合酶是一种大型蛋白复合体，可在基因起始处与特定位点结合，解开DNA螺旋并复制其中的一条链，以产生互补的RNA链。RNA中的糖分子与DNA中的不同。四个碱基中有三个（A、C、G）是相同的，但T由U所取代。随着RNA聚合酶沿着DNA移动，模板DNA链将重新形成双螺旋结构

细胞是如何移动的

我们对于细胞运动机制的大部分了解源于对体外培养的成纤维细胞的观察。成纤维细胞通过延伸其宽大前缘（即板状伪足）实现移动（参见图3c）。这一过程宛如潮水沿着海滩向上移动一般，其机制涉及板状伪足基底侧细胞膜与物体表面的不断附着与分离。板状伪足的上表面具有褶皱，即细胞膜因折叠而产生的活动波，向细胞后方流动。板状伪足运动源自细胞膜下错综复杂的肌动蛋白丝网的结构变化。在板状伪足前端，肌动蛋白丝将被添加上相应的亚基；在其后端，肌动蛋白丝将发生断裂，并进一步回收至板状伪足前端。丝状伪足（类似于微绒毛）是一种手指状突起，可以“感应”到细胞间隙，使成纤维细胞可以在实体组织中发生移动。成纤维细胞与白细胞常常会发生组织间迁移行为，这是因为它们要履行日常的细胞维护与免疫防御职责。但与此同时，这些行为也提示了癌症的问题所在。肿瘤的产生起始于局部细胞的分裂失控。如果新分裂的细胞团驻留在原位，那么这属于良性肿瘤，通常可以通过手术成功切除或通过放射疗法将其杀死。但癌症的最大问题是转移，在转移过程中，细胞可自原发肿瘤中脱离，穿透周围的组织，最终进入血液。因此这些细胞几乎可以在人体任何部位产生继发性肿瘤。由此可见，阐明细胞（指正常细胞与肿瘤细胞）穿透组织屏障的机制将成为探寻癌症转移抑制疗法的第一步，而这正是研发抑制癌细胞从原发部位扩散的药物的第一步。在过去的几年中，关于转移活性的基因（与细胞迁移有关的基因）及其抑制剂的研究已经取得了一些进展，来源于柑橘皮（改良柑橘果胶）与橄榄油（油酰胺）等的多种化合物已显示出抗细胞转移的活性。

运动是一种涌现性特点吗

1824年，细胞生物学先驱之一的雷内·杜特罗歇（RenéDutrochet）表示：“就物质秩序而言，生命的本质是运动，而死亡则是这场运动的终结。”近200年后，细胞究竟如何将细胞骨架各个组分结合在一起并形成一个独立的运动个体仍是一个未解之谜。细胞运动需要生化信号、能量供给以及结构元件的重组。细胞骨架元件需要生长、收缩并组织自己的行动，但这一过程究竟何时发生？会用到多少力？以及何时会停止？根据美国西北大学芝加哥校区一位研究细胞行为的细胞生物学家——古恩特·阿尔布雷希特-布勒（Gue-Buehler）的说法，“生命的功能引发并控制了其内部分子间的相互作用”。也就是说，整体要大于各部分的总和。如果某一事情的发生可归结于许多复杂系统间的相互作用，那么这一特点可被称为涌现性。在自然界中，群居昆虫便是涌现性的典型例子。例如，白蚁蚁群形成的巨大的大教堂式结构，或是蜜蜂蜂群所产生的蜂窝状产物。细胞的运动可以被认为是细胞骨架分子的涌现性投射结果，这一过程由线粒体所产生的能量以及存储在DNA中的遗传信息提供支持。因此，可以认为组织中数百万个细胞通过形成涌现性现象从而满足了组织的功能需求，然后在组织形成器官时提升到下一个层次，在形成完整生命体时再次提升一个层次。这种观点即便不能准确解释，也可以在某种程度上解释我们自身存在的复杂性。

细胞运动是完全随机的吗

阿尔布雷希特-布勒花费了30年时间对培养的单个细胞的行为进行了观察，并利用间歇性拍摄法积累了大量的素材，得出了一些令人着迷的研究结果：细胞需要，并且确实能够“感知”周围环境，进而做出反应。当一群细胞与其他细胞相遇时，这些细胞会朝相反方向移动。这一现象进一步表明了细胞“知道”它们想要去哪里，也显示了细胞在面对迁移过程的意外事件时所做出的“选择”。布勒发表的关于培养细胞行为的研究结果似乎也表明了在数个细胞直径的距离内存在细胞的定向运动与显著的细胞偏好。布勒称之为“细胞智能”，同时指出这种行为需要传入信息，其中可能涉及红外光的参与。他认为细胞可以在几个细胞直径的距离范围内通过发射和接收红外光实现细胞通信。鉴于这一研究领域尚未得到确切的成果，因此很难评估其真正意义。但毫无疑问的是，这些研究是十分有趣的。用布勒自己的话来说，“细胞行为是由非常复杂的数据集成系统所控制的，而迄今为止，这是生物学家尚不了解的领域”。

如果说，在相对简单的培养皿中已经需要复杂的机制来控制细胞运动的进行，那么在人体内则更是如此。血细胞通过循环系统被泵送至全身，通过红细胞为各个组织提供氧气，多种白细胞负责机体的免疫监视。为了到达受伤或感染部位，白细胞必须离开循环系统。这主要通过以下方法实现：首先，白细胞将其自身附着于小血管壁上，并通过一种被称为凝集素的黏附分子（有点像多爪锚）使自身静止下来。然后，白细胞利用一种被称为整合素的强黏附蛋白使自身附着更为稳定。此时，白细胞便像在人群中穿梭一般，完成其在血管内皮细胞之间的迁移，并与入侵的细菌正面交锋，进而通过自身破裂的方式释放出细胞内的抗菌成分（这将在第6章进行详细描述）。一旦细菌被成功杀灭，其残骸将会被巨噬细胞所吞噬。尽管整个血液系统中始终存在着进行循环的“巡逻”细胞，但这种免疫反应的响应速度与特异性仍令人惊叹。在另一类白细胞（T细胞）的产生过程中，也存在着定向迁移。T细胞在离开骨髓时仍处于未成熟的前体阶段，随后它们将通过类似的自动寻向与黏附机制迁移至胸腺中完成发育。尽管目前我们对于人体内细胞的迁移机制有了一定的认识，但仍远未清楚了解其整个过程。

我们的细胞寿数几何

本杰明·富兰克林（BenjaminFranklin）有句名言：人的一生中只有两件事情是确定的，一是死亡，二是赋税。这一说法仅仅部分适用于细胞。若是用细胞的语言来表示“结束”，那么有两种选择：分裂或死亡。一个细胞可以通过分裂的方式来“避免”死亡，但代价却是“牺牲”自己独特的存在，成为两个子细胞。大多数子细胞是相同的，并且将具有相同的命运，即通过分化行使特定的功能，最终死亡并被新生细胞所替代。对于某些白细胞，如嗜中性粒细胞而言，其寿命可能不超过几个小时，而红细胞的寿命则可能长达120天。斯德哥尔摩卡罗林斯卡研究所（KarolinskaInstitute）的乔纳斯·弗里森（JonasFrisen）认为，我们体内的大多数细胞在整个生命周期中均会被替换，其平均替换时间为7～10年。然而，有三种细胞将陪伴我们一生，它们是大脑皮层的神经元、眼球晶状体内部的细胞，以及可能令人惊讶的——心肌细胞。对于活到100岁的老人，他的心肌细胞竟已收缩了30亿次！眼球晶状体内部的细胞在结构上与角质化皮肤细胞非常相似，细胞内几乎充满了角蛋白纤维，但这些纤维以高度组织化的晶体排列形式沉积在细胞内，从而使得透光率达到最大。随着时间的流逝，这种晶体结构可能受到破坏，晶状体的细胞变得不再透明，这将导致白内障的发生。

细胞死亡

正如前文所述，人体内细胞的具体寿命可能存在数小时至数十年之间的差异。事实上，细胞的死亡可能是由多种原因引起的。直接的创伤（如机械损伤），或极热、极冷的刺激，均会对细胞产生直接的影响，导致细胞膜破裂或蛋白质变性。这些变化将不可逆转地打破细胞的内在平衡，导致细胞死亡。这有点像一个人突然遭受暴力而死亡，例如在交通事故或战争中丧生。在细胞中，这种死亡被称为坏死。

另一种更为有趣的细胞死亡现象是所有多细胞生物必须经历的过程。这一现象最初在发育生物学研究中被观察到，但随后人们发现，所有未能正常分裂的细胞均可能触发这种“自杀通路”，从而及时制止“流氓”细胞持续性复制所带来的威胁。这一现象被称为程序性细胞死亡或“细胞凋亡”（apoptosis，源自希腊语，意为“落叶”），由阿伯丁大学的病理学家阿拉斯泰尔·库里（AlastairCurrie）、约翰·克尔（JohnKerr）与安德鲁·威利（AndrewWylie）于20世纪70年代首次发现。他们通过电子显微镜观察到导致细胞死亡的一系列特征性变化。经过十多年的时间，“细胞凋亡是维持组织内细胞状态的主要生物学机制”这一观点才被广泛接受。细胞凋亡不会触发免疫反应（而坏死则可能会触发），因为凋亡细胞的残骸可被邻近的健康细胞吸收（吞噬），也就是说，这些凋亡细胞内的物质均被有效地“回收”了。细胞凋亡在发育过程中常常会发生。例如，人类手指之间的带状组织、两栖动物的尾巴均需要被去除，昆虫的变态发育过程也涉及了细胞凋亡。在发育过程中，不再被需要的细胞首先会开始萎缩，它们的表面会产生球状突起的膜泡（如图12a所示）。通过缩时显微技术可以观察到细胞凋亡是一个非常活跃的变化过程。在此期间，细胞表面就如同火山沸腾的泥浆池一般。而在细胞内部，细胞核内容物将全部瓦解，染色质聚集成特征性致密团块（这也是凋亡细胞的特征性外观，如图12A也将断裂成小的片段。

当认识到凋亡是细胞死亡的普遍过程后，研究人员便开始认真探索“细胞自杀”这一过程究竟是如何启动的。细胞凋亡包括两条通路，通常取决于触发来源是外部因素还是内部因素。外源性细胞凋亡由外部信号所触发，这些刺激信号能够与细胞膜上的“死亡受体”相结合，进而引发细胞自杀。这种类型的细胞凋亡通常发生于免疫反应中，可作为一种细胞杀伤的手段。内源性细胞凋亡发生于胚胎发育过程中的特定阶段，或因DNA的广泛破坏（例如电离辐射）而触发。此外，DNA的复制受损也可以导致细胞凋亡，但值得庆幸的是，细胞内同时也存在DNA修复机制，可以通过校对质量控制系统及时发现可导致突变蛋白产生的致命错误。

图12细胞凋亡（程序性细胞死亡）

a。在最初的时候，细胞表面会起泡；b。线粒体失去其内部结构；c。细胞核内容物聚集在一起；d。线粒体膜表面出现小孔

细胞自杀的机制

那么细胞是如何结束自己生命的呢？其机制便在于线粒体。在尼克·莱恩（Nie）的著作《能量、性与自杀：线粒体与生命的意义》（Power，SexaodriaandtheMeaningofLife）中，莱恩将线粒体称为“死亡天使”。当细胞凋亡发生时，最初的一些变化便发生于线粒体内膜上。凋亡所伴随的异常生化活动可以导致线粒体内膜遭受破坏，从而出现穿孔现象（图12b、12d所示）。此时，线粒体将通过膜上新形成的小孔向细胞质释放出细胞色素c（一种对线粒体能量产生功能至关重要的蛋白），从而触发细胞凋亡。有研究表明，将凋亡细胞的线粒体转入健康细胞中可导致健康细胞凋亡，这一结果证实了线粒体在细胞凋亡中的重要作用。线粒体释放的细胞色素c可与细胞质中的其他几种蛋白质结合，形成凋亡小体复合物，进而激活一连串的“刽子手蛋白酶”，它们不仅可以杀死细胞，还可以导致细胞核与细胞质的碎裂，便于其被邻近细胞吞噬。

鉴于内源性细胞死亡是发育进程中的一部分，这提示了凋亡基因存在的可能性。美国的鲍勃·霍罗维茨（BobHorovitz）通过对秀丽隐杆线虫的研究，发现了几个与程序性细胞死亡相关的基因，因此与英国剑桥的约翰·苏尔斯顿（JohnSulston）和悉尼·布伦纳（SydneyBrenner）共同获得了2002年诺贝尔奖。秀丽隐杆线虫是一种被广泛研究的线虫。在发育过程中，秀丽隐杆线虫的1090个细胞中有131个因细胞凋亡而消失。

在这些“细胞死亡”基因中，有几个是哺乳动物癌细胞中常常发生突变的基因，这证实了细胞凋亡是清除DNA受损细胞的重要机制。细胞死亡基因的突变将导致细胞凋亡受阻，从而使得DNA受损或突变的细胞异常发育并形成肿瘤。在大卫·莱恩（DavidLane）19岁时，他的父亲因癌症而去世，因此莱恩一生致力于研究正常细胞发生癌变时所发生的变化。1979年，他发现了一种几乎在所有癌细胞中都会失活或缺失的蛋白——p53蛋白。如果功能正常的p53以正常的水平存在于分裂细胞中，且细胞发生了DNA损伤（或DNA复制出现了错误），那么p53将触发细胞凋亡，或者启动细胞衰老的通路，阻止分裂行为。因此，p53被称为肿瘤抑制基因和“基因组的守护者”。凋亡与衰老细胞将被免疫细胞识别（请参阅下一章内容），并通过吞噬作用被清除。因此，即使在癌症晚期，恢复“p53反应”也可以产生强大的防御作用，导致肿瘤体积缩小并阻止其进一步生长。但不幸的是，将正常的p53导入癌细胞中并非易事，一些分子生物学策略目前仍在研发中。通过基因疗法来治疗多种疾病的希望仍未真正实现，这是因为将基因及其产物以正确的数量和时间导入细胞中，同时避免产生严重副作用是一件极为困难的事情。截至2010年，美国食品与药品管理局尚未批准通过任何基于p53的治疗药物；值得注意的是，中国在基于p53的治疗研究中取得了重大的进展，一种名为“今又生”（Gendie）的药物已被用于头颈癌的治疗中。

[1]在细胞生长繁殖过程中，一般前一周期的结束就是下一周期的开始。可是有些细胞不进入下一周期，而是暂时退出了细胞周期，细胞此时所处的时期称为G0期。