重庆医科大学汪凯的科学博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/Kwang02 重医感染性疾病分子生物学教育部重点实验室——汪凯的个人主页

博文

Science: 单个细胞也能独立做决定?How are decisions made in a cell?

已有 681 次阅读 2022-7-29 07:50 |系统分类:论文交流

我们时刻需要做出一些决定,这不是一件简单的事。头脑聪明的人眼观六路、耳听八方,综合各种感官接收到的外界信息,具体情况具体分析,最终做出合适的决策。科学家们把大脑的这种本领称为多感官或多模态感知。

“Who/what makes decisions in the cell?” 

How are decisions made in a cell?

The enigma of how the same genome shared by approximately ten trillion cells in a human body can give rise to the few hundred widely divergent cell phenotypes with their specific functions that we can observe. We do not understand who decides in the cell and how decisions are made, for instance, the decision to become a neuron, a Blymphocyte, a retinal-rod cell, a muscle cell, or an osteoblast. Without having solved this problem, we must admit that we are still missing a major piece in understanding how a cell “works.”

    我们常常认为,大脑是人体的决策器官,它能够统筹信息,并且准确的传达信息,没有大脑的生物无法像拥有大脑的正常人类一样做出正确决策。然而研究表明,没有大脑的生物仍然可以做出决策,单细胞生物就拥有这项技能。

 一个多世纪前,美国动物学家赫伯特·斯宾塞·詹宁斯对一种叫做Stentor roeselii的相对较大、喇叭状单细胞生物进行试验,结果显示,当他在这些单细胞生物周围释放一种刺激性胭脂红粉末时,观察到单细胞以一种可预见的模式进行反应。他于1906年发表的研究报告《低等生物行为》中描述了单细胞的行为特征。

 Stentor roeselii先试图避开身体周围的粉末,如果该措施无效;它们就会逆转纤毛运动,推开周围的粒子,它的纤毛是实现移动和进食的毛发状突起;如果以上两种情况均无效,该单细胞生物就会迅速收缩,最终如果所有方法都失败,它就会脱落表面碎屑,快速游走。

“细胞并不仅仅是由基因编程来完成任务,它们存在于一个非常复杂的生态系统,在某种程度上相互沟通和协调,对信号做出反应和决策,单细胞生物的祖先曾经统治着远古地球,很可能它们比人们所认知的更加复杂。”哈佛大学布拉瓦特尼克研究所(Blavatnik Institute at HMS)系统生物学副教授杰里米·古纳瓦德纳(Jeremy Gunawardena)认为:“这个实验迫使我们去思考存在着某种形式的细胞‘认知',其中单个细胞能够进行复杂的信息处理并作出相应的决策。所有生命都有相同的基础,我们的研究结果至少为我们提供了一个证据,证明我们为什么应该拓宽视野,将这种思维纳入现代生物学研究中。”


   科学家们最近发现表明:一个简简单单的细胞在这方面与人类没有什么不同。尽管没有眼睛、耳朵、大脑,细胞也会多模态感知,综合多方信息,做出重要的决定,比如是要一分为二还是保持原样。

    2022年7月14日,瑞士苏黎世大学(University of Zurich)的科学家将他们的这一发现“Multimodal perception links cellular state to decision making in single cells”发表在了顶尖学术期刊Science《科学》上。

摘要Abstract

Individual cells take decisions that are adapted to their internal state and surroundings, but how cells can reliably do this remains unclear. Using multiplexed quantification of signaling responses and markers of the cellular state, we find that signaling nodes in a network display adaptive information processing, which leads to heterogeneous growth factor responses and enables nodes to capture partially non-redundant information about the cellular state. Collectively, as a multimodal percept, this gives individual cells a large information processing capacity to accurately place growth factor concentration within the context of their cellular state and make cellular state-dependent decisions. We propose that heterogeneity and complexity in signaling networks have co-evolved to enable specific and context-aware cellular decision making in a multicellular setting.

这一发现来自研究人员对数百万个细胞的分析。利用苏黎世大学开发的一种技术,研究人员能够通过荧光显微镜同时看到并测量单个细胞中多达80种不同的蛋白质和蛋白质修饰。从细胞表面感知特定外界刺激的受体,到细胞内部信号传递过程的关键节点,以及代表细胞状态的一些关键线索,它们的变化可以同时展现在研究者的眼前。

他们发现,单个细胞有巨大的信息处理能力自主做出决定。以“是否要分裂增殖”这种重大决定为例,一方面细胞通过多种受体来考量周围是否有足够浓度的生长因子,一方面则充分考虑自身的状态进行调节,比如细胞器的数量等,最终做出相应的决定。

“一个细胞的任何决定,都要综合考虑所有的外部信号和内部线索。也就是说,单个细胞能够具体情况具体分析地做出决策,显然它们比过去认为的更聪明!”研究论文的第一作者、博士生Bernhard Kramer说道。

更关键的是,内部接收的信息与外部的信号密切相关,比如细胞内部的“能量工厂”——线粒体,其丰富程度会从根本上影响单个细胞如何感知周围的环境。 

有些情况下,比如在肿瘤中,细胞做出的决定以内部状态为主,“否决”外部信号。尽管细胞周围存在抑制分裂的药物,它们也决定强势增殖,使细胞对癌症治疗产生耐药性。我们知道,耐药性正是癌症治疗中经常遇到的棘手问题,研究人员希望从这一发现入手,根据细胞做决定的方式来找出解决耐药性的新方法。 

图片1.jpg

参考资料:

1. Multimodal perception links cellular state to decision making in single cells. Science Doi: 10.1126/science.abf4062

2. Individual Cells Are Smarter Than Thought. Retrieved July 25, 2022 from https://www.news.uzh.ch/en/articles/media/2022/Cell-Decision-Making.html

3.Strauss, B., Bertolaso, M., Ernberg, I., & Bissell, M. J. (Eds.). (2021). Rethinking cancer: a new paradigm for the postgenomics era. MIT Press.

4.Dexter, Joseph P., Sudhakaran Prabakaran, and Jeremy Gunawardena. "A complex hierarchy of avoidance behaviors in a single-cell eukaryote." Current biology 29.24 (2019): 4323-4329.




https://wap.sciencenet.cn/blog-446272-1349193.html

上一篇:巫山——小三峡旅游攻略
下一篇:可以“一稿多投”:了解一下Cell出版社集体审稿制度“Cell Press Community Review”
收藏 IP: 14.106.156.*| 热度|

1 许培扬

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2022-10-7 21:49

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部