細(xì)胞已經(jīng)進(jìn)化出不同的策略來遷移和探索它們的環(huán)境。例如，精子細(xì)胞、微藻和細(xì)菌可以通過變形，或者借助一種叫做鞭毛的鞭狀附屬物游動。相比之下，普遍認(rèn)為哺乳動物體細(xì)胞是通過附著在表面和爬行來遷移的。大致分為間充質(zhì)遷移和變形蟲遷移。“變形蟲”遷移，其特征是速度快、肌動球蛋白高度收縮、細(xì)胞形狀圓形、很少或沒有粘連。變形蟲遷移在發(fā)育生物學(xué)和免疫系統(tǒng)功能中扮演重要角色。在體內(nèi)，細(xì)胞必須能夠感知其環(huán)境中的各種線索，并向這些線索移動或遠(yuǎn)離這些線索，以便在發(fā)育過程中執(zhí)行形態(tài)發(fā)生程序，產(chǎn)生免疫反應(yīng)并修復(fù)受損組織。

免疫系統(tǒng)對組織損傷的快速和有針對性的反應(yīng)依賴于白細(xì)胞在組織之間和組織內(nèi)極其靈活的遷移運動。組織特異性動員取決于白細(xì)胞感知來自特定生態(tài)位的定向信號并快速響應(yīng)感染和炎癥重塑的環(huán)境線索的能力。T 細(xì)胞移動得很快，但在遇到抗原時有能力迅速阻止。了解白細(xì)胞遷移的調(diào)節(jié)對于我們在健康和疾病中控制免疫功能的能力至關(guān)重要。

之前人們普遍認(rèn)為，白細(xì)胞不附著在二維表面就不能遷移。在2010年的一個研究中指出，與黏著或摩擦爬行的范式相反，人類中性粒細(xì)胞確實會游泳。文章中討論說，推進(jìn)力可能來自細(xì)胞膜踏步(細(xì)胞表面的向后運動)或形狀變形(沿著細(xì)胞體的突出和收縮)，但沒有提供任何實驗或理論證據(jù)來支持這兩種假設(shè)。最近一項關(guān)于白細(xì)胞遷移運動的研究，一種間充質(zhì)巨噬細(xì)胞細(xì)胞系RAW 264.7，可以通過光遺傳激活細(xì)胞后方的肌動球蛋白收縮力而人為觸發(fā)一種變形蟲游泳運動。

在這篇文章里，作者不但證明了人類T淋巴細(xì)胞是可以游動的，并在細(xì)胞和分子尺度上從實驗和理論上解讀了它的功能。研究中提供了實驗和計算證據(jù)表明人類白細(xì)胞確實可以在無黏附二維表面上遷移，也可以使用一種不依賴細(xì)胞形狀變化的機(jī)制進(jìn)行游泳。細(xì)胞利用跨膜蛋白質(zhì)“劃水”，跨膜蛋白質(zhì)橫跨細(xì)胞膜并突出細(xì)胞外，膜的“踏車運動”——細(xì)胞表面的向后運動——推動白細(xì)胞在固體或液體環(huán)境中遷移，無論有無黏附。通過結(jié)合肌動蛋白驅(qū)動的外部“踏車運動”和通過囊泡運輸?shù)募拥鞍捉Y(jié)合跨膜蛋白的內(nèi)部循環(huán)，細(xì)胞可以實現(xiàn)持續(xù)的劃水。

作者首先通過干涉顯微鏡觀察評估淋巴細(xì)胞在粘附和抗粘附涂層的基底上的運動情況，實驗顯示在沒有粘連的情況下，極化的淋巴細(xì)胞可以在二維表面上遷移。甚至發(fā)現(xiàn)細(xì)胞在粘附表面和非粘附表面上存在相同的運動現(xiàn)象。這些觀察表明，白細(xì)胞在粘附和非粘附運動模式之間的過渡是快速的，兩種模式可能共享相同的機(jī)制。

圖1. 白細(xì)胞能夠在沒有黏附或摩擦的固體基質(zhì)上運動

盡管活躍的淋巴細(xì)胞在沒有粘附的表面附近遷移，但考慮到細(xì)胞和基質(zhì)之間的水動力耦合可能有利于靠近基質(zhì)的推進(jìn)。因此，作者進(jìn)行了細(xì)胞的懸浮液實驗，以測試在沒有水動力耦合到任何固體壁情況下的游泳是否依然存在。通過使用一個連接到高精度壓力控制器的微流體通道和高抗壓油管連接來減緩壓力驅(qū)動的流動。此外，使用添加ficoll的培養(yǎng)基減少細(xì)胞沉降，使其與細(xì)胞的平均密度相匹配。觀察結(jié)果表明白細(xì)胞可以在懸浮液體中主動游動。 

圖2.淋巴細(xì)胞在自由懸液中游動

驗證了白細(xì)胞確實可以游動之后，接下來作者開始探究細(xì)胞游動的動力來源。肌動蛋白細(xì)胞骨架作為推動細(xì)胞爬行的分子引擎已被廣泛接受。效應(yīng)T淋巴細(xì)胞的特征是強(qiáng)極化狀態(tài)的肌動球蛋白收縮形成細(xì)胞后部(尾足)和肌動蛋白聚合形成的細(xì)胞前部(片足)。作者首先分別利用肌動球蛋白和肌動蛋白收縮抑制劑干擾細(xì)胞。肌動蛋白聚集性抑制對細(xì)胞游泳速度影響更為明顯。表明，前方肌動蛋白聚合起主導(dǎo)作用是淋巴細(xì)胞游動的主要引擎。

 圖3.肌動蛋白更多的是通過聚合作用推動游動而不是收縮作用

正常情況下的細(xì)胞膜運動似乎不能產(chǎn)生足夠的推進(jìn)力，但變形蟲細(xì)胞的細(xì)胞膜表現(xiàn)出由內(nèi)部肌動蛋白皮質(zhì)逆行流動觸發(fā)的切向運動。為了證明細(xì)胞外膜的運動，作者用icam -1（一種細(xì)胞整合素配體）包被的小珠培養(yǎng)游泳細(xì)胞。當(dāng)細(xì)胞在行進(jìn)過程中遇到念珠時，念珠通過跨膜整合素LFA-1附著在細(xì)胞前端，并被向后攜帶。表明切向膜運動在游泳中起著直接作用。

圖4.向后踏膜與游泳相關(guān)

作者發(fā)現(xiàn)膜上附著的微珠的游動速度(νs ~ 5 μm min?1)比膜上附著的微珠的游動速度(>10 μm min?1)要小2倍。這種差異表明細(xì)胞膜和周圍液體之間的耦合不是完全的和/或膜不是均勻的。細(xì)胞質(zhì)膜的組成和動力學(xué)在分子水平上確實是高度異質(zhì)性的。為了闡明這一問題，作者使用了熒光特異性抗體對抗一種肌動蛋白結(jié)合蛋白，即高親和力的整合素LFA-1，和一種非肌動蛋白結(jié)合蛋白，即T淋巴細(xì)胞受體的配體，MHC-1。與肌動蛋白一樣，肌動蛋白結(jié)合蛋白LFA-1形成了持續(xù)反向流動的簇，平均速度為25±5 μm min?1。高親和力整合素與皮質(zhì)下肌動蛋白的強(qiáng)粘附率與擴(kuò)散的缺乏和速度與肌動蛋白逆行流動的相似性一致。相比之下，非肌動蛋白結(jié)合蛋白MHC-1在FRAP實驗中表現(xiàn)出擴(kuò)散動力學(xué)以其特有的擴(kuò)散系數(shù)D = 0.26±0.22μm2 s?1。同樣,對油脂層的收緊實驗lypophilic分子插入到細(xì)胞質(zhì)膜產(chǎn)生了擴(kuò)散系數(shù)為3.1±1.8μm2 s?1。總之,這些結(jié)果證實了質(zhì)膜的分子動力學(xué)是不均勻的。肌動蛋白結(jié)合的跨膜蛋白顯示彈道向后運動，而脂質(zhì)和非肌動蛋白結(jié)合的跨膜顯示擴(kuò)散。這可以解釋了細(xì)胞游動速度和肌動蛋白跑步機(jī)之間的差異。

圖5.肌動蛋白結(jié)合蛋白LFA-1在細(xì)胞質(zhì)膜上反向運動，而非肌動蛋白結(jié)合蛋白MHC-1在沒有凈轉(zhuǎn)運的情況下擴(kuò)散

軸對稱物體表面持續(xù)的逆行流需要物質(zhì)來源在前面，而匯在后面，因此這意味著存在一個內(nèi)部的順行輸運來循環(huán)。相反，當(dāng)分子不是向后平流(而只是擴(kuò)散)時，內(nèi)部必須沒有向前循環(huán)，因為細(xì)胞前端的源會產(chǎn)生外部的逆向流動。因此，這里的游泳模型暗示了肌動蛋白結(jié)合的內(nèi)部順行循環(huán)的存在。為了進(jìn)一步支持模型的相關(guān)性和一致性，通過在細(xì)胞前端進(jìn)行方形FRAP實驗來驗證這兩個特性。肌動蛋白結(jié)合蛋白在細(xì)胞外進(jìn)行逆行彈道運動，在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行順行囊泡運輸，而非肌動蛋白結(jié)合蛋白在細(xì)胞表面進(jìn)行擴(kuò)散而不進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)。一些表面分子在跑步和劃槳，而另一些則擴(kuò)散和阻礙運動。為了進(jìn)一步測試這一機(jī)制，在不影響肌動蛋白踏步或肌動蛋白驅(qū)動的細(xì)胞變形的情況下，使用內(nèi)吞抑制劑干擾分子循環(huán)機(jī)制。非均勻的踏步機(jī)制也可以促進(jìn)粘附的2D基質(zhì)和涂有整合素配體的3D基質(zhì)上的推進(jìn)。在這些情況下，整合素介導(dǎo)的離合機(jī)制促進(jìn)了內(nèi)部皮層和外部介質(zhì)之間的最佳動量轉(zhuǎn)移，細(xì)胞速度確實接近于肌動蛋白的踏車速度。這對應(yīng)于肌動蛋白-整合素的離合機(jī)制。此外，由于細(xì)胞膜與固體基質(zhì)的摩擦預(yù)期比與流體的摩擦更強(qiáng)，非均勻的踏步機(jī)制也可以推動細(xì)胞通過非粘附的受限環(huán)境。限制在兩個平板之間和微流控管中的細(xì)胞是可運動的。與游泳模式相比，細(xì)胞在平板之間的速度稍快，而在試管中則明顯快得多。表明非均勻膜踏步的機(jī)制支持淋巴細(xì)胞在有粘連和無粘連的液體或固體中無處不在的遷移。 

圖6.通過內(nèi)部運輸從后到前循環(huán)的跨膜蛋白的踏車行為給細(xì)胞提供了無處不在的推進(jìn)力

文章提出的游泳模型揭示了阿米巴細(xì)胞無處不在的運動。非均質(zhì)膜踏步運動可促進(jìn)變形蟲在流體和固體中、有無黏附情況下的普遍遷移;然而，游泳對白細(xì)胞的生理作用仍然是個謎。由于免疫細(xì)胞的流動(或癌細(xì)胞的侵襲性)主要依賴于基質(zhì)相關(guān)的遷移，而且游泳顯然與浮游真核細(xì)胞(如阿米巴變形蟲)有關(guān)，游泳的基本機(jī)能可能是一種進(jìn)化保守的能力，這種能力已經(jīng)在哺乳動物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了無處不在的爬行的新功能。然而，游泳可能有助于擴(kuò)大免疫細(xì)胞無處不在的遷移能力，以非限制性結(jié)膜組織或液體豐富的感染生態(tài)位，如創(chuàng)傷后水腫區(qū)。當(dāng)免疫細(xì)胞在充滿液體的生態(tài)位中移動時，分子劃動可以讓免疫細(xì)胞徹底探索身體的所有位置，比如腫脹的身體部位、感染的膀胱、腦脊液或羊水。

文章來源：細(xì)胞與基因線路設(shè)計