北京时代方略

今年教科书又双叒叕被改写了多少次?这些发现刷新人类认知


许多印刻在生物医学教科书上的经典知识又被多次刷新了,那些你以为的常识或许需要即刻进行更新。今年我们的科学家又带来了哪些全新认知呢?

来源: 学术经纬 

 

许多印刻在生物医学教科书上的经典知识又被多次刷新了,那些你以为的常识或许需要即刻进行更新。今年我们的科学家又带来了哪些全新认知呢?

爱吃糖的不是癌细胞

100年前,著名生理学家Otto Warburg医生与同事们观察到一个现象:和正常细胞相比,癌细胞要消耗更多的葡萄糖。这一观察现象也为如今临床上检查恶性肿瘤提供了一种教科书般的理论基础。

但今年4月,来自美国范德比尔特大学医学院的研究团队发现,肿瘤疯狂消耗葡萄糖,罪魁祸首并非癌细胞。这一发现改写了过去100年里发展并完善起来的癌症代谢模型。

借助正电子发射断层扫描(PET)肿瘤成像,研究者发现肿瘤内葡萄糖的主要消耗者是一类被称为巨噬细胞的免疫细胞才是摄取葡萄糖能力最强的,有着强大的葡萄糖代谢活性。而癌细胞并没有想象中那么“爱吃糖”,相反,另一组实验显示,癌细胞更偏爱另一种营养物质——它们对谷氨酰胺的摄取能力最强。

这一结果不仅出现在肾癌模型中,也出现在结直肠癌、乳腺癌等其他几种肿瘤模型中,研究人员由此指出,这些发现很可能是适用于各种癌症类型的普遍现象。

糖RNA是个什么东西

年仅33岁就斩获“麦克阿瑟天才奖”的Carolyn Bertozzi教授表示:“如果你相信教科书,RNA和聚糖活在两个不同的世界中。”

今年5月,《细胞》上线了一篇研究论文,Bertozzi教授和同事在这篇文章里向我们描述了一项令人惊讶的发现:各种细胞的表面,分布着一类过去无人知晓的新型生物分子——糖RNA(glycoRNA)。

糖RNA指的是糖基化的RNA分子,以一小段核糖核酸(RNA)为支架,上面连着聚糖(glycan)。长期以来的认知中,糖基化修饰基本只会发生在各种脂质和蛋白质分子上,形成糖脂和糖蛋白。

研究人员用化学方法给许多不同的聚糖配备了发光基团,注意到了一种带标记的聚糖分子不断出现。最终他们发现,在细胞表面,有一类保守的非编码RNA带有富含唾液酸结构的聚糖。从人类到小鼠、仓鼠、斑马鱼的不同生物体,所测试的细胞类型中都发现了糖RNA。这个发现或将改变生物化学许多研究领域的面貌。

线粒体分裂并不总是想增殖

在教科书的描述中,线粒体分裂主要发生在线粒体需要增加数量的情况下。

随着生长和最终分裂,细胞需要更多能量,也就需要更多线粒体来支持。线粒体拥有自己的DNA,因此在细胞内有自己的生命周期,通过DNA复制来自我增殖,并分裂形成两个子线粒体。

但在今年5月,瑞士洛桑联邦理工学院物理研究所(EPFL)的生物物理学家利用超高分辨率的显微镜研究线粒体,揭示了功能截然不同的两种分裂机制:一种分裂方式使线粒体数量增长,另一种则使之“减负”去除损坏部分。

线粒体分裂的位置很有讲究。健康的线粒体从中间断裂,一分为二,分子机制如教科书中所描述的那样。另一种情况下,线粒体则会从末端进行分裂,产生一大一小两段,其中较小的那部分显现出很多不健康的迹象,随后被降解。

这种线粒体分裂行为很可能适用于各种哺乳动物细胞。

鸟类的嗅觉可灵了

长久以来,人们普遍持有的想法是:鸟类拥有敏锐的视觉和听觉,甚至还有神秘的第六感“磁觉”;相比之下,嗅觉并不重要,大多数鸟类的嗅觉都很迟钝。

而这次教科书的改写最初来自一名小学生的细心观察,他注意到欧洲白鹳时常会出现在正割草的田地,在低矮的草地里找到它们爱吃的虫子。他向德国马克斯普朗克动物行为研究所的科学家提出了问题:白鹳怎么知道哪里的田地正在割草?

为了解决小学生的困惑,研究者在近期没有割过草的田地中喷洒了三种青草味的化学物质。尽管没有割草机的声音,没有割草的景象,鸟群还是从很远的地方纷纷飞来。实验结果清楚地表明,这些鸟完全是依靠嗅觉做出了觅食决定。

不仅是欧洲白鹳,其他鸟类也可能对植物“受伤”时散发的气味有所反应。例如捷克生物学家在去年发表的一篇论文中描述,苏格兰松的针叶被松叶蜂幼虫啃噬后,伤口释放的挥发性化学物质,会吸引大山雀和蓝山雀前来寻找毛毛虫。

红细胞可不只能运氧气

很多人从教科书中学到有关红细胞的最深印象便是:它们在体内循环,负责向全身输送必不可少的氧气。然而,今年10月《科学-转化医学》的一项研究发现,红细胞的工作任务比我们过去以为的更多,它们其实在免疫系统中还扮演着重要角色。

红细胞除了携带氧气,还会带上其他细胞的DNA片段——比如来自细菌或寄生虫的DNA,直接向免疫系统报告。像脓血症患者有超过40%的红细胞表面会表达一种叫做TLR9的蛋白。这种受体蛋白往往与炎症有关,可以激活免疫反应。

通过表面的TLR9,红细胞可以结合来自细菌、疟原虫的DNA,以及细胞受损后释放的线粒体DNA。随着结合的DNA增多,红细胞的结构形态会发生显著改变。这些面目全非的红细胞就像哨兵,能引起免疫系统的警觉,导致被称为巨噬细胞的免疫细胞迅速赶来。

红细胞上结合的线粒体DNA越多的患者,往往其贫血和疾病严重程度也越高。新发现除了为急性炎症性贫血的患者开发新的疗法外,关于红细胞的这一新发现还可能为诊断提供新思路。

癌细胞不只是会躲藏

我们可能经常看到教科书上描述了癌细胞的隐匿技巧,它们是如何巧妙地逃避免疫细胞的追杀,最终潜伏起来慢慢生长的。但《自然-纳米技术》的一项研究完全颠覆了之前的一些设想,癌细胞不仅会躲藏,更会主动入侵免疫细胞,根本不是我们想象的一样“怂”,只是这种行为太过隐匿,之前从来没有被发现而已。

 

 

▲癌细胞与T细胞之间有着纳米级别的管道(图片来源:参考资料[3])

美国布莱根妇女医院的研究者将小鼠体内获取的乳腺癌细胞与免疫细胞共同放置在培养皿,16个小时后这些细胞放置在了场发射扫描电镜下进行观察,结果发现,平均下来每一个癌细胞都会与T细胞形成一根纳米管,每一根纳米管的宽度在50-2000纳米左右。

通过荧光染色标记他们亲眼在显微镜下看到,癌细胞会不断将T细胞的线粒体摄入到自己体内。除了抢夺线粒体,癌细胞还要疯狂消耗周围的氧气。与细胞互相隔离分开的情况相比,如果存在纳米管,癌细胞氧气消耗量会翻倍,生长速度也变得很快。

这可能预示着,被偷走的线粒体可能为癌细胞生长不断提供能量。

参考资料:

[1] L. K. METTHEW LAM et al., (2021) DNAbinding to TLR9 expressed by red blood cells promotes innate immune activationand anemia. SCIENCE TRANSLATIONAL MEDICINE• DOI:10.1126/scitranslmed.abj1008

[2] Martin Wikelski et al., (2021) Smell of green leaf volatiles attracts white storks to freshly cut meadows. ScientificReports https://doi.org/10.1038/s41598-021-92073-7

[3] Tatjana Kleele et al., (2021) Distinct fission signatures predict mitochondrial degradation or biogenesis. Nature. Doi: https://doi.org/10.1038/s41586-021-03510-6

[4] Ke Xu et al., (2021) Glycolysis fuels phosphoinositide 3-kinase signaling to bolster T cell immunity. Science. DOI: 10.1126/science.abb2683

[5] Hae Jang, Intercellular nanotubes mediate mitochondrial trafficking between cancer and immune cells, Nature Nanotechnology (2021). DOI: 10.1038/s41565-021-01000-4.