俄勒冈健康与科学大学（OHSU）的科学家发现了一种先前未知的内部“贸易风”系统，它能帮助细胞快速将必需蛋白质推向细胞前沿，从而重塑研究人员对细胞迁移、癌症扩散和伤口愈合的理解。
这项发现今天发表在《自然通讯》（Nature Communications）上，它重塑了研究人员对细胞如何将蛋白质在正确的时间导向正确位置的认识。
几十年来，生物学教科书一直教导说，细胞内的自由漂浮蛋白质主要通过扩散移动，随机漂移直到偶然到达目的地。但这项新研究表明，细胞并不会将这一切交给运气。相反，它们会制造定向的流体流，将必需蛋白质推向细胞的前沿，那里是运动和修复开始的地方。
意外发现带来重大突破
该研究的共同通讯作者凯瑟琳·加尔布雷思（Catherine (Cathy) Galbraith）博士和詹姆斯·加尔布雷思（James (Jim) Galbraith）博士，均为OHSU生物医学工程系副教授及OHSU奈特癌症研究所发现引擎研究员，他们将这一发现追溯到多年前在马萨诸塞州海洋生物学实验室神经生物学课程中的一次意外观察。
“这实际上始于一个意想不到的发现，”凯瑟琳说，“我们只是和学生们在课堂上进行了一个实验。”
他们使用激光在活细胞后方的一条横带上使蛋白质不可见——这是一种追踪物质在细胞内如何移动的标准技术——这时出现了意想不到的一幕：在细胞向前移动时伸出的前沿，出现了第二条细小的暗线。
“我们抱着好玩的心态做了这件事，然后意识到这给了我们一种测量以前无法测量的东西的方法，”她说。
那条意想不到的暗线原来是一波可溶性肌动蛋白——一种帮助细胞移动的关键蛋白质——被快速推向细胞前沿。直到现在，科学家们还认为肌动蛋白主要通过扩散到达那里，在细胞内随机漂移。但加尔布雷思夫妇的实验揭示出了完全不同的情况。
“我们意识到教科书中的卡通模型遗漏了很大一部分，”詹姆斯说，“细胞内部一定存在某种推动物质前进的流。细胞确实‘随波逐流’。”
理解癌细胞迁移
凯瑟琳和詹姆斯于2013年从美国国立卫生研究院（NIH）被招募到OHSU，在那里他们曾与诺贝尔奖得主埃里克·贝齐格（Eric Betzig）博士合作，在附近的霍华德·休斯医学研究所珍妮莉亚研究园区开发了活细胞超分辨率显微镜。
利用定制成像分析，科学家们发现细胞会主动产生定向流体流，团队将其比作大气河流。这些流将肌动蛋白和其他蛋白质向前推，速度远快于扩散。
“我们发现细胞实际上可以在后部挤压，并定向地将物质输送到特定位置，”詹姆斯说，“如果你挤压半块海绵，水只会从那一半流出。这基本上就是细胞在做的事情。”
这种内部流是非特异性的，意味着它会同时携带多种类型的蛋白质。
其结果是一个快速、高效的输送系统，驱动细胞突出、粘附和快速形状变化，这些都是细胞运动、免疫反应和组织修复的关键过程。已发表的发现证实，这些流发生在细胞前沿的一个特殊隔室内，该隔室通过一个由肌动蛋白-肌球蛋白凝聚物构成的屏障与细胞其余部分隔开，这道屏障像一堵物理墙，将流导向细胞边缘的推进区域。
为了可视化这些流，团队开发了一种标准荧光技术的反向版本。他们不是用激光漂白光线，而是在一个单点激活荧光分子，然后观察它们如何移动。
团队将其中一个关键实验昵称为FLOP，即“荧光离开原点”（Fluorescence Leaving the Original Point）。
“这根本不是一个失败（flop），”凯瑟琳说，“恰恰相反。它远非失败，因为它成功了。”团队的发现可能有助于解释为什么某些癌细胞移动得如此具有侵袭性。
“我们知道这些高度侵袭性的细胞拥有这种非常酷的机制，能够非常快速、非常迅速地将蛋白质推到它们需要的前沿，”詹姆斯说，“所有细胞内部的基本组件都差不多，就像保时捷和大众汽车有许多相同的零件，但当这些零件装配成最终机器时，它们的行为和功能截然不同。”
通过理解这些差异，研究人员希望找到中断癌细胞迁移的新方法。
“如果你能理解差异，你就可以根据癌细胞和正常细胞工作方式的不同，来瞄准未来的疗法，”他说。
合作带来关键发现
该项目汇集了工程学、物理学、显微镜学和细胞生物学，来自弗吉尼亚州珍妮莉亚研究园区的合作者做出了关键贡献，包括荧光相关光谱学和3D超分辨率成像方面的专家。
“我们需要的仪器在大多数地方都不存在，”凯瑟琳说，“珍妮莉亚有一套独一无二的设备，让我们能够测试和确认我们看到的景象。”
该项目大部分依赖于珍妮莉亚开发的先进成像技术——其中包括iPALM，一种干涉测量方法，用于解析纳米级结构，加尔布雷思夫妇曾参与开发这一技术。
“iPALM让我们能够物理上看到这些隔室，”詹姆斯说，“没有其他基于光的技术能做到这一点。”
研究人员表示，这项研究揭示了一个“伪细胞器”，即一个没有膜包围的功能性隔室，但仍然塑造了细胞的行为方式。
“就像急流中的微小变化可以改变天气一样，这些细胞风的微小变化也可能改变疾病开始或发展的方式，”凯瑟琳说。
团队认为，这项工作为癌症研究、药物递送、组织修复和合成生物学开辟了新的方向。
“你只需要去看，”凯瑟琳说，“这些流一直存在。现在我们知道细胞是如何利用它们的了。”
除了加尔布雷思夫妇，本研究的合著者还有珍妮莉亚研究园区的布莱恩·英格利什（Brian English）博士，以及前珍妮莉亚成员、现就职于德国卡尔·蔡司公司的乌尔里卡·伯姆（Ulrike Boehm）博士。
本研究得到了美国国立卫生研究院国家普通医学科学研究所（奖项编号R01GM117188）、美国国家科学基金会（奖项编号2345411和171636）、W. M. 凯克基金会、霍华德·休斯医学研究所珍妮莉亚访问科学家计划以及霍华德·休斯医学研究所的支持。iPALM工作部分得到了珍妮莉亚先进成像中心的支持。SIM成像部分得到了OHSU医学院核心研究设施基金的支持。
期刊
《自然通讯》
DOI
10.1038/s41467-026-70688-6
研究方法
成像分析
研究对象
细胞
文章标题
隔室化的细胞质贸易风引导可溶性蛋白质
文章发布日期
2026年3月30日
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