最近，美国亚利桑那大学(UA)和第三军医大学的研究人员，发现了是什么原因引起并调节集体细胞迁移——所有活生物体中一个最普遍但却很少了解的生物过程。

    相关研究结果发表在三月十三日的《自然通讯》(Nature Communications)，揭示了细胞迁移的机制，特别是在伤口愈合的过程中。这些结果是再生医学的一个重大进步，再生医学是指生物医学工程师和其他研究人员操纵细胞的形态和功能来创建新的组织，甚至器官，以修复、恢复或替换那些因受伤或疾病而受损的组织、器官。

    本文通讯作者、亚利桑那大学机械和航空航天工程副教授王白建(Pak Kin Wong)指出：“这些结果大大增加了我们对‘组织再生是如何被调节的’的理解，提高了我们指导这些过程的能力。”

    他说：“近年来，研究人员对于细胞迁移的分子机制——但不是最初导致它发生的因素，已经获得了更好的理解。究竟是什么策划了所有生物体所共有的这一系统?”

    迁移细胞的领导

    原来，答案涉及活细胞施加于另一个细胞的生物机械力和生化信号之间微妙的相互作用。UA的研究人员发现，当机械力消失——例如在伤口部位，那里的细胞已被破坏，留下空的、无细胞的空间，此时，一个蛋白质分子(称为DII4)，就协调附近的细胞迁移到伤口部位，并用新的组织覆盖它。更重要的是，他们发现，这个过程会致使相同的细胞分化为领导细胞(leader cell)和追随者细胞(follower cell)。研究人员先前认为，领导细胞是随机形成的。

    王教授的研究小组发现，当细胞集体迁移到伤口部位时，表达一种信使RNA(mRNA，DII4蛋白的遗传密码)的领导细胞，出现在细胞群的前面，或迁移到尖端。反过来，领导细胞发送信号给跟随细胞，其不表达基因信使。直到新的组织覆盖伤口时，才会激活这个精心设计的自动调节系统。

    研究人员指出，伤口愈合和组织发育的相同迁移过程，同样也适用于癌症。机械力和遗传信号的结合，可刺激癌细胞集体迁移并侵入到健康组织。多年来，生物学家已经知道领导细胞和DII4蛋白的存在，并怀疑它们可能对集体细胞迁移有重要作用。但领导细胞到底是如何形成的，是什么控制着它们的行为，以及它们的基因构成，这一切直到现在都还是奥秘。

    广泛的医疗应用

    王教授说：“知道了领导细胞的遗传组成，并了解它们的形成和行为，可让我们有能力改变细胞的迁移。”有了这一新的知识，研究人员可以在细胞和分子水平上，重新构建引起人体组织形成的一系列事件。现在，生物工程师已经有了指导正常细胞修复受损组织、或防止癌细胞侵入健康组织的信息。

    UA研究小组的这些发现，会对多种疾病产生重大影响。例如，这些结果可为不愈合的糖尿病伤口——这是美国下肢截肢的主要原因、动脉粥样斑块的形成——引起心脏病的主要原因、减缓甚至阻止癌细胞的扩散——使得它如此致命，带来更好的治疗方法。

    这项研究也将加快可成功地移植到人类的生物工程组织和器官的发展。

    关于这项研究

    在王教授指导的UA系统生物工程实验室中，研究人员用单细胞基因表达分析、计算模型和时间定时显微镜相结合，在共聚焦显微镜下跟踪人类乳腺癌细胞(体外)和小鼠上皮细胞中(体内)领导细胞的形成和行为。

    他们的工作包括：通过药理学、激光等手段，操纵领导细胞，看看它们会如何反应。王教授说：“令人惊讶的是，当我们把激光对准单个领导细胞并摧毁它们时，新的细胞会很快出现在迁移细胞群的尖端，并各就各位。”研究人员把细胞迁移和领导细胞形成的奥秘，比喻为自然界引起鹅飞v字形或蚂蚁筑巢的过程。

    原文链接：Notch1–Dll4 signalling and mechanical force regulate leader cell formation during collective cell migration

At the onset of collective cell migration, a subset of cells within an initially homogenous population acquires a distinct ‘leader’ phenotype with characteristic morphology and motility. However, the factors driving the leader cell formation as well as the mechanisms regulating leader cell density during the migration process remain to be determined. Here we use single-cell gene expression analysis and computational modelling to show that the leader cell identity is dynamically regulated by Dll4 signalling through both Notch1 and cellular stress in a migrating epithelium. Time-lapse microscopy reveals that Dll4 is induced in leader cells after the creation of the cell-free region and leader cells are regulated via Notch1–Dll4 lateral inhibition. Furthermore, mechanical stress inhibits Dll4 expression and leader cell formation in the monolayer. Collectively, our findings suggest that a reduction of mechanical force near the boundary promotes Notch1–Dll4 signalling to dynamically regulate the density of leader cells during collective cell migration.