兩只手向上揮動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)又一個(gè)次聲波，直到次聲波在整個(gè)體育場(chǎng)里傳播到很遠(yuǎn)的地方。這種滾動(dòng)式激增是由一種或幾種事件的活動(dòng)所激發(fā)的，因而被稱為觸發(fā)波（trigger wave）。觸發(fā)波需要兩個(gè)主要因素：一個(gè)正反饋循環(huán)和一個(gè)閾值，想象一下倒下的多米諾骨牌。一個(gè)多米諾骨牌倒在另一個(gè)多米諾骨牌上，并觸發(fā)后者倒在下一個(gè)多米諾骨牌上。這個(gè)閾值是讓一個(gè)多米諾骨牌完全倒下所需的力量；如果施加一個(gè)略低于這個(gè)閾值的力量，那么一個(gè)多米諾骨牌將會(huì)搖晃并重新回到站立的位置，然而一旦施加一個(gè)達(dá)到這個(gè)閾值的力量，一個(gè)多米諾骨牌就會(huì)倒下。

人們之前已發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞周期中，細(xì)胞通過(guò)分裂產(chǎn)生新的細(xì)胞，并且觸發(fā)波能夠調(diào)節(jié)新細(xì)胞的產(chǎn)生。神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢灰彩侨绱?，這就允許神經(jīng)元通過(guò)電脈沖傳播信號(hào)。

作為一種比較容易理解的細(xì)胞死亡形式，細(xì)胞凋亡仍然讓科學(xué)家們感到神秘。美國(guó)斯坦福大學(xué)生物化學(xué)教授、化學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)教授James Ferrell博士說(shuō)，“有時(shí)，我們的細(xì)胞死掉，其實(shí)我們并不希望它們死掉，比如神經(jīng)退行性疾病中的神經(jīng)元。有時(shí)，我們的細(xì)胞不會(huì) 死亡，其實(shí)我們真地希望它們死掉，比如癌癥中的癌細(xì)胞。如果我們想要干預(yù)的話，那么我們需要理解細(xì)胞凋亡是受到調(diào)節(jié)的。”

像野火一樣傳播

在一項(xiàng)新的研究中，F(xiàn)errell和博士后研究員Xianrui Cheng博士發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞凋亡中，細(xì)胞死亡也是通過(guò)觸發(fā)波進(jìn)行擴(kuò)散的。一旦細(xì)胞死亡開始啟動(dòng)（不論是疾病還是其他方式），細(xì)胞中的特定殺傷蛋白---蛋白酶caspase，全稱為含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶---受到 激活。隨后，這些蛋白通過(guò)漂浮與其他的caspase接觸并激活它們；這些其他的caspase也紛紛效仿直到整個(gè)細(xì)胞死掉。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2018年8月10日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Apoptosis propagates through the cytoplasm as trigger waves”。

Ferrell說(shuō)，“它以這種方式進(jìn)行擴(kuò)散，永不減速，永不消失。它的幅度并沒(méi)有任何降低，這是因?yàn)樵诋a(chǎn)生自身動(dòng)力的每一步中，它通過(guò)將更多非活性的分子轉(zhuǎn)化為活性分子直到細(xì)胞凋亡擴(kuò)散到細(xì)胞的每個(gè)角落和裂縫。”

為了觀察死亡對(duì)單個(gè)細(xì)胞的影響，Cheng和Ferrell使用了非洲爪蟾蛙的卵子。當(dāng)細(xì)胞發(fā)生凋亡時(shí)，非洲爪蟾蛙的卵子具有較大的尺寸，這使它們成為肉眼觀察死亡如何從細(xì)胞的一端擴(kuò)散到另一端的主要候選對(duì)象。

首先，F(xiàn)errell和Cheng從卵子中提取出液體并將這種提取物加入到幾毫米長(zhǎng)的特氟龍管中，并通過(guò)分子“死亡信號(hào)”啟動(dòng)細(xì)胞凋亡。通過(guò)使用一種與細(xì)胞凋亡激活相關(guān)的熒光技術(shù)，這兩名研究人員觀察到當(dāng)亮綠色的熒光以恒定速度向下移動(dòng)時(shí)，這表明細(xì)胞凋亡通過(guò)觸發(fā) 波進(jìn)行傳播，而不是通過(guò)其他的一些更基本的機(jī)制（比如擴(kuò)散）進(jìn)行傳播。

問(wèn)題是在細(xì)胞中發(fā)生的細(xì)胞凋亡也是這樣傳播的嗎？

利用熒光顯微鏡進(jìn)行觀察是非常困難的，這是因?yàn)橥暾姆侵拮竿苈炎邮欠浅２煌该鞯摹Ｈ欢?，F(xiàn)errell和Cheng注意到當(dāng)非洲爪蟾蛙卵子死亡時(shí)，一種色素沉著波紋（ripple of pigmentation）會(huì)在這種卵子的表面上發(fā)生。這兩名研究人員發(fā)現(xiàn)，在死亡過(guò)程中，一條 黑色的波紋像一條曲線一樣從一側(cè)到另一側(cè)以恒定的速度穿過(guò)卵子。這個(gè)表面波的速度是恒定的并且沒(méi)有減速，即這也會(huì)形成觸發(fā)波。因此，為了進(jìn)一步證實(shí)這一點(diǎn)，他們分析了單個(gè)死亡的卵子：每個(gè)經(jīng)歷過(guò)這種表面波的卵子都含有激活的蛋白酶caspase，而尚未經(jīng)歷過(guò) 這種表面波的卵子則不含有。總之，有更多的證據(jù)表明觸發(fā)波也會(huì)在完整的細(xì)胞中傳播細(xì)胞死亡信號(hào)。

一系列觸發(fā)波

到目前為止，細(xì)胞凋亡是確定的唯一通過(guò)觸發(fā)波進(jìn)行傳播的細(xì)胞死亡形式，但是Ferrell正在研究生物學(xué)中的其他過(guò)程，以便這種連續(xù)波是否可能在其中起作用。

如今，他們正在研究觸發(fā)波是否可能決定著我們的先天免疫反應(yīng)在細(xì)胞間的傳播方式。病毒通過(guò)觸發(fā)波在細(xì)胞間傳播，因此有理由認(rèn)為我們的初始免疫防御線也可能采用相同的策略。

Ferrell說(shuō)，“我們擁有關(guān)于各種生物中蛋白和基因的所有信息。我們證實(shí)遠(yuǎn)程通信能夠通過(guò)觸發(fā)波實(shí)現(xiàn)。這些觸發(fā)波取決于正反饋循環(huán)、閾值和空間耦合機(jī)制等。這些因素遍布于生物調(diào)節(jié)的各個(gè)方面。如今，我們想知道在其他的哪些地方是否也會(huì)發(fā)現(xiàn)觸發(fā)波。”

參考資料：

Xianrui Cheng1, James E. Ferrell Jr. Apoptosis propagates through the cytoplasm as trigger waves. Science, 10 Aug 2018, 361(6402):607-612, doi:10.1126/science.aah4065.