細(xì)胞是一個動態(tài)體系，每時每刻都有大量的生化反應(yīng)在進行。對于信號傳導(dǎo)來說，這個系統(tǒng)充斥著高水平的噪音。那么細(xì)胞是怎樣在這種條件下準(zhǔn)確傳遞化學(xué)信號的呢？本周Science雜志上發(fā)表的一項研究，揭示了細(xì)胞處理這個問題時的一般原則。

只有正確處理外界環(huán)境的信號細(xì)胞才能夠生存。然而生化反應(yīng)或細(xì)胞狀態(tài)的變化，讓細(xì)胞難以檢測到信號的濃度，只能感知一個活化配體存在與否。加州大學(xué)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞通過對信號進行持續(xù)監(jiān)控，準(zhǔn)確記錄了化學(xué)信號的濃度。在體外培養(yǎng)的人類細(xì)胞中，這種動態(tài)應(yīng)答能夠有效從噪音環(huán)境中識別信號，避免在信號傳遞過程中出現(xiàn)信息損失。

細(xì)胞對外界化學(xué)信號的應(yīng)答，取決于自己的生理狀態(tài)。但細(xì)胞生理狀態(tài)存在顯著的波動，比如說細(xì)胞中各種蛋白的含量會出現(xiàn)高達(dá)25%的變動。“這是相當(dāng)大的噪音，”加州大學(xué)的Roy Wollman教授說。“細(xì)胞需要一個特別的解決方案。”

為了了解細(xì)胞如何編碼化學(xué)信號的水平，Wollman及其同事將顯微成像與信息學(xué)理論結(jié)合了起來。他們研究了三個不同的化學(xué)通訊系統(tǒng)，鈣離子、ERK和NF-κB。這三種類型的信號傳導(dǎo)分別持續(xù)幾分鐘、一小時和差不多十小時。

Wollman的研究團隊用一個特殊的顯微鏡系統(tǒng)記錄了細(xì)胞對這三種信號的應(yīng)答。這個系統(tǒng)可以同時對大量細(xì)胞進行持續(xù)性監(jiān)控，為人們展現(xiàn)細(xì)胞應(yīng)答不同信號時發(fā)生的變化。

研究人員發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞并沒有一次次地捕捉細(xì)胞外化學(xué)信號的濃度，而是通過持續(xù)應(yīng)答精確反映信號水平。信息學(xué)理論表明，這種方式可以消除細(xì)胞狀態(tài)變化造成的“噪音”。

“這項研究能幫助我們理解，細(xì)胞如何在大量噪音的情況下建立起有效的通訊系統(tǒng)，”Wollman說。