約翰霍普金斯大學的生物學家們發(fā)現(xiàn)，當一些生物信號節(jié)律性波動擊中細胞時，細胞的反應(yīng)程度不受信號強度或是持續(xù)時間的影響，而是取決于信號周期次數(shù)。由于這種所謂的“振蕩信號周期”常見于許多生物系統(tǒng)中，科學家們希望他們在單細胞生物中獲得的這些研究結(jié)果，能夠幫助解釋組織和器官形成現(xiàn)象以及一些基本學習形式的分子運作機制。

在發(fā)表于3月21日《科學》（Science）雜志上的一篇研究報告中，科研人員稱他們的阿米巴變形蟲實驗顯示了重復的信號脈沖引起特異基因活性短暫爆發(fā)的機制。這些基因產(chǎn)物的累積量最終會影響細胞命運發(fā)生改變。

細胞生物學系主任及教授Peter Devreotes博士說：“我們發(fā)現(xiàn)的這一機制證實了，單細胞可以記錄它接收到一種信號的次數(shù)。在大多數(shù)的信號傳導系統(tǒng)中，細胞反應(yīng)取決于信號的強度或持續(xù)時間。這一系統(tǒng)允許細胞進行計數(shù)。”

Devreotes研究小組說，他們在阿米巴蟲中闡明了這一信號傳導系統(tǒng)。阿米巴蟲是一種單細胞生物，當資源匱乏時其可以聚集形成一種多細胞結(jié)構(gòu)幫助生存。這一過程的核心是一種叫做cAMP的通訊分子。饑餓細胞周期性（每隔6分鐘）釋放cAMP，附近的其他細胞能夠感應(yīng)到這一化學物質(zhì)。這一信號觸發(fā)一系列步驟使得細胞結(jié)合到一起，形成特殊的細胞類型。

Devreotes說：“從上世紀70年代起我們就已經(jīng)知道，cAMP信號每隔6分鐘（不多也不少）達到它的最佳效應(yīng)，但我們并不清楚其原因。”

為了闡明這一點，該研究小組側(cè)重研究了調(diào)控蛋白GtaC的行為。GtaC與已知在許多組織中控制干細胞命運的人類GATA基因相似。缺乏GtaC的阿米巴蟲不能激活使得最初相似的細胞聚集到一起，形成多細胞結(jié)構(gòu)特殊細胞類型的基因。

當研究人員將GtaC連接到發(fā)綠光的蛋白上時，他們看到它以與cAMP 6分鐘脈沖相似的步調(diào)進入阿米巴蟲的細胞核，離開細胞核，再進入到細胞核中。如果研究人員向細胞連續(xù)供應(yīng)cAMP，GtaC會在短暫的延遲后離開細胞核，只要cAMP存在GtaC就會呆在細胞核外。當他們除去cAMP時，GtaC將再度進入到細胞核中。

研究人員隨后操控GtaC滯留在細胞核中，發(fā)現(xiàn)細胞開始聚集在一起，過早發(fā)生特化。然而，研究小組發(fā)現(xiàn)在缺失cAMP的細胞中，即便有GtaC在細胞核中這些過程也不會開啟。

為了更好地了解GtaC的作用，研究人員利用了一種發(fā)光蛋白來顯示GtaC開啟特定基因的時間。他們發(fā)現(xiàn)了另一種節(jié)律性的、6分鐘活性模式：閃光點表明基因活性幾乎每6分鐘達到強度高峰，比GtaC在細胞核中的累積高峰要延后大約3分鐘。根據(jù)Devreotes所說，三分鐘的延遲有可能是需要時間看到和開啟基因。

“有可能當GtaC在細胞核中時，它一開始處于失活狀態(tài)，只有當細胞接受到外部的cAMP信號之后才開始開啟基因。然而由于cAMP信號不僅可激活GtaC，也能將其驅(qū)逐出細胞核，只在一個非常短的時間窗中起作用，”論文的作者、Devreotes實驗室助理研究員Huaqing Cai說。

Devreotes說，這一系統(tǒng)導致了每個細胞中基因活性的總量完全取決于它所通過的周期次數(shù)，而非接收cAMP的總量或是它暴露于cAMP的時間長度。“節(jié)律性接收cAMP實際上使得發(fā)育基因的活性達到最大化。它讓群體中所有細胞的發(fā)育同步，就像指揮為樂隊的成員打節(jié)拍。”

Devreotes說：“這一系統(tǒng)類似于計算機中實現(xiàn)計數(shù)的簡單電路。但我們認為它或許足夠高級能夠用來解釋更復雜的行為，像簡單的學習就依賴于重復的刺激。”

此外，研究人員認為，這一信號系統(tǒng)或許還可以解釋胚胎發(fā)育過程中發(fā)生的一些細胞命運改變。