細胞應對變化不全由基因決定，新研究有新發現

無論是在發育中的胚胎還是轉移性癌症中，細胞都在不斷移動。但是細胞如何適應它們所遇到的新環境呢？傳統上，科學家們認爲細胞通過基因突變或改變基因表達來適應其環境中的變化和壓力因素。

但是一項由耶魯大學主導的新研究表明，遷移的細菌細胞也能夠快速且集體地對周圍環境的變化做出反應，而無需任何基因改變。具體而言，研究人員發現，細胞羣體僅通過生長並把生長慢的細胞甩在後面就能“非基因性地”適應新環境。

這一發表在《美國國家科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上的新發現對整個生物學領域都產生影響，從增進我們對進化的理解到爲癌症等疾病提供新的治療策略。

通訊作者蒂埃裡·埃莫內（Thierry Emonet）表示：“鑑於集體遷移在微生物、癌症和胚胎髮育中普遍存在，通過集體遷移進行的非基因適應可能是種羣適應不同環境的一種普遍機制。” 埃莫內是耶魯大學藝術與科學學院分子、細胞和發育生物學以及物理學教授，也是耶魯定量生物學研究所的成員。

過去的研究表明，細菌細胞能夠獲得賦予抗生素抗性的基因突變。同樣，癌細胞可以對化療產生抗性。然而，這種適應通常需要數十代的時間，突變細胞纔會成爲優勢細胞。（在埃莫內使用的細菌細胞中，細胞分裂或產生新一代細胞大約每小時發生一次）。

然而，這種新的適應機制是由埃莫內（Emonet）和共同作者、熨斗研究所（Flatiron Institute）的科學家亨利·馬丁利（Henry Mattingly）在三年前提出理論的，並且現在已經通過實驗得到證實，它使遷移的細胞羣體能夠在僅僅兩三代內對環境變化作出反應，而且無需依賴基因調控或突變。

爲了展示這一機制是如何運作的，研究人員將具有不同遊動行爲的基因相同的大腸桿菌置於液體和多孔環境中，然後觀察它們的集體遷移情況。

在研究人員將其比作筆直公路的液體環境中，直線遊動時間較長的細菌處於領先地位，而頻繁轉彎的細菌則落在後面。隨着時間的推移，這些細菌種羣中順暢遊動的細菌數量增多。

另一方面，在有更多障礙物的多孔環境中，頻繁轉彎的傾向被證明有利於逃離死衚衕。在這些環境中，更頻繁轉彎的細菌成爲領先者，而順暢遊動的細菌種羣則逐漸減少。

“遊動順暢的細菌就像保時捷車手，而轉向更頻繁的細菌就像吉普車手，”耶魯大學藝術與科學研究生院的研究生、F31國家研究服務獎獲得者林沃（Lam Vo）說道，他也是這項研究的共同主要作者。

“保時捷是爲高速公路上的速度而打造的，而吉普在更崎嶇的地形（如山路）上表現出色。不同的環境決定了誰的表現最佳。”

關鍵的是，特定遊動行爲的富集不能用突變或基因表達來解釋。研究人員沒有發現這些細菌在遷移過程中有調節遊動行爲的基因表達增加或減少的證據。

由於基因表達或突變沒有變化，種羣沒有專門適應一種或另一種環境——僅遷移就足以使適應良好的個體在種羣中的數量暫時增多。

耶魯大學博士後研究員、該研究的合著者福蒂奧斯·阿夫吉迪斯（Fotios Avgidis）表示：“通過集體遷移進行的非遺傳適應不僅能對新環境做出快速反應，還能使細胞羣體同時應對許多生物挑戰。”

“基因調控通常一次修改一兩個性狀來實現快速反應，而我們發現的機制通過同時改變許多性狀來促進快速反應。”

研究人員發現，除了使種羣能夠在兩到三代細胞分裂內適應環境變化外，這種機制還能根據細菌所追逐的引誘物來調節化學感受器的數量，這凸顯了其潛在的靈活性。

埃莫內（Emonet）說：“這個過程可能適用於許多原核和真核細胞類型，這些細胞分解環境因素併產生自身的梯度以追逐目標。”

“我們的研究結果表明，當集體行爲產生選擇壓力時，細胞羣體能夠以一種通過經典機制難以實現的速度和靈活性，可逆地適應多種特性，”馬丁利補充說，他曾是耶魯大學的博士後研究員，現在是紐約熨斗研究所的副研究科學家。

“遷移和其他集體行爲，當與生長相結合時，通常能爲不同羣體提供快速而靈活的方式以適應不斷變化的條件。”

馬丁利還主導了預測這種適應機制的理論工作。