圣裘德兒童研究醫院的科學家發現，細胞線(細胞上細長的毛發狀突起)在神經發育過程中非常重要。細胞質連接遠距離通訊的細胞，但在發育中的脊椎動物組織中很難用顯微鏡捕獲。研究人員首次找到了一種方法來可視化細胞因子在哺乳動物神經系統發育過程中如何運輸信號分子。研究結果發表在《細胞》雜志上。

“我們證明細胞因子是信號傳輸的直接快速途徑，”通訊作者、圣裘德細胞與分子生物學系的Stacey Ogden博士說。“細胞在發育和組織穩態過程中需要相互溝通，并且能夠接觸到的不僅僅是它們的鄰居。我們已經確定了一種將信號加載到細胞因子中以運輸到響應細胞群的方法，并證明當這種信號分散模式受到損害時，組織模式不會正確發生。”

快速信號傳遞建立了成功的神經系統

奧格登實驗室的研究人員首次將現代顯微鏡技術與優化的樣品制備相結合，對發育中的神經系統中的哺乳動物細胞因子進行可視化。

“長期以來，在發育中的哺乳動物組織中可視化這些結構一直是一項挑戰，”奧格登說。“但我們終于找到了辦法。”

利用他們的新方法，科學家們捕捉到了細胞素如何充當“快速”系統的圖像，該系統可以跳過干擾細胞，直接向更遠的細胞傳遞信號，類似于只在主要車站停靠的快速地鐵。主要站之一是脊索，它產生的信號在組織發育中的脊髓中起著至關重要的作用。奧格登的團隊捕獲了源自脊索的細胞線中發生的運輸過程的圖像。

當研究人員阻止信號蛋白進入細胞線時，小鼠模型中的神經發育被破壞，導致嚴重的神經缺陷。

奧格登說：“這是首次證明這些基于細胞因子的運輸過程發生在復雜的哺乳動物組織(例如神經管)的發育過程中。” “然后我們發現，當我們減少細胞因子數量或降低細胞將信號蛋白加載到這些結構中的能力時，我們就會出現發育缺陷。”

細胞因子運輸有助于建立梯度

哺乳動物的發育是一個精心引導的過程，必須協調所有器官和組織才能正確形成。細胞知道何時采取特定命運的一種方式是通過響應稱為形態發生素的信號蛋白的不同閾值。細胞會對信號梯度上的這些信號做出不同的反應，對特定形態發生素的高濃度和低濃度做出不同的反應特征。良好的梯度是發展所必需的;糟糕的梯度可能會帶來災難。

盡管它們很重要，但這些形態發生素的模式如何在組織細胞領域中產生仍然是一個謎。簡單的擴散可以解釋其中的一些梯度，但不是全部。當科學家阻止信號進入細胞素時產生的神經缺陷提供了證據，支持細胞素信號在形態發生素模式形成過程中的關鍵作用。

奧格登說：“這些缺陷確實是基于細胞因子的信號在神經管模式形成過程中發揮關鍵作用的第一個直接證據。”

通過細胞素運輸“音速刺猬”

圣裘德研究小組闡明了一種在神經管中形成音刺猬形態發生素梯度的方法。聲波刺猬已被認為是神經發育中的關鍵信號分子，但其到達靶細胞的途徑一直難以確定。該研究確定細胞因子是創建聲波刺猬信號梯度解決方案的關鍵貢獻者。相應地，當聲波刺猬無法加載到細胞線中時，其信號傳導功能就會受到損害。

“在形態發生素信號研究領域，我們一直想知道信號如何從一組細胞傳播到接收細胞群以形成梯度，”Odgen 說。“這確實令人興奮，表明產生形態發生素信號的細胞在使它們到達需要通過細胞因子的地方方面發揮著積極作用。信號細胞不僅制造形態發生素，而且還幫助物理傳遞信號。”

目前尚不清楚細胞因子表達信號蛋白運輸的廣泛程度。

“在這里，我們使用音速刺猬作為模型，”奧格登說。“但我們也有證據表明，這些結構可能對于傳輸神經管發育過程中至關重要的其他信號很重要。現在我們已經開發了一個系統來可視化這些細胞因子，我們可以開始揭示它們功能的真正廣度。”