扭轉細胞命運
"不需要改變基因，只要對細胞外形施力推拉，就能決定它要長成腦組織、肌肉或是致命腫瘤。 "
撰文／皮克洛（Stefano Piccolo）
翻譯／林雅玲
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我們實驗室培養的人類正常細胞看來很柔順，不像腫瘤細胞會猖獗生長，侵入並殺死鄰近組織。但是當我們拉扯細胞、強迫它們改變外形，竟然出現令人擔憂的病變。我們把原本球形的細胞拉成扁平狀，引發了細胞裡兩種蛋白質YAP和TAZ的活性增加。隨著這兩種蛋白質的活躍，良性細胞開始癌化、失控地增生。我們相當訝異這些改變並非基因突變造成，而是物理作用力引發。
當代生物學家用基因和蛋白質來解釋細胞的生命現象，基因確實會指揮細胞的行動，然而越來越多證據顯示：物理作用力也會推動重要的細胞程序，這些推拉力量來自細胞環境，例如鄰近的細胞或體液。
研究細胞、詮釋這些推拉力量的領域稱為機械生物學（mechanobiology），過去幾十年來，科學家發現這些力量相當強大。舉例來說，周圍還有空間的細胞會持續分裂，成千上萬聚集在一起的細胞生長速度會很慢或停止。組織的硬度也很關鍵，能轉變成不同類型細胞的幹細胞，如果身處模擬腦組織硬度的環境，會長成神經細胞，但要是碰上與肌肉類似的硬度，則會長成肌肉細胞。力學也能指引實驗室培養皿裡的幹細胞自我組裝成複雜的器官，例如眼睛的一部份，或是通常出現於腦部的結構。
直到最近，研究人員才確認細胞如何把物理作用力轉換成改變細胞活性的指令，我們在過去幾年進行的實驗找出其中的神秘連結。我們的研究顯示YAP和TAZ組成的分子開關，把細胞外部施加的力與細胞核的基因連結在一起，最終促成基因的活化。當細胞受到某種方式的拉扯，YAP和TAZ會做出回應並活化基因，進而決定細胞行為。世界各地的科學家不斷發表令人興奮的發現，提供生物運作方式的新見解，包括胚胎發育、組織維護和傷口癒合。這些發現也有助於發展對抗癌症的新策略，也是實驗室培養新器官的前進動力。
啟動細胞形變的開關
生物體內有無數機械力在運作，雖然大多數人只能感受到最明顯的那些，例如心臟跳動、肌肉伸縮和血液流動。生物學家早就意識到這些重複收縮和伸展動作的廣大影響層面。舉例來說，運動帶來的機械負荷能促進骨骼礦質化和預防骨質疏鬆症，而血管規律的擴張能保護它們免於動脈硬化。
但是，物理作用力也在微觀層面深刻影響人體，就作用在體內的40兆顆細胞上。這些作用力源自細胞彼此的牽連，每顆細胞都有特殊蛋白質組成的骨架，做為纜線、支柱與拉桿。這些蛋白質負責維持外形，包括細胞核、多種胞器與細胞膜。細胞膜上的黏合蛋白質讓細胞內部骨架能與外部環境連接，另一端則固定在細胞外間質與其他細胞相連。
細胞骨架和周圍的細胞外間質，不斷進行拔河賽。舉例來說，鄰近細胞外間質的變形會透過連結點把細胞往外扯動，如果細胞沒有受到其他阻礙，就會拉伸。然而，細胞對此拉力的回應是重組細胞骨架，促成相當的向內收縮力。這樣的拉扯穩定了細胞的形狀，不過要是細胞遭遇不同方式的物理作用，便會快速重新調整外形，最終造成整體外形的改變。
