细胞结构如何导致健康问题

人体每秒产生200万个红细胞。它们每个人都能活120天，每20秒就在身体周围快速移动一次，将氧气从肺部输送到其他组织，并将呼出的二氧化碳带回体内

特拉华大学生物科学系教授兼系主任Velia M.Fowler几乎可以告诉你关于这些细胞结构的一切

盘状细胞有两个酒窝，每侧一个，静止时完全对称。在血流中，它们会灵活变形和折叠，挤压比实际更小的狭窄毛细血管，当它们出现时会恢复到原来的双凹面形状。

“我一直喜欢红细胞的形状，因为它太美了，”Fowler说。“我一直想弄清楚它是如何工作的。”

Fowler在UD的实验室研究细胞结构，以及每个细胞的内部结构支架是如何形成其独特的形状、机械强度和生理功能的。这种支架由一种名为肌动蛋白的蛋白质组成，肌动蛋白组装成类似螺旋状珠链的细丝（F-肌动蛋白）。与建筑物中的结构支架不同，细胞中的F-肌动蛋白是动态的，肌动蛋白亚基“珠子”每秒都会在细丝末端出现和脱落

Fowler认为，F-肌动蛋白是细胞结构以及适当的细胞形式如何支持细胞功能的关键调节因子。F-肌动蛋白的失调会导致细胞形状和生物力学的变化，这会导致一系列疾病，包括血液疾病、免疫缺陷、肌肉肌病、白内障、老花眼、骨质疏松、骨关节炎和肌腱炎

实验室研究动态F-肌动蛋白支架如何产生特定的细胞形状，以及这如何有助于正常细胞功能或功能障碍。这项研究的重点是红细胞、晶状体中的细胞和肌肉骨骼系统中的细胞

Fowler说：“我们正在努力了解F-肌动蛋白结构（在细胞内）的位置、它们的动态组织、形状和浓度梯度，以及它们如何对细胞功能做出贡献。我很喜欢这种相互作用。”

Fowler和她的团队正在研究红细胞中F-肌动蛋白的两个不同方面：红细胞前体如何重新排列其F-肌动蛋白以摆脱细胞核，使成熟细胞能够通过微小的毛细血管循环多次；以及F-肌动蛋白如何在细胞膜（皮肤）组装成薄网络，并与一种名为肌球蛋白的运动蛋白相互作用，以控制细胞形状和灵活性

对晶状体的研究研究了晶状体细胞中的F-肌动蛋白结构如何有助于晶状体透明度和视觉聚焦。这项对骨骼、软骨和肌腱细胞的研究考察了F-肌动蛋白结构是如何维持的，以防止肌肉骨骼系统出现问题。后一项工作是由特拉华州肌肉骨骼研究中心完成的

细胞中F-肌动蛋白的广泛影响是生物医学工程博士生Heather Malino加入Fowler实验室的原因之一。她被研究的基础方面所吸引，而不是专门研究假肢等健康问题的实际解决方案

她说：“了解发生的基本生物现象真的很有意义，因为你在观察细胞和分子过程。”。“你会发现一些关于晶状体的东西，但细胞就是细胞。因此，我们对晶状体的了解也可能对身体的不同过程更为全面。”

在过去的基础上，这项工作建立在Fowler 40年职业生涯中与F-肌动蛋白网络相关的突破性发现之上。作为博士后研究员，Fowler是第一个在红细胞中发现肌球蛋白的人。如果没有肌球蛋白马达拉动F-肌动蛋白网络来产生张力，红细胞前体将无法产生足够的力来排出细胞核，成熟细胞也将无法承受其生命周期中所需的变形、折叠和展开的重复循环

她还发现了一种以前未知的蛋白质，称为原调素。Tropomodulin阻止F-肌动蛋白末端生长或收缩，使其稳定在一定长度。当细丝的长度相同时，它们在与各种类型的细胞中的其他蛋白质结合时产生的网络会更强、更稳定。如果细丝的长度不同，则网络不规则且机械较弱，细胞形状也不正常

Fowler表明，原调素的功能对心脏和血细胞的发育以及许多细胞和组织的正常功能至关重要，包括晶状体、大脑神经元、肠道上皮细胞、血管内皮细胞以及血小板和红细胞。它是骨骼肌和心肌有效收缩所必需的

“我从一种在一个组织中具有功能的分子开始，我认为这种功能必须发生在其他组织中，”她说。“我把这些点联系起来了。”

最近，Fowler是一个团队的成员，该团队发现原调蛋白的突变会阻止该蛋白正常发挥作用，从而导致儿童患上严重的遗传性心肌病。这是该蛋白的功能首次与人类心脏病直接相关。这项研究发表在《通讯生物学》杂志上

Fowler最近被美国细胞生物学家学会（ASCB）评为2023年终身研究员，部分原因是她在原调素方面的工作。她是今年获此殊荣的19位来自世界各地的科学家之一。该学会包括该领域的顶尖研究人员，并统计了几位诺贝尔奖获得者