人体每秒产生 200 万个红细胞。它们各自的寿命为 120 天，在此期间每 20 秒在身体周围移动一次，将氧气从肺部输送到其他组织，并带回呼出的二氧化碳。
特拉华大学生物科学系教授兼系主任 Velia M. Fowler 可以告诉您有关这些细胞结构的几乎所有信息。
盘状细胞有两个凹坑，每一侧各一个，并且在静止时完全对称。在血流中，它们会灵活地变形和折叠，以挤压比它们更小的狭窄毛细血管，当它们出现时，会恢复到原来的双凹形状。
“我一直很喜欢红细胞的形状，因为它太漂亮了，”福勒说。“我一直想弄清楚它是如何运作的。”
福勒在特拉华大学的实验室研究细胞结构以及每个细胞的内部结构支架如何创造其独特的形状、机械强度和生理功能。该支架由一种名为肌动蛋白的蛋白质组成，可组装成类似于珠子螺旋链的细丝(F-肌动蛋白)。与建筑物中的结构脚手架不同，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进出。
Fowler 表示，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，从而导致一系列疾病，包括血液疾病、免疫缺陷、肌肉肌病、白内障、老花眼、骨质疏松症、骨关节炎和肌腱病。
该实验室研究动态 F-肌动蛋白支架如何创建特定的细胞形状，以及它如何促进正常细胞功能或功能障碍。该研究的重点是红细胞、眼晶状体细胞和肌肉骨骼系统细胞。
“我们试图了解 F-肌动蛋白结构(细胞内)的位置、它们的动态组织、形状和浓度梯度，以及它们如何促进细胞功能。我就是喜欢这种相互作用，”福勒说。
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多次循环;以及 F-肌动蛋白如何在细胞膜(皮肤)上组装成薄网络并与称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。
与眼晶状体相关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。对骨骼、软骨和肌腱细胞的研究探讨了如何维持 F-肌动蛋白结构以预防肌肉骨骼系统出现问题。后一项工作是与特拉华州肌肉骨骼研究中心合作完成的。
F-肌动蛋白对细胞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。她被这项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。
“了解所发生的基本生物现象确实是有益的，因为你正在研究细胞和分子过程，”她说。“你会发现一些关于晶状体的东西，但细胞就是细胞。所以我们对晶状体的了解也可以更全面地影响身体的不同过程。”
立足于过去
这项工作建立在福勒 40 年职业生涯中与 F-肌动蛋白网络相关的突破性发现的基础上。作为博士后研究员，福勒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，成熟细胞将无法承受变形、折叠和展开的重复循环在其生命周期内需要。
她还发现了一种以前未知的蛋白质，称为原调节蛋白。原调节蛋白阻止 F-肌动蛋白末端生长或收缩，将其稳定在一定长度。当细丝长度相同时，它们在与各种类型细胞中的其他蛋白质结合时形成的网络更强、更稳定。如果丝的长度不同，则网络不规则且机械性能较弱，并且细胞形状异常。
福勒表明，原调节蛋白的功能对于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，包括眼睛晶状体、大脑中的神经元、肠道内壁上皮细胞、血管内壁内皮细胞以及血小板、红细胞。它是骨骼肌和心肌有效收缩所必需的。
“我从一种在一种组织中具有功能的分子开始，我认为这种功能必须在其他组织中发生，”她说。“我把这些点连起来了。”
最近，福勒所在的研究小组发现，原调节蛋白中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。这是该蛋白质的功能首次与人类心脏病直接相关。该研究发表在《通讯生物学》杂志上。
Fowler 最近被美国细胞生物学家协会 (ASCB) 评为 2023 年终身会员，部分原因是她在原调节蛋白方面的工作。她是今年获此殊荣的来自世界各地的 19 名科学家之一。该协会包括该领域的顶尖研究人员，并有多名诺贝尔奖获得者作为成员。
“福勒博士增进了我们对细胞生物学基本问题的理解，”生物科学副教授贾松在提名福勒获奖的信中说。“她的开创性工作发表了 140 多篇研究文章，极大地增进了我们对不同细胞结构和行为中肌动蛋白细胞骨架功能的理解。”
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