细胞的运动受到多种因素的精确调控,并在胚胎发育、血管新生、创伤修复、炎症反应以及肿瘤转移等各种生理和病理学过程中都至关重要。在这些过程中,细胞通过感知细胞外定向信号,如趋化因子浓度梯度和电场,并朝特定的目标定向迁移。因此,细胞不仅要运动,更重要的是要根据细胞外信号有效地往正确的方向迁移。趋化迁移的重要性已被广泛接受,而电场作为生物体内广泛存在的内源性物理信号,一直未能引起人们的重视。现有研究表明干扰组织内的电场将显著影响胚胎发育和伤口修复。电场指导的定向迁移称为细胞趋电性迁移(electrotaxis或galvanotaxis).目前,已有多种细胞被报道能够响应细胞外电信号并做定向迁移,如角膜上皮细胞、角质细胞、内皮细胞、淋巴细胞、干细胞以及一些肿瘤细胞等。但是不同的细胞在电场中迁移的方向并不相同,大多数细胞在电场中向负极迁移；也有少数细胞向电场的正极迁移。最近的研究表明,电场可以激活细胞内的多条信号通路,并可能通过介导细胞内特定蛋白的极化来促进细胞的趋电性迁移,包括表皮生长因子受体(EGFR).整合素和磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)等。同时,其他一些重要的分子也被认为参与了细胞趋电性迁移的调控,如细胞外信号调节激酶(ERK1/2)、丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)、蛋白激酶C cAMP和cGMP及其依赖的蛋白激酶等。虽然近年来关于细胞响应电信号并促进定向迁移的机制已有大量研究,单细胞在趋电性迁移过程中方向性的调控机制并不明确,尚有待深入的研究。我们先前的研究发现,鱼表皮角质细胞的细胞碎片也具有运动能力,并且能在电场下朝正极定向迁移,而其母细胞则在电场中向负极迁移。因此,本论文的第一章中,我们进一步的研究了细胞及其碎片在电场中反向迁移的分子机制,阐明了环化核苷酸(cAMP和cGMP)在这一特殊模型中的差异性调控机制。cAMP和cGMP是研究最为广泛的重要第二信使,通常被认为在细胞内相互拮抗共同调控各类细胞行为。本研究中,我们发现增加细胞内cAMP或cGMP浓度可以抑制细胞碎片向正极的趋电性迁移,但并不影响其母细胞向负极的趋电性迁移。这种负调控可能是通过激活其下游分子PKA或PKG实现的。PI3K抑制剂可以阻断cAMP或cGMP抑制效应从而使细胞碎片恢复向正极的趋电性迁移,提示PI3K可能间接参与了cAMP和cGMP对趋电性迁移的调控作用。综合以上结果,说明电场对细胞碎片的调控机制可能与其母细胞不完全相同,cAMP/PKA与cGMP/PKG信号分子在其中发挥了重要的调控作用。另一方面,整合素因其在细胞黏附和迁移中的独特作用,被认为可能参与细胞趋电性迁移的调控。整合素作为一类大分子跨膜蛋白,能够介导细胞内外的双向信号传导,在细胞骨架及迁移相关信号通路与细胞外环境的动态交互中起重要的调控作用。因此,本学位论文的第二章主要探讨了整合素蛋白在细胞趋电性迁移方向调控中的作用。早期的研究分别揭示了整合素α5和β4在成纤维细胞和角质细胞的趋电性迁移中的调控作用。本研究中,我们基于CHO细胞构建了一系列表达不同整合素蛋白的稳转细胞株,并通过高通量的细胞迁移实验评价了整合素蛋白对细胞趋电性迁移方向及速度的影响。实验结果显示整合素蛋白的特异性表达对细胞的基础迁移能力具有明确的调控作用。其中,整合素a2、p1、β3显著增加了细胞迁移的速度,而α3, α5, αV、α6β4、αⅡbβ3则显著性地抑制了细胞的迁移。更令人惊奇的是,整合素可以差异性调控细胞趋电性迁移的方向。其中,整合素α2、α5、αM、β1、αⅡbβ3使细胞保持向负极定向迁移；整合素α3、α4、αV、β2、α6β4、α4β7显著性地抑制了细胞的趋电性迁移；而整合素α6、α9、β3则使细胞在电场中向正极定向迁移。与此同时,整合素β1、α2、α9加快了细胞在电场中的运动速度,而整合素αⅡbβ3、α5、αV等则抑制了趋电性迁移的速度。在此基础上,我们以α9-CHO为研究模型,初步探讨了其方向性调控的分子机理,发现整合素a9对趋电性迁移的方向调控可能依赖于其胞内结构域的功能。综上所述,本博士学位论文的两个章节分别在不同的研究模型上,探讨了细胞趋电性迁移中方向调控的分子机制。第一部分研究了鱼表皮角质细胞与其细胞碎片在电场中反向迁移的分子机制,发现cAMP和cGMP在细胞和细胞碎片中的差异性调控作用：第二部分基于CHO细胞构建了一系列表达不同整合素蛋白的细胞株,探讨了整合素家族蛋白在细胞趋电性迁移中的作用,发现不同整合素蛋白对细胞趋电性迁移方向具有差异性调控作用,并初步探讨了其分子机制。